智能化灌溉施肥技术的建立

智能化灌溉施肥技术的建立
邹立坤，杨才峰1，蓝岚2，刘春来3
摘要：智能化灌溉施肥技术是提高我国设施农业的自动化灌溉施肥水平，改善水肥利用率的有效技术手段。本文介绍了智能化灌溉施肥技术小系统的功能和工艺流程，对该系统的软件和硬件设计进行了较为详细的分析，并对该技术的发展前景进行了预测。
关键词：设施农业；智能化；灌溉施肥
近年来，我国设施农业发展快，温室大棚经济逐步走高。但是我国温室大棚的自动管理水平还比较低，灌溉方式为沟灌，施肥方式为撒施或差压式施肥罐。水肥利用率和施肥均匀性较差。而发达国家荷兰、以色列的温室一般都利用智能化灌溉施肥技术进行灌溉施肥。该技术采用滴灌技术和计算机技术实现温室适时适量均匀的灌溉施肥，温室蔬菜花卉品质优良，产量提高几倍甚至几十倍。为提高我国设施农业的自动化灌溉施肥水平，增强我国农产品在国际市场的竞争力，开发研制国产的温室滴灌施肥自动化控制系统势在必行。
1系统介绍
智能化灌溉施肥是集先进的节水滴灌技术和自动化控制技术于一体，可以用于大面积温室滴灌施肥，是施肥技术(Fertilization)和灌溉技术(Irrigation)相结合的一项新技术[1]。采用该技术可以很方便地调节灌溉水中营养物质的数量和浓度以及植物适宜的酸碱度，可按照植物的生长需要提供营养，大幅度提高肥料的利用率，提高养分的有效性，促进植物根系对养分的吸收，提高作物的产量和质量。该系统采用工控机和板卡进行控制，通过对系统时间或土壤水分的自动监测、采集、判断，实现灌溉施肥的自动化控制。
智能化灌溉施肥由中央计算机、水泵、电磁阀、土壤水势传感器、pH酸碱度传感器、EC电导率传感器、营养液等组成的智能化灌溉施肥控制系统[2]。其主要功能如下：
(1)定时定量灌溉施肥功能：根据用户设定的不同作物多个阀门的灌溉施肥量、灌施起止日期等参数，系统可实现一个月内多个阀门的自动灌溉施肥控制。
(2)条件控制灌溉施肥功能：利用土壤水势传感器监测土壤的含水量，可实现多个阀门的全自动灌溉施肥控制，无需人工操作。
(3)过滤器反冲洗功能：当自冲洗过滤器两端的压差达到设定压力时，计算机可自动控制过滤器逐一进行冲洗；
(4)灌溉施肥信息的统计、查询、打印功能：
(5)系统运行状态的动态显示功能
(6)系统传感器的通断选择及校正功能；
(7)系统的报警及安全保护功能；
(8)田间电磁阀的任意分组功能。
2工艺流程
系统工艺流程如图1所示，系统灌溉时，水流经主管道直接进入田间。施肥时，系统从A、B、C储存桶中通过注肥装置向主管道进行注肥，肥液、酸液与水混合后直接回到主管路前端，边混合边进行田间施肥。同时在线检测pH、EC值，并根据pH、EC设定值和检测值的偏差大小，调整调节阀的开关频率来调节营养液的加液量。

图1 工艺流程图
3 硬件实现
为满足系统功能，保证系统的可靠性和稳定性，降低整套系统的造价，在硬件选型时采用了工控机和华控系列采集卡作为中央控制器。
系统运行时，先对流量参数进行采集，经A/D数据处理器进行采集送到CPU进行数据处理，同时把计算机数据和命令传送给74LS374对泵和阀门进行控制，实现精确灌溉和精确施肥的目的。
3.1 模拟量采集单元

图2 系统模拟量采集原理图
系统中的模拟量分为单端和双端两种，其中流量、pH和EC传感器模拟信号为双端，土壤水势传感器信号为单端。单端和双端可通过HY-6070采集卡上跳线进行选择。
系统模拟量采集时，先通电，某一路模拟开关关闭，一次传感器模拟电信号进入放大器进行信号放大，系统软件触发后，发出A/D转换启动命令，即可触发A/D转换，当检测到A/D完成位为“1”时，读取A/D转换的12Bit数据并进行计算。在A/D转换完成后，发出中断申请信号，然后由主机读入结果数据。和设定值比较后，对电磁阀门的开、关状态以及调节阀的频率进行调整。主机不断的读取数据进行比较，直到设定任务完成。
3.2 数字量控制单元
数字控制原理是PC-BUS→74LS374→驱动→SSR继电器→负载。数字量控制原理图数字量输出信号通过HY系列电平数字量输出板上的74LS374电子控制单元控制SSR电磁继电器的打开或关闭状态，实现水泵和电磁阀门的ON/OFF操作。每片74LS374占用一个I/O地址，可控制8个通道。通过输出操作每个I/O地址和数字量输出寄存器，可以逐个改变每个通道的输出状态。系统共设有16片74LS374，可控制128通道寄存式数字输出量。
4 软件实现
智能化灌溉施肥系统上电后，输入正确的密码后方可进入系统。系统初始化后，在系统主画面选择设置，然后首先进行预灌溉施肥的阀门分组设置和如何施肥的施肥配方设置。其次，选择条件控制灌溉方式进行相应设置。设置完毕，启动系统，系统首先采集流量信号，并通过施肥配方的“零”或“非零”来判断是进行灌溉还是进行施肥（系统默认施肥配方是“零”时为灌溉）。系统按照用户设定要求完成任务后，系统停止工作。控制软件开发程序采用C 语言，系统的主程序流程是：开始→输入密码→程序系统进行初始化→阀门分组和施肥配方设置→灌溉施肥方式选择和设置→执行任务→结束。
当系统运行过程中，出现故障，导致系统不能正常运行时，系统首先发出报警提醒人为介入，同时保存数据，关闭中断程序。等故障处理后，系统重新读取数据，恢复原运行状态，继续完成剩余任务。
5 结束语
从整个系统运行结果分析，控制系统运行状况较好。在天津、上海等地得到应用，在节水、节肥、省工、增产方面效果明显。因此，随着经济的发展和人们认识的提高，智能化灌溉施肥技术将在我国大范围应用，它是我国设施农业发展进程的必然结果。
参考文献
[1]张承林，郭彦彪.灌溉施肥技术[D].北京：化学工业出版社，2006.
[2]杨万龙等.温室滴灌施肥智能化控制系统研制[J].节水灌溉，2004(5)：27-30