水肥一体化精准控制系统的设计与开发

论文摘要

我国水资源匮乏,化肥污染严重,为保持农业可持续发展,精准灌溉与精准施肥已经成为当前的热点,也是精准农业的核心与重点发展方向。为实现精准灌溉精准施肥,必须采取水肥一体化精准控制技术。国内外对于水肥精准控制技术都做了许多研究。国外于20世纪30年代就有了相关报道,国内于20世纪70年代开始引进第一台设备,20世纪90年代才开始相关研究。与国外相比,国内技术相对落后,许多相关研究与开发局限于实验室研究阶段。虽然国外设备较为成熟,但由于土壤类型、气候环境、作物生长影响因素等差异,难以应用于中国的实际；再者,国内许多研究大多偏重于学术和技术引进,考虑作物的水肥需求特征不够充分,系统构建成本昂贵,且实用性不强。因而有必要整合多学科现有成熟技术,研制经济可靠的水肥一体化系统满足社会要求。本研究立足于作物水肥需求特征,通过综合考虑成本、增产与节能,从经济实用性出发,以水肥一体化智能精准控制为核心,结合控制对象和实际需求,采取不同方法设计开发了以下两个系统：系统一为“武汉市武湖农业生态园精准播种和灌溉施肥技术示范（项目编号200720422147）”之全自动灌溉施肥模式。系统基于已有设备—自走式浇水机,采取PT2262/PT2272无线收发模式,解决了移动布线的麻烦；自制针插式传感器节约系统成本,并且能够很好的反映基质湿度状况,用于包菜种苗获得了预期效果；利用PAC技术,简单快捷地实现了系统监控决策软件。科技查新、检索反映,国内尚无相关研究报道。本系统构建快速简单、成本较低,2010年5月通过武汉市科技局验收,2010年8月获得武汉市科学技术成果证书,编号wk201005106。同年,作为技术支撑单位,华中农业大学获得科技进步三等奖,编号2010J-118—3-65-059-02。系统二为华农果园教学基地梨园水肥一体化精准控制系统。从经济效益考虑,系统采用RS-485串口通讯远程监控现场,并利用单泵驱动、数个营养液罐和驱动混合仓组成的营养计量混配系统自动在线组配营养液,可做到因作物及其生育阶段的不同而实施不同的水肥一体化管理。系统最大的特色在于利用简单的设备和信息控制技术,能按照不同作物水肥需求,在一个系统内实现营养液自动在线组配和灌溉施肥数据跟踪管理。目前,国内没有类似系统报道,本系统已申请发明专利一项（201010562399.4）,实用新型专利一项（201020628746.4,公示期至7月25日）,软件著作权一项（受理号2011R11S034204,6月中旬获授权证书）。2011年4月系统于武汉市农科院武湖基地推广应用,种植作物分别为西瓜和茄子,总面积4亩。下半年准备在武汉市农科院更大面积的蔬菜生产上推广实施一至两套。两个系统均采取“肥随水走”的施肥策略与“以周为施肥规划单位,以天为施肥实施周期”的水肥管理方案,节约肥料投入同时提高利用率；并且,二者均采取土壤水分传感器在线实时监测,及时补充水分；此外,考虑到系统扩展需求与日后分析植物最优生长模式,利用Access数据库详细保存了系统操作记录、系统控制参量等信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究目的意义
• 1.2 水肥一体化自动控制技术
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 国外研究进展与限制因素
• 1.3.2 国内研究进展与当前存在主要问题
• 1.4 本课题主要研究内容与研究原则
• 2 基于自走式浇水机的灌溉施肥系统
• 2.1 系统总体方案与技术路线
• 2.2 系统主要研究内容
• 2.2.1 设备改良
• 2.2.2 系统结构设计
• 2.2.3 简易水分传感器研制
• 2.2.4 智能灌溉施肥管理系统
• 2.3 简易水分传感器研制与应用
• 2.3.1 水分传感器制作与测试
• 2.3.2 水分在线检测与应用
• 2.4 系统软件设计
• 2.4.1 系统控制决策
• 2.4.2 数据管理
• 2.5 结语
• 3 梨园水肥一体化精准控制系统
• 3.1 系统总体方案与技术路线
• 3.2 系统设计
• 3.2.1 系统控制结构
• 3.2.2 田间拓扑结构
• 3.2.3 灌溉施肥方案
• 3.3 系统硬件组成
• 3.3.1 上位机
• 3.3.2 串口转换模块
• 3.3.3 下位机
• 3.3.4 执行机构
• 3.4 智能决策系统开发
• 3.4.1 控制决策
• 3.4.2 水肥量记录
• 3.4.3 自动控制实施过程
• 3.4.4 RS-485串口通讯
• 3.5 运行与分析
• 3.6 小结
• 4 结论与发展建议
• 参考文献
• 附录
• 串口通讯代码截图
• 系统二软件运行图
• 系统二实物图
• 科研成果
• 致谢