摘要：本文针对在传统农业生产区面临的农业设施基础建设程度低及专业化人才短缺的问题，开发了一套单通道水肥灌溉系统，并嵌入了基于土壤含水量和光累积辐射的水肥耦合综合决策控制方法，由原液组件、灌溉首部及控制单元三部分组成。硬件部分，以可编程控制器（PLC）作为控制核心，利用控制面板上多个旋钮组合，实现水肥的多层次耦合供给。软件部分，利用双因子条件启动方法及基于水分传感器的控制方法，综合进行灌溉决策；利用PID控制原理，进行灌溉液EC值的动态调控。系统有手动和自动两种工作模式，相较传统施肥机，取消了本地上位机，免除了繁琐的触摸设置过程，且避免了触摸屏在高温高湿温室环境中的故障事件，提高了系统鲁棒性；同时，配置的自动灌溉方法将传统大水大肥的灌溉模式替换为少量多次的水肥耦合供液模式，解放了劳动力，减少了水分渗漏，提高了水分利用效率。在实际的推广应用中，该系统安装方便、功能实用，适用于塑料大棚、日光温室等节本投入土壤栽培，符合当前传统农业发展需求。
关键词：单一肥料；水肥一体；可编程控制器（PLC）；PID控制
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
我国水资源稀缺，呈现总量大但人均占有量小的特点，且分布不合理。因此，在农业生产中，将水肥一体化这种国内外公认的高效节水节肥新技术向西北地区推广，在提高水资源利用效率，促进农业节本增效方面意义重大[1~3]。近年来，随着政策的支持[4、5]及我国设施园艺的发展，西北地区塑料大棚和日光温室等设施结构面积在逐渐扩大，相关的配套装备和新技术也在进一步推广[6、7]，水肥一体的耦合灌溉方法也得到了示范应用[7~10]。目前，西北地区的自动灌溉施肥系统仍处于发展阶段，存在专业化人才短缺，农业科技投入略显不足的问题，在进行水肥耦合控制时，仍以经验灌溉为主导，人工参与程度高，施肥体系陈旧，灌溉制度滞后，机理性差，容易引起肥料的过量供给，形成恶性循环[7、11]。而所配套的水肥一体装备，或是利用基础的机械压差式吸肥装置，或是集成化程度和智能化程度较高，且配备有上位触摸屏，不仅使用前需要进行一系列参数设置，而且长期处在高温高湿的塑料大棚或日光温室中，稳定性能和触摸性能保障性差。基于以上问题，结合当地环境条件、设施程度及园区劳动力配置条件，开发一种安装制约条件少、操作方便、功能实用的单通道水肥灌溉系统尤为必要。[收稿日期：
基金项目：陕西省农业科技创新与攻关项目(2016NY-149)资助;陕西省教育厅产业化项目(2013JC26)资助
作者简介：王琨琦(1955-)，男，河南省新郑市，教授，博士生导师，(E-mail)372122167@qq.com。
通讯作者：郭文忠(1970-)，男，研究员，主要从事设施园艺工程技术与智能装备研究，E-mail：guowz@nercita.org.cn]
1 单通道水肥灌溉系统
针对上述问题，开发了一种面向传统农业生产区简易的单通道水肥灌溉系统，配套集成了果菜的经验灌溉水肥管理方法；利用多个旋钮的组合，实现了水肥的多层次耦合供给，具有功能完善、操作简单、鲁棒性高等特点，适用于日光温室、塑料大棚等节本投入土壤栽培。
1.1 系统结构
单通道水肥灌溉系统由原液组件、灌溉首部及控制单元三部分组成（图1）。原液组件用来存储和搅拌高浓度浓缩肥液，可根据种植作物品种，选配不同的可溶性肥料。灌溉首部包含过滤单元、吸肥单元、灌溉单元及传感单元；过滤单元目的是阻挡温室主水管中的可见杂质，以保证灌溉单元和田间滴灌系统不被堵塞；吸肥单元利用文丘里进出水两端不同水流速度在文丘里内产生的负压，吸入浓缩肥液，并提供混肥腔使之与水充分均匀混合，以实现水肥的均一化供施；灌溉单元提供分区阀门接口，受控于清水灌溉或肥液灌溉的脉冲指令；传感单元用来采集当前的温室环境信息、土壤墒情信息、总辐射照度信息、灌溉液实时浓度信息及单次灌溉流量信息，以供系统软件按需及时地进行水肥的耦合调控。控制单元包含控制面板和控制器；控制面板提供不同需求的输入接口，包括系统上电控制、水肥耦合供给控制、灌溉时间控制及灌溉液浓度控制等；控制器向下传递面板交互的控制要求及控制逻辑，并进行重要参数存储。该单通道水肥灌溉系统相较传统的施肥机，去掉了触摸设置式人机交互接口，接近傻瓜式控制方法，在节本的同时对操作人员专业要求低，更符合西北地区农业劳动力配置情况。
作者：王琨琦1, 赵倩2 , 贾冬冬2, 郭文忠*2, 李友丽2, 贾海遥1, 王晨健1