一种农村适用“经济型”智控滴灌

乡村振兴战略阐述了农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，农业农村的发展水平关乎民生。因此，在乡村振兴战略提出之后，农业农村智能机械化生产受到了重点关注，相关应用也在这几年得到了快速发展。相较欧美发达国家的农业智能机械化水平，我国还是有差距，但也因为政策的重视正在迅速发展与赶超。通过调查与研究，本文重点研究与分析当前智能化滴灌技术，对一种笔者参与设计已在我国农村推广的实用滴灌控制技术进行了智能化全过程改造，改造过程注重农业农村生产实际中的适用性，特别注重微小型农企和农户考虑的设备成本问题，改造后滴灌实现了全过程无人值守智能化控制，同时因注重集约、适肥、节能、节水方面的发展应用使研究更具普遍应用性，其中，使用对象还可根据生产实际需求只对亟需控制部分环节进行部分改造应用，是适应和同步农业农村发展水平的“分拆式”创新应用。

一、当前国内滴灌的控制现状

目前，我国大中型现代化农业服务企业在我国农业农村生产中，使用的智能机械化水平相对还是比较高的，我国农业灌溉、滴灌技术也由此得到了发展，其智能化程度也得到了提升，基本能跟上国际步伐。但在调查中发现，智能水肥一体化灌溉、滴灌技术都有成熟的智能控制系统，根据运作方式分为两种，一种是纯水灌溉模式，另外一种是按一定肥料配比在水里的灌溉模式，两个方式下的智能系统都能满足当下现代农业生产的需求，根据智控程度也可分为两种，一种是部分智控应用，另一种是全过程智控应用。这两类现状都在设计上未能达到经济适用性的要求，分析原因在于在我国国情下的智能灌溉设备的受众基本以微小型农企和农民群体为主，相关设备的应用需要得到这两个主体群体的认可，一是要确保技术应用的经济成本，价格不宜过高，二是要确保技术应用的灵活适用性和操作简易性。有关数据显示，在我国农业农村生产经营主体中，微小型农业企业和农户占农业经营生产主体的95%以上，农业灌溉的生产方式上，最常见的还是人力操作为主的半自动化灌溉、滴灌居多，而智能化设备得不到普及应用，究其原因就是全自动化、智能化下的灌溉、滴灌投入成本高，操作复杂，维修与维护成本相较也高。

二、农村适用“经济型”智控滴灌的设计

为了改变当前农业农村实际灌溉中所产生的这种现象，在原有参与设计且已推广应用的一种具备机械半自动而非智能化农村适用性滴灌装置的基础上，经过两年多，紧紧围绕操作简易、经济适用、全程智能等方面进行滴灌智改工作研究，研究设计了基于农村既简易又适用的经济型滴灌技术，并相较全过程智能化的改进目标加以实验实施，形成了无需操作按钮、全过程无人值守的智能化农业农村经济适用性滴灌装置，同时，在进一步的研究中还实现了长时期无需人工值守的种植需求，大大地减轻了人工劳动强度，是一种现代化农业农村智能化滴灌种植设施，也代表着新一代农业农村智能化种植设施的发展方向。

（一）总设计方案

研究分析原参与设计并推广应用的一种原有农村机械、半自动灌溉系统的基础上，对各设计环节对比改进，提出远程控制供水、施肥智能控制等系统各部分的改造思想及实施路径，将试验形成的系统控制和信息采集数据，通过两种路径设计实施，一种是将传感器采集的数据通过RS485方式集成接入主控制器进行比较控制；另一种是选择具有数据采集与比较功能的传感器以信号控制。其它包含附助硬件设备及材料的选择接入试验、设计的软件程序的试运行试验调试等。

图一所示为设计的总控制流程图，该思路可实现远程无线控制，同样适用大中型农业企业的生产。同时，考虑无需远程控制的小型农业企业和农业农村生产，可将图中无线路由换成交换机，去掉远程控制模块用线路相连接，甚至去除触摸屏，以及更换RS485相关设备等，微小型农业企业及农户在实践应用时，还根据需求做相应的设备删减与替换。

图一总控制流程图

（二）选用控制单元与数据接入

如图二所示，总控制器的选择上，对比了STM32与PLC，PLC可编程控制器采用了一类可编程的存储器，属于生产即封装的相对密封产品，而STM32只是一款芯片，虽然芯片本身是高密封性产品，但在应用中需要自设计完成外部驱动等电路，完成后外部元器件需要自封装，在防湿、防静电等方面相对较差，所以实际应用我们最终选用PLC作为控制主件。在PLC型号选择上选用FX系列，又因FX系列分支持无线功能和不支持无线功能两种版本，根据设计，选用了支持无线功能版本的三菱FX5U系列，作为无线控制版，也可支持RS485数据方式，但此版本控制器价位相对较高，也可选用FX系列更低代无线功能的PLC，当用户无远程控制的需求时，也更换成更低端不支持无线功能的设备。

图二示意图

注释：1.水源 2.水泵 3.智控蓄水池 4.光电传感器 5.等水位U管 6.出水手动阀 7.出水电动阀 8.减压装置 9.肥水电动阀 10.肥液过滤装置 11.水肥过滤装置 12.水肥手动阀 13.EC传感器 14.水肥自动阀 15.毛管上部通气口 16.农作物 17.湿度传感器 18.肥液手动阀。其中光电传感器从上到下位置编号A、B、C、D。

设计时，根据不同农作物生长环境，对需要分析控制的两个数据进行设定：一是农作物生长适应的土壤湿度，二是农作物生长需要的水肥的浓度。此两项数据设定后与土壤湿度传感器、EC传感器所采集到的数据对比，分别控制土壤湿度值与水肥浓度值。对比控制有两种方式，一种方式，通过PLC模拟量模块采集传感器数据进行对比，此项成本相对较高，实际调研中，认为当前只符合大中型农业企业；另一种方式，通过传感器自带比较功能传输信号给PLC控制驱动相应设备，此项成本相对较低，符合农村适用性。同时做好水池水位的高位与低位、超高水位与超低水位四个信号PLC接入，分别用于水池水位控制与超水位报警提示。

（三）所做各环节改造

为了达到全过程、无人值守、操作简易的目的，除总控制上增加了PLC作为控制器，其它各人工环节基本都做了改造。

设计“U型管”测量水位：原有机械式浮子传动控制可以达到水位控制的目的，但浮子设计在水池高位壁，通过打孔连接实现传动控制，需要较好的密闭防水性，时间长了防水效果下降，容易造成漏水，而且水位控制的高点与低点相对接近，导致抽水间断时间不长，时刻启动抽水泵的方式，也使水泵寿命严重缩短。经设计改造形成了“U型管”式的测量方式如图二标注5，将水池水位测量高度转移，测量的光电传感器则安装在U型管外侧，测量位置可做活动处理，特别是设计了活扣可拆卸的传感器连接滑轨，实现拆卸滑轨就可轻松更换传感器。

设计“双肥室”滴灌畅流：对施肥装置做适用性智能改造，增加一个自放肥料即高浓度肥液罐并配上过滤装置，连接到水肥罐，水肥罐内也有过滤装置，一方面，增加一个肥液罐和过滤装置成本略有填加，但保证了高浓度肥液与水肥装置的分离、保证了高浓度肥液装置内可供长时间农作物生长肥液量的一次性投放，另一面，选用EC传感器，装在水肥装置内肥水出口处，对施肥浓度进行实时监测，数据实时比对控制，保证水肥浓度。同时，“双肥室”采用双水肥过滤装置，保证了滴灌自流不堵塞滴孔。

设计增加三个电磁阀：增设水池出水电磁阀（标注6）、肥液装置出肥水阀（标注9）、滴灌灌溉出水电磁阀（标注14），接入PLC作为智能控制的执行部件。同时，在三个电磁阀附近增设三个手动阀分别用于三个对应位置的紧急处理阀。

设计增加的传感器：增设光电传感器4个（标注4）、EC传感器1个或多个（标注13）、湿度传感器网态分布多个（标注17），接入PLC作为智能控制的输入控制信号。

水池进出水及浓度控制：抽水则由U型管水位高低通过PLC驱动接触器控制水泵达到目的，抽水时间间隔相较之前增加。如若浓度过高，则开启出水电动阀，关闭肥液电动阀，在水肥装置内进行进一步的稀释；如若浓度过低，则关闭出水电动阀，开启肥液电动阀，在水肥装置内自增加浓度。

（四）传感器的选择与设置

传感器选用原则：以选用相对低廉、运行速度、灵敏度、稳定性、精确度、耐用性等参数作对比，选择适用性较强的传感器，接入主控制器。

水位传感器：水位传感器主要用于控制水池水位，让水池处在永远有水的状态，通过抽水水泵调节入水，同时增设的超高水位与超低水位传感器用于报警反馈。水位传感器的选择上选择了光电水位传感器，对于其它种类传感器的适用性作了排除，设置在增加的“U型管”等水位管外侧，且光电水位传感器的型号选用也给出了参考，详细请参考“基于PLC的农村适用‘经济型’滴灌水池水位智控研究”这篇已发表的文章。

湿度传感器：湿度传感器主要用于控制农作物土壤湿度处在适应湿度值上，其控制基于对滴灌终端主管道的改进，用来控制水肥是否进入土壤。选用合适的湿度传感器进行改进研究，包括湿度传感器的合理布置。去除原设计中湿度传感器反馈控制的优先级高于水位传感器的控制优先级这一设计，因水位控制增设智能控制保证水箱水位不低于下警戒水位，即保证了滴灌的永不缺水。特别使用独立于PLC外部可自设定湿度比较的湿度传感器，这样可对不同农业物生长所需的土壤湿度进行选择，以便滴灌自控保持某一特定土壤湿度，又在面板插口对应位置印上该湿度适应的农作物，以最佳农业物湿度环境保证农作物生长。同时，传感器的分布采用“正方形网格”划分进行分割，在正方形对称中心放置传感器，最大限度的掌握农作物环境信息，可有效节约放置的传感器数量，以便于节约成本。型号参数上的参考，大中型农业企业选用含RS485数据接口的传感器，集温度和湿度一体的传感器，微小型农业企业和农户只用具备输出开关信号的RS传感器，本文重点针对微小型农业企业和农户设计，设计程序时只将湿度值的开关信号接入。

EC传感器：EC传感器主要用于控制农作物生长所需的水肥浓度环境，设置在施肥水肥罐过滤网右侧，离出肥口较近的位置，对施肥浓度进行实时监测，数据实时比对控制。数量上其实只用一个传感器就可以达到采集数据的目的，因为只需要将EC传感器设置在过滤网右侧的水肥出水口处即可。通过对比市场，EC传感器是一个相较成熟的产品，市场上产品价格也不高，所以这里不作型号参考，但因主要针对微小型农业企业和农户设计，只选用具备输出开关信号的EC传感器。

三、智能控制原理

PLC外部接线图如图三所示，I/0分配如表一所示。

图三 控制原理图

表一

工作原理：图三所示，闸刀QS合上，按下电源启动按钮SB1系统通电，按急停SB0可切断电源。水池工作时主要是SQ1、SQ2两个光电水位传感器进行检测判断是否抽水，当水位略低于C时，低水位传感器C触发SQ2常闭闭合，X2常开触头闭合，Y0得电，电动水泵（标注2）开始工作抽水，这时水位B与水位C之间将一直抽水，而当水位略高于B时，高水位传感器B触发SQ1常开闭合，X1常闭触头断开，Y0失电，电动水泵停止抽水。在高水位、低水位传感器损坏时触发限位保护，当水位见底低于D时，水池无水，SQ4常闭闭合，X4常开触头闭合，Y5得电，L3指示灯亮，BE报警；当水位超过A时，水池水位超警戒线，SQ3常开闭合，X3常开和常闭分开分析，X3常开触头闭合，Y4得电，L2指示灯亮，BE报警，同时触发限位保护X3的常闭触头打开，Y0失电，电动水泵2停止抽水。湿度传感器在监测到土壤湿度偏低于设定值范围时，湿度传感器发出高电平信号，X7常开触头闭合，Y7得电，滴灌电磁阀开，开始滴灌，当雨天等情况导致的土壤湿度高于设定值范围时，湿度传感器无高电平信号，X7常开触头回到常开状态，Y7失电，滴灌电磁阀关。EC传感器在监测到肥液浓度低于设定值范围时，EC传感器发出高电平信号，X0常闭触头打开，Y1失电，水池出水阀关闭，X0常开触头闭合，Y2得电，肥罐抽液泵（或阀）打开，当监测到肥液浓度高于设定值范围时，X0常闭触头回到常闭状态，Y1得电，水池出水阀打开，X0常开触头回到常开状态，Y2失电，肥罐抽液泵（或阀）关闭。注：湿度传感器和EC传感器选用自比较功能的传感器，工作时，需要将不同农业物适应的湿度与肥水浓度值设定好。

PLC可编程控制内部程序如下：

图四控制主程序

四、结语

农业机械化生产中智能化设施设备应用是时代发展的方向，进程不可逆转。本文对原有笔者参与设计并在区域推广应用的一套农村实用滴灌系统进行了改造，从控制中心PLC可编程控制器的选用，到水池水位的控制，再到滴灌肥水浓度值与土壤湿度值的控制等，充分考虑了“性价比”这一重要农村适用性参数，致力形成系统各环节节点的精简、选用集约元件设备、保证全过程无人值守的系统研究目标，研究实践出的一种农村适用“经济型”、“简易操作”、“全过程”智能化滴灌，符合当代灌溉、滴灌技术在农业现代化、乡村振兴战略两个进程中的发展要求。研究重点针对的是农业农村的适用性要求，特别是对于微小型农业企业、农业农村，可对系统进行参照只做需求部分的局部改造，更加符合不同乡情下的乡村振兴战略，具有绝对参考推广价值。展望未来，本文流程图中，略带叙述与分析了大中型农业企业可增加控制的应用需求，包括还可增设部分，如无线远程控制、可视屏幕的技术支持、温度与湿度的精准控制、肥料的下料搅拌等方面的改造升级，当然成本也会随之增加，但这种方向的设计可符合大中型农业企业种植需求，也将会是时代发展方向。

总之，本文设计的一种农村适用“经济型”滴灌，既可进一步扩展升级功能服务大中型农企，还可为基层农技推广部门、有需求微小型农业企业、偏远农村地区在全过程无人应用或可选择性局部应用方面提供高实用参考。（作者：魏星、曾小虎，江西生物科技职业学院；钟方，中共江西省委党校）

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