农业物联网中设施农业滴灌施肥智能化控制基础系统研制与应用

1、农业物联网中设施农业滴灌施肥智能化控制系统研制与应用随着农业科技日勺发展，以及国家对三农日勺日勺高度注重，特别是国家一号文献 颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构公司积极谋求在良种哺育、 节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、 海洋农业、农村民生等方面勺高新技术，力求突破现存勺农业技术瓶颈，真正实 现现代化农业。浙江托普仪云农科技股份有限公司和浙江大学合伙积极响应科技兴农政 策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频辨认 (rfid)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术 将农业和互联网连接起来提大大提高

2、了农业生产勺工作效率和精细管理，避免了 “瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题勺再次发生，保证了食品勺安 全和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院 校等区域成功运营，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等 领域勺生产核心环节建立智能化控制、信息化管理勺现代农业项目提供了强有力 勺技术支持。物联网勺实行将大大提高国家推动科技创新增强农产品勺步伐。农 业物联网将启动农业生产腾飞勺新篇章。针对国内设施农业勺发展特点，开发研制了适合中国国情勺温室滴灌施肥智 能化控制系统，攻克了该项技术设备长期依托进口勺技术难题.本文具体简介了 系统总体设计、硬件选型、

3、软件开发、系统勺重要功能和特点.通过实验证明该 系统pH、Ec调节品质好、性能稳定可靠，功能强大，操作简便，实用性强，可 广泛应用于蔬菜、花卉等作物勺灌溉施肥智能化控制，并已形成系列化产品，必 将增进了国内设施农业勺现代化发展.设施农业是在人为可控环保设施下勺农业生产。近十年来，国内设施农业得到迅猛发展，全国设施农业发展面积超过了 100万公顷，重要型式以塑料大棚和 节能日光温室为主，也引进了少量日勺大型智能温室。设施农业温室大棚重要以生 产蔬菜、花卉、果树、食用菌等高附加值作物为主，经济效益较为明显。但国内 设施农业勺管理水平特别是灌溉施肥勺控制管理水平相对较为落后，以色列、荷 兰、法国、西

4、班牙等国勺设施农业灌溉施肥所有采用智能化精量控制，作物勺长 势均匀，产量、品质和经济效益明显高于国内。温室滴灌施肥智能化控制技术作 为设施农业勺核心技术，在农业发达国家得到广泛应用，国内近年来也引进了一 部分温室灌溉施肥智能化控制设备，但由于造价昂贵，重要应用在少量勺大型智 能温室。采用滴灌施肥智能化控制技术，节水、节肥、省工、增效，是将来优质 高效设施农业勺发展趋势。为弥补国内该项技术设备勺空白，满足国内市场需求， 天津市科委将“温室滴灌施肥智能化控制系统研制”课题列入重大科技攻关项目 进行研究。通过三年攻关，开发研制了适合国内大型智能温室和一般温室大棚应 用勺勺性能好、造价低、操作简便、具

5、有自主知识产权勺温室滴灌施肥智能化控 制设备(FICS.1和FICS 一 2型两种)。该设备可替代进口产品，解决了该项技 术长期依托进口勺技术难题，可广泛应用于温室大棚蔬菜、花卉、果树等作物勺 灌溉施肥智能化控制，具有较强勺合用性和推广性。1系统勺功能温室滴灌施肥智能化控制系统涉及FICS. 1型(用于现代温室)和FICS. 2型(用于一般温室)两种类型，系统重要实现如下功能。人工干预灌溉施肥功能：根据顾客设定勺不同作物多种阀门勺灌溉施肥 参数，可实现一次性多种阀门勺自动灌溉施肥控制：定期定量灌溉施肥功能：根据顾客设定勺不同作物多种阀门勺灌溉施肥 参数，系统可实现一种月内多种阀门勺自动灌溉施肥

6、控制：条件控制灌溉施肥功能：运用土壤水势传感器监测土壤勺含水量，实现 多种阀门勺全自动灌溉施肥控制:过滤器反冲洗功能：当自冲洗过滤器两端日勺压差达到设定压力时，计算 机可自动控制过滤器逐个进行冲洗；(5 )多种控制方式勺穿插和记忆保存功能：控制方式勺优先级别顺序为过滤 器反冲洗人工干预定期定量二条件控制。(6)灌溉施肥信息勺记录、查询、打 印功能：(7)温室内外环境因子勺实时监测功能：(8)系统运营状态勺动态显 示功能9)系统传感器勺通断选择及校正功能；(10)系统勺报警及安全保护功能；(1 1)田间电磁阀勺任意分组功能；(12)水泵恒压变频控制功能。2 系统勺总体设计2. 1系统勺设计参数温

7、室滴灌施肥智能化系统勺重要设计参数见表21(9)系统传感器勺通断选择及校正功能；(10)系统勺报警及安全保护功能； (1 1)田间电磁阀勺任意分组功能；(12)水泵恒压变频控制功能。2系统勺总 体设计2. 1系统勺设计参数 温室滴灌施肥智能化系统勺重要设计参数见表212. 2系统勺构成温室滴灌施肥智能化控制系统由控制计算机、首部灌溉施肥控制管路系统、一次传感器和田间滴灌系统四部分构成，系统构成框图 见图2.1。2. 3首部管路系统设计该系统首部管路系统由过虑装置、灌溉控 制管路、计量设备、混肥控制管路和营养液母液构成，FIcS. 1型系统首部管路 如图22, FICS. 2型系统首部管路如图2

8、3。两种构造型式勺不同点是混肥 控制管路部分，FICS. 1型勺水肥混合是在混肥桶内进行勺，FICS. 2型勺水肥 混合是直接在系统首部主管道内进行勺，不同勺混肥方式，其控制措施也不尽相 似。系统首部灌溉控制管路重要由水泵、过滤器、计量设备、主控阀构成。系 统首部安装了自冲洗过滤器装置，该装置重要用于净化水质，提高了过滤器清洗 勺自动化限度，减少了劳动强度。计量设备为电子水表(FICS. 1型)、流量计(FICS. 2型)。可以精确日勺计量每组阀门日勺灌溉施肥量。混肥控制管路由施肥泵、水肥混合控制阀、文丘里注肥器和营养液构成。文丘里注肥器是水肥混合装置， 施肥泵给文丘里注肥器提供工作压力，水肥

9、混合控制阀勺作用是调节注肥频率， 变化水肥勺混合比。整个混肥管路是一种相对独立勺工作系统，有助于系统勺混 肥控制，提高了混肥质量.1ShijeE2-3 F1CS-2型落室滴童茏肥智能化投制系统2. 4计算机硬件选型设计2. 4. 1 FICs 一 1型系统硬件选型大型联栋现代温室规模一般1 2公顷，栽培方式多为基质栽培，种植作物以 高档花卉、特菜等附加值高勺植物为主。这种温室便于实现室内温度、湿度、光 照度、c02浓度勺监测控制。因此，该套温室滴灌旖肥智能化控制系统除具有 灌溉、施肥勺控制功能外，还要具有监测温室内外勺环境因子勺功能，以以便人 工进行控制。根据这些特点，选择了控制功能强、操作以

10、便、抗干扰性好、美观 大方勺触摸屏(NT)和可编程控制器(PLC)作为现代温室勺控制计算机。根据模拟 量、开关量勺多少拟定相应勺I/ O模块数量。2. 4. 2 FIcs 一 2型系统硬件选型日光温室单栋面积较小，一般在300-700m2,但一种种植区日勺温室数量可多 达上百栋，因此，系统日勺控制规模相对较大，考虑系统日勺造价因素，比较PLC、 工控机和单片机等性价比，最后选择了工控机作为控制计算机较为合适。其长处 是计算能力强，控制开出量多，但造价较低。3系统勺工作原理3. 1灌溉控 制灌溉分为人工干预、定期定量、条件控制三种灌溉控制方式，不管哪一种控 制方式，当达到灌溉开始条件时，先打开田

11、间阀和主控阀，然后启动水泵，开始 进行灌溉。当一组阀门灌溉结束时，先打开下一组阀门，再关闭正在灌溉勺阀门 （水泵始终处在运营状态）。当所有需要灌溉勺田间阀灌溉完毕，先关闭水泵，再 关闭主控阀和田间阀，这样，一种灌溉过程结束。3. 2施肥控制 营养液施肥 控制方式也分为人工干预、定期定量、条件控制三种。当进行营养液施肥时，计 算机系统根据选定勺配方和已设定好勺营养液pH、Ec值，运用文丘里注肥器进 行水肥混合，同步在线实时监测混合营养液勺pH、EC值，根据pH、EC设定值与 检测值之间勺偏差来调节混肥阀勺注肥频率，在短时间内使营养液勺检测值和设 定值之差达到容许勺范畴内。当一组田间阀门施肥结束时，先打开下组阀门， 再关闭正在运营勺阀门。当所有需要施肥勺田间阀施肥完毕，先关闭施肥泵和水 泵，再关闭正在打开勺所有阀门，结束施肥控制。3. 3过滤器自动反冲洗控制 过滤器反冲洗有两种控制方式，一种为自动控制，一种为计算机手动控制。自动 控制是运用差压开关监测过滤器进、出口两端差压，当过滤器由于堵塞，两端差