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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

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

随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是 国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、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、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，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作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经过经过射频识别（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了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。当前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。   
针对中国设施农业的发展特点，开发研制了适合中国国情的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靠进口的技术难题．本文详细介绍了系统总体设计、硬件选型、软件开发、系统的主要功能和特点．经过试验证明该系统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、花卉等作物的灌溉施肥智能化控制，并已形成系列化产品，必将促进了中国设施农业的现代化发展． 
设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产。近十年来，中国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，主要型式以塑料大棚和节能日光温室为主，也引进了少量的大型智能温室。设施农业温室大棚主要以生产蔬菜、花卉、果树、食用菌等高附加值作物为主，经济效益较为显著。但中国设施农业的管理水平特别是灌溉施肥的控制管理水平相对较为落后，以色列、荷兰、法国、西班牙等国的设施农业灌溉施肥全部采用智能化精量控制，作物的长势均匀，产量、品质和经济效益明显高于中国。温室滴灌施肥智能化控制技术作为设施农业的关键技术，在农业发达国家得到广泛应用，中国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，主要应用在少量的大型智能温室。采用滴灌施肥智能化控制技术，节水、节肥、省工、增效，是未来优质高效设施农业的发展趋势。为填补中国该项技术设备的空白，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。经过三年攻关，开发研制了适合中国大型智能温室和普通温室大棚应用的的性能好、造价低、操作简便、具有自主知识产权的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靠进口的技术难题，可广泛应用于温室大棚蔬菜、花卉、果树等作物的灌溉施肥智能化控制，具有较强的适用性和推广性。 1系统的功能 
温室滴灌施肥智能化控制系统包括FICS．1型(用于现代温室)和FICS．2
型(用于普通温室)两种类型，系统主要实现以下功能。 
(1)人工干预灌溉施肥功能：根据用户设定的不同作物多个阀门的灌溉施肥参数，可实现一次性多个阀门的自动灌溉施肥控制： 
(2)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参数，系统可实现一个月内多个阀门的自动灌溉施肥控制： 
(3)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，实现多个阀门的全自动灌溉施肥控制： 
(4)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； 
(5)多种控制方式的穿插和记忆保存功能：控制方式的优先级别顺序为过滤器反冲洗>人工干预>定时定量=条件控制。 (6)灌溉施肥信息的统计、查询、打印功能： (7)温室内外环境因子的实时监测功能： (8)系统运行状态的动态显示功能
9)系统传感器的通断选择及校正功能； (10)系统的报警及安全保护功能； (1 1)田间电磁阀的任意分组功能； (12)水泵恒压变频控制功能。 2系统的总体设计 2．1系统的设计参数 
温室滴灌施肥智能化系统的主要设计参数见表2—1

(9)系统传感器的通断选择及校正功能； (10)系统的报警及安全保护功能； (1 1)田间电磁阀的任意分组功能； (12)水泵恒压变频控制功能。 2系统的总体设计 2．1系统的设计参数 温室滴灌施肥智能化系统的主要设计参数见表2
1 2．2系统的构成 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组成，FIcS．1型系统首部管路如图2—2，FICS．2型系统首部管路如图2—3。两种结构型式的不同点是混肥控制管路部分，FICS．1型的水肥混合是在混肥桶内进行的，FICS．2型的水肥混合是直接在系统首部主管道内进行的，不同的混肥方式，其控制方法也不尽相同。 系统首部灌溉控制管路主要由水泵、过滤器、计量设备、主控阀组成。系统首部安装了自冲洗过滤器装置，该装置主要用于净化水质，提高了过滤器清洗的自动化程度，降低了劳动强度。计量设备为电子水表(FICS．1型)、流量计(FICS．2型)。能够精确的计量每组阀门的灌溉施肥量。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组成。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，水肥混合控制阀的作用是调节注肥频率，改变水肥的混合比。整个混肥管路是一个相对独立的工作系统，有利于系统的混肥控制，提高了混肥质量.

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、特菜等附加值高的植物为主。这种温室便于实现室内温度、湿度、光照度、c02浓度的监测控制。因此，该套温室滴灌_旖肥智能化控制系统除具有灌溉、施肥的控制功能外，还要具有监测温室内外的环境因子的功能，以方便人工进行控制。根据这些特点，选择了控制功能强、操作方便、抗干扰性好、美观大方的触摸屏(NT)和可编程控制器(PLC)作为现代温室的控制计算机。依据模拟量、开关量的多少确定相应的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，但一个种植区的温室数量可多达上百栋，因此，系统的控制规模相对较大，考虑系统的造价因素，比较PLC、工控机和单片机等性价比，最终选择了工控机作为控制计算机较为适宜。其优点是计算能力强，控制开出量多，但造价较低。 3系统的工作原理 3．1灌溉控制 
灌溉分为人工干预、定时定量、条件控制三种灌溉控制方式，不论哪一种控制方式，当达到灌溉开始条件时，先打开田间阀和主控阀，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，再关闭正在灌溉的阀门(水泵一直处于运行状态)。当所有需要灌溉的田间阀灌溉完毕，先关闭水泵，再关闭主控阀和田间阀，这样，一个灌溉过程结束。 3．2施肥控制 营养液施肥控制方式也分为人工干预、定时定量、条件控制三种。当进行营养液施肥时，计算机系统根据选定的配方和已设定好的营养液pH、Ec值，利用文丘里注肥器进行水肥混合，同时在线实时监测混合营养液的pH、EC值，根据pH、EC设定值与检测值之间的偏差来调整混肥阀的注肥频率，在短时间内使营养液的检测值和设定值之差达到允许的范围内。当一组田间阀门施肥结束时，先打开下～组阀门，再关闭正在运行的阀门。当所有需要施肥的田间阀施肥完毕，先关闭施肥泵和水泵，再关闭正在打开的所有阀门，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。自动控制是利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，两端差压达到设定值时，立即中断当前的工作，对过滤器组依次进行反冲洗，冲洗时间长度可任意设定，冲洗完毕，恢复系统原来的运行状态。 过滤器反冲洗手动控制：当认为过滤器需要反冲洗时，经过启动反冲洗程序界面上的启动键，随时可进行过滤器的反冲洗，冲洗方式与自动控制相同。 3．4优先权控制 根据不同控制的重要程度和紧急程度，系统控制的优先权级别划分为三级。最高级为过滤器反冲洗控制，即不论系统正在执行什么任务，只要接到过滤器反冲洗指令，立即中断当前的工作，执行过滤器反冲洗控制，反冲洗完毕，恢复系统原运行状态。次高级为人工干预灌溉施肥控制，最低级为定时定量和条件控制灌溉施肥控制。任何高一级控制都可随时中断比它级别低的控制，并可逐级恢复中断前系统的运行状态。这样，使系统的应用更加方便实用。 3．5环境监测 为保证温室内植物在适宜的环境下生长，提高作物的产量和品质。FlCS．1型智能化控制系统可在线进行温室内外的环境监测，主要监测因子有温室内外的温度、湿度、光照度、C02浓度。根据不同作物生长所需的温度、湿度、光照度、C02浓度等，设置环境因子的上下限报警值。当达到设定值时，计算机控制系统托普农业物联网缔造智慧农业，开拓农业生产新局面。 
会发出声光报警，提醒用户介入进行处理，这样能够防止对作物造成伤害。 
4系统的软件开发 
FICS．1型和FICS．2型系统控制软件分别采用梯形图语言和C语言编程。
5营养液调节品质性能试验 
温室滴灌施肥智能化控制系统能够根据实际需要，单独进行营养液pH或EC的调节控制，也能够实现营养液pH、EC的同时调节控制。这样，可满足不同控制方式的需要，具有较强的灵活性和实用性。 
5．1 pH调节品质试验 
以系统流量Q=10m3／h时为例， pH调节品质试验曲线如图5一l。从图中能够看出，，营养液pH值的调节在2min内基本达到稳定值，并稳定在pH设±0．2范围内。可见，系统pH值达到稳定需一定时间，控制精度在DH设±O．2范围内。

5营养液调节品质性能试验 
温室滴灌施肥智能化控制系统能够根据实际需要，单独进行营养液pH或EC的调节控制，也能够实现营养液pH、EC的同时调节控制。这样，可满足不同控制方式的需要，具有较强的灵活性和实用性。 
5．1 pH调节品质试验 
以系统流量Q=10m3／h时为例， pH调节品质试验曲线如图5一l。从图中能够看出，，营养液pH值的调节在2min内基本达到稳定值，并稳定在pH设±0．2范围内。可见，系统pH值达到稳定需一定时间，控制精度在DH设±O．2范围内。  
5．2 EC调节品质试验 
图5．2为Ec调节品质试验曲线，从图中能够看出，在系统流量Q=10m3／h时，EC的调节品质好于pH调节品质，一般在1．2min内系统EC的调节能够达到稳定，并稳定在Ec设±0．1范围内。同时，能够发现每条Ec值的调节曲线均有一个驼峰，发生此现象的原因是：开始时EC的检测值是一个假值，造成EC的检测值和EC的设定值偏差较大，导致系统发生过量调节。可是，系统在1min内即可纠正由此造成的偏差，基本稳定在EC设±0．1范围内。而且随着系统运行时间的增长，Ec检最终趋近于EC设。

6系统的主要特点 
①功能强大，操作简便：拥有人工干预、定时定量、条件控制三种灌溉施肥控制方式，用户可据实际选用。同时系统还拥有过滤器反冲洗、信息查询、环境监测等多种功能；全中文界面，方便中国用户使用。②系统硬件配置高，性能稳定，价格低廉；系统控制硬件选用进口的PLc和触摸屏，工控机和板卡，执行机构为进口的电磁阀、水泵，保证了系统的可靠性和稳定性。系统关键设备如自冲洗过滤器、文丘里注肥器、PH／Ec监测仪实现了国产化，降低了系统造价，该系统价格比同类进口产品低40％左右。◎节水、节肥、省工、降低劳动强度，提高自动化管理水平。④系统规格齐全，产品系列化；拥有FIcs．1型现代温室滴灌施肥智能化控制系统、FICS-2型大规模目光温室滴灌施肥智能化控制系统，系统的控制流量10～50n1／ll，用户可根据实际需要选用，⑤实用性强，适用范围广；可广泛应用于蔬菜、花卉、果树、食用菌的灌溉施肥管理，具有较强的通用性。⑤控制精度高，试验证明：系统的营养液浓度EC、酸碱度PH的调节品质良好，控制精度可达到Ec≤Ec±0．1mS／cm、pH≤pH±0．2。 
7 结语 
温室滴灌施肥智能化控制系统的研制成功，解决了中国该项技术设备长期依靠进口的技术难题，符合国内市场需求，可替代进口产品，有利地促进了中国设施农业的现代化发展，具有较好的产业化前景和广阔的市场潜力。

浙江托普云农科技股份有限公司
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浙江托普云农科技股份有限公司潜心 致力于中国农业信息化的发展，是以农业信息化为核心，智能硬件为基础，系统平台可集成，服务网络覆盖全国的农业信息化综合解决方案服务商，创新地将物联网、云计算等信息技术运用在了农业领域，助推中国农业现代化发展。
托普云农智慧农业整体解决方案在政府职能端和产业应用端统筹规划，合理布局。以省、市、县作为基点，建立智慧农业综合服务平台，大田、水产、养殖、设施农业等监控系统，为三农问题建立了一套完善的技术解决方案。拥有顶层设计-方案制定-实施应用-技术支撑全套服务的丰富经验。当前已在全国上千家农业示范基地落地应用，上万套监测设备稳定运行中。
迄今已荣获国家创造专利5项，国家实用新型专利40项、产品软件著作权70余项，被认定为国家高新技术企业、浙江省级院士工作站、省级企业研究院、全国传感器标准成员单位，拥有大量完全自主知识产权的技术和产品，公司始终立足农业物联网关键技术研发，经过应用示范，探索农业物联网的产业化应用。

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