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摘要：以福建省农业科学院数字农业研究所自主研发的水肥机AB920为控制核心，以维控LEVIStudio组态软件为工具，以类BASIC编程开发，设计了一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统。该系统具备状态查看、水肥配制、轮灌控制、组件手动等功能，通过有序控制循环灌溉泵、搅拌泵、灌区电磁阀，实现草莓立体栽培的自动化灌溉。
关键词：水肥一体；草莓；立体栽培；控制系统；设计
DOI： 1013651/jcnkifjnykj201709013
Design of irrigation control system for integrated water fertilizer in
threedimensional cultivation of strawberry
LIU Xian， LI Chuanhui， LEI Jingui， CAI Shufang， LIN YingZhi*
（Digital Agricultural Research Institute of Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fujian Province 350003）
Abstract： Taking the water and fertilizer machine AB920 independently created by Digital Agricultural Research Institute of FAAS as the core and the dimension controlled LEVIStudio configuration software as a tool， a set of irrigation controlling system for three dimensional cultivation of strawberry with integration of water and fertilizer was designed and developed by BASIC programming. The system has the functions of state view， water and fertilizer preparation， irrigation control and component manual operation. And it could realize automatic irrigation in strawberry stereo cultivation by orderly controlling the circulation irrigation pump， mixing pump and solenoid valves in irrigation area.
Key words： Water and fertilizer integration； strawberry； stereoscopic cultivation； control system； design
草莓為蔷薇科草莓属多年生草本植物，果实红色，外观呈心形，具有浓郁的水果芳香，含有丰富的维生素C、纤维素及果胶，有助消化、润泽喉部、促进胃肠蠕动、预防痔疮及肠癌等功效，被称为“水果皇后”，深受人们喜欢。草莓立体栽培是一种省力、高效的现代无土栽培方式，通过竖立的栽培柱或其他栽培形式作为植物生长的载体，充分利用有限空间，不仅能节约土地，还能提高产量。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，在灌溉的同时将肥料配成的肥液一起输送到作物根部，实现水和肥一体施用和管理，具有省肥节水、省工省力、降低湿度、减轻病害、增产提质等优点。为了提高草莓的水肥利用率及其产量，福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现草莓灌溉的自动控制，大幅提高工作效率，同时降低劳动力成本，实现良好的经济效益。
1控制系统整体方案设计
根据立体培栽培用水需求，将温室草莓种植分成8个区域，采用分区轮灌方式。每个区域面积330 m2，种植草莓7200株，估算用水量为1 t/d，峰值流量为2 t/h，最长间隔期为180 min。
系统以自主研发的水肥机AB920为控制核心，简单易学、成本低廉、易于扩展。具有辅助配肥、分区轮灌、定时轮灌等功能，可结合种植作物的实际需水情况制定灌溉计划，实现无人值守自动灌溉；可以手动对系统进行操控，实现单个组件功能检测；可对系统运行状态进行实时监控，便于及时发现灌溉系统运行过程中的异常，在较短时间内通知系统维护人员排除故障，保障系统高效运行。
2系统硬件设计
21首部管路
在草莓立体栽培灌溉系统中，肥液存放于储液池，在一个相对封闭的管路内流动。采用一次配置、循环灌溉、按需补水补料、整体更换的方式，肥液在使用之初即稀释配制完成，比在线混肥灌溉系统简单。用户根据储液体积计算出所需的肥料用量，肥料先在肥料桶中溶解，然后送入储液池稀释即可，母液浓度不可太高，注肥速率无须精准控制，但要注意肥料间的相互作用和影响。
刘现等：草莓水肥一体化立体栽培灌溉控制系统设计2017年第9期2017年第9期刘现等：草莓水肥一体化立体栽培灌溉控制系统设计系统首部管路设计见图1。配备3个带搅拌溶肥功能的肥料母液桶（A、B、C），母液经球阀、Y型过滤器、流量计，通过文丘里吸入储液池，同时完成稀释和混合，根据肥料特性可并行吸入或分步吸入，若肥料溶解速度慢，也可以交替溶解注入。
使用潜水泵作为循环灌溉主泵，通过灌溉球阀和配肥球阀形成两个管路子系统。灌溉子系统中，肥液在灌溉泵的驱动下，通过灌溉球阀、主过滤器、分区电磁阀送入各个轮灌区后，经回流管路、灭菌灯、过滤系统回到储液池；在配肥子系统中，肥水在灌溉泵驱动下通过文丘里回流到储液池，在此过程中吸入肥料母液，吸取速度可通过流量计和球阀调节；储液补水也通过配肥子系统管路进入。 22电气控制
水肥一体草莓灌溉系统电气结构见图2，以自主研发的水肥机AB920为控制核心，主要执行机构为灌溉主泵、搅拌混合泵和分区阀门。水培主机信号经灌溉泵控制柜来控制大功率灌溉泵的启闭，通过控制分区电磁阀实现8个分区的轮灌，在满足灌溉间隙的情况下，可扩展分区数量。主机通过液位传感器监测储液池的液位情况，使用流量传感器监测管路流量。
3系统软件设计
水肥机AB920以LEVI777A触摸屏为人机界面，开发环境基于Windows中文操作系统，采用维控公司开发的LEVIStudio组态软件。系统实现了草莓立体栽培灌溉的自动控制与手动控制的功能，主要功能模块包括状态查看、水肥配制、轮灌控制、组件手动。灌溉控制系统见图3。
31状态查看
用户可在触摸屏上查看当前系统各部分的工作状态，包括灌溉周期、当前轮灌区等信息，便于用户随时了解灌溉状况，及时发现异常。
32水肥配制
水肥配制包括肥料溶解和储液配制两部分功能，前者用于肥料溶解，肥料溶解搅拌和其他事务可以并行执行，在肥料搅拌中系统驱动肥料桶搅拌泵，可大大降低劳动强度。
由于储液配制属于低频事务，为简化系统结构，水肥配制采用人工辅助操作的半自动方案。配肥时需要先手动将灌溉水流转至配肥回流通道，再从系统中启动配肥操作；并在配肥结束后恢复为灌溉状态。在配肥操作中，启动灌溉泵驱动水流经文丘里吸入肥液后回流到储液池中，在此过程中完成水肥混合。在水肥配制过程中灌溉计划被禁用。
33轮灌控制
通过制定符合实际情况的灌溉计划来实现轮灌控制。用户可设定最多24个启动时间点，每个时点设“灌溉周期”“灌溉时间”参数和启用选项，同时在每个时间点设定启用分区及其灌溉时长（以分钟为单位），建立起自动灌溉计划。例如，用户设置启用1个时间点，将启动时间设定为20：30，灌溉周期为1 d，2区启用4 min、4区启用3 min、6区启用5 min，则每天的20：30系统就会启动灌溉，首先开启2区电磁阀，灌溉2区4 min后关闭，开启4区电磁阀，灌溉4区3 min关闭，开启6区电磁阀，灌溉5 min后结束任务。
34组件手动
该功能用于组件检修和应急灌溉，用户可通过开启组件手动功能人为地对某个组件进行调试，也可直接控制水泵、电磁阀进行灌溉。因手动状态下系统未启动安全监测，因此仅限熟悉系统的用户使用。在该模式下，计划灌溉暂停运行。
35實现结果
系统运行主界面见图4。系统投入使用后，运行稳定，人机界面友好，操作便捷，简单实用，主要画面包括状态查看、水肥配制、计划管理、组件手动、密码修改等（图5-9）。
4结语
我国水资源总量不足、时空分布不均，干旱缺水严重制约着农业发展。鉴此，大力发展节水农业，实施化肥使用量零增长行动，推广普及水肥一体化等农田节水技术，全面提升农田水肥利用率，是保障国家粮食安全、发展现代节水型农业、转变农业发展方式、促进农业可持续发展的必由之路。福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计并实现了一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现了水肥一体化自动管理，节水省肥，降低劳动强度，满足了水肥一体草莓立体栽培灌溉的实际生产需求，有效提高草莓栽培灌溉的效率，产生了良好的社会效益与经济效益，值得推广应用。
（责任编辑：刘新永）2017年第9期
收稿日期：2017-05-19
关键词：水肥一体；草莓；立体栽培；控制系统；设计
DOI： 1013651/jcnkifjnykj201709013
Design of irrigation control system for integrated water fertilizer in
threedimensional cultivation of strawberry
LIU Xian， LI Chuanhui， LEI Jingui， CAI Shufang， LIN YingZhi*
（Digital Agricultural Research Institute of Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fujian Province 350003）
Abstract： Taking the water and fertilizer machine AB920 independently created by Digital Agricultural Research Institute of FAAS as the core and the dimension controlled LEVIStudio configuration software as a tool， a set of irrigation controlling system for three dimensional cultivation of strawberry with integration of water and fertilizer was designed and developed by BASIC programming. The system has the functions of state view， water and fertilizer preparation， irrigation control and component manual operation. And it could realize automatic irrigation in strawberry stereo cultivation by orderly controlling the circulation irrigation pump， mixing pump and solenoid valves in irrigation area.
Key words： Water and fertilizer integration； strawberry； stereoscopic cultivation； control system； design
草莓為蔷薇科草莓属多年生草本植物，果实红色，外观呈心形，具有浓郁的水果芳香，含有丰富的维生素C、纤维素及果胶，有助消化、润泽喉部、促进胃肠蠕动、预防痔疮及肠癌等功效，被称为“水果皇后”，深受人们喜欢。草莓立体栽培是一种省力、高效的现代无土栽培方式，通过竖立的栽培柱或其他栽培形式作为植物生长的载体，充分利用有限空间，不仅能节约土地，还能提高产量。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，在灌溉的同时将肥料配成的肥液一起输送到作物根部，实现水和肥一体施用和管理，具有省肥节水、省工省力、降低湿度、减轻病害、增产提质等优点。为了提高草莓的水肥利用率及其产量，福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现草莓灌溉的自动控制，大幅提高工作效率，同时降低劳动力成本，实现良好的经济效益。
1控制系统整体方案设计
根据立体培栽培用水需求，将温室草莓种植分成8个区域，采用分区轮灌方式。每个区域面积330 m2，种植草莓7200株，估算用水量为1 t/d，峰值流量为2 t/h，最长间隔期为180 min。
系统以自主研发的水肥机AB920为控制核心，简单易学、成本低廉、易于扩展。具有辅助配肥、分区轮灌、定时轮灌等功能，可结合种植作物的实际需水情况制定灌溉计划，实现无人值守自动灌溉；可以手动对系统进行操控，实现单个组件功能检测；可对系统运行状态进行实时监控，便于及时发现灌溉系统运行过程中的异常，在较短时间内通知系统维护人员排除故障，保障系统高效运行。
2系统硬件设计
21首部管路
在草莓立体栽培灌溉系统中，肥液存放于储液池，在一个相对封闭的管路内流动。采用一次配置、循环灌溉、按需补水补料、整体更换的方式，肥液在使用之初即稀释配制完成，比在线混肥灌溉系统简单。用户根据储液体积计算出所需的肥料用量，肥料先在肥料桶中溶解，然后送入储液池稀释即可，母液浓度不可太高，注肥速率无须精准控制，但要注意肥料间的相互作用和影响。
刘现等：草莓水肥一体化立体栽培灌溉控制系统设计2017年第9期2017年第9期刘现等：草莓水肥一体化立体栽培灌溉控制系统设计系统首部管路设计见图1。配备3个带搅拌溶肥功能的肥料母液桶（A、B、C），母液经球阀、Y型过滤器、流量计，通过文丘里吸入储液池，同时完成稀释和混合，根据肥料特性可并行吸入或分步吸入，若肥料溶解速度慢，也可以交替溶解注入。
使用潜水泵作为循环灌溉主泵，通过灌溉球阀和配肥球阀形成两个管路子系统。灌溉子系统中，肥液在灌溉泵的驱动下，通过灌溉球阀、主过滤器、分区电磁阀送入各个轮灌区后，经回流管路、灭菌灯、过滤系统回到储液池；在配肥子系统中，肥水在灌溉泵驱动下通过文丘里回流到储液池，在此过程中吸入肥料母液，吸取速度可通过流量计和球阀调节；储液补水也通过配肥子系统管路进入。 22电气控制
水肥一体草莓灌溉系统电气结构见图2，以自主研发的水肥机AB920为控制核心，主要执行机构为灌溉主泵、搅拌混合泵和分区阀门。水培主机信号经灌溉泵控制柜来控制大功率灌溉泵的启闭，通过控制分区电磁阀实现8个分区的轮灌，在满足灌溉间隙的情况下，可扩展分区数量。主机通过液位传感器监测储液池的液位情况，使用流量传感器监测管路流量。
3系统软件设计
水肥机AB920以LEVI777A触摸屏为人机界面，开发环境基于Windows中文操作系统，采用维控公司开发的LEVIStudio组态软件。系统实现了草莓立体栽培灌溉的自动控制与手动控制的功能，主要功能模块包括状态查看、水肥配制、轮灌控制、组件手动。灌溉控制系统见图3。
31状态查看
用户可在触摸屏上查看当前系统各部分的工作状态，包括灌溉周期、当前轮灌区等信息，便于用户随时了解灌溉状况，及时发现异常。
32水肥配制
水肥配制包括肥料溶解和储液配制两部分功能，前者用于肥料溶解，肥料溶解搅拌和其他事务可以并行执行，在肥料搅拌中系统驱动肥料桶搅拌泵，可大大降低劳动强度。
由于储液配制属于低频事务，为简化系统结构，水肥配制采用人工辅助操作的半自动方案。配肥时需要先手动将灌溉水流转至配肥回流通道，再从系统中启动配肥操作；并在配肥结束后恢复为灌溉状态。在配肥操作中，启动灌溉泵驱动水流经文丘里吸入肥液后回流到储液池中，在此过程中完成水肥混合。在水肥配制过程中灌溉计划被禁用。
33轮灌控制
通过制定符合实际情况的灌溉计划来实现轮灌控制。用户可设定最多24个启动时间点，每个时点设“灌溉周期”“灌溉时间”参数和启用选项，同时在每个时间点设定启用分区及其灌溉时长（以分钟为单位），建立起自动灌溉计划。例如，用户设置启用1个时间点，将启动时间设定为20：30，灌溉周期为1 d，2区启用4 min、4区启用3 min、6区启用5 min，则每天的20：30系统就会启动灌溉，首先开启2区电磁阀，灌溉2区4 min后关闭，开启4区电磁阀，灌溉4区3 min关闭，开启6区电磁阀，灌溉5 min后结束任务。
34组件手动
该功能用于组件检修和应急灌溉，用户可通过开启组件手动功能人为地对某个组件进行调试，也可直接控制水泵、电磁阀进行灌溉。因手动状态下系统未启动安全监测，因此仅限熟悉系统的用户使用。在该模式下，计划灌溉暂停运行。
35實现结果
系统运行主界面见图4。系统投入使用后，运行稳定，人机界面友好，操作便捷，简单实用，主要画面包括状态查看、水肥配制、计划管理、组件手动、密码修改等（图5-9）。
4结语
我国水资源总量不足、时空分布不均，干旱缺水严重制约着农业发展。鉴此，大力发展节水农业，实施化肥使用量零增长行动，推广普及水肥一体化等农田节水技术，全面提升农田水肥利用率，是保障国家粮食安全、发展现代节水型农业、转变农业发展方式、促进农业可持续发展的必由之路。福建省农业科学院数字农业研究所以自主研发的水肥机AB920为控制核心，设计并实现了一套水肥一体草莓立体栽培灌溉控制系统，实现了水肥一体化自动管理，节水省肥，降低劳动强度，满足了水肥一体草莓立体栽培灌溉的实际生产需求，有效提高草莓栽培灌溉的效率，产生了良好的社会效益与经济效益，值得推广应用。
（责任编辑：刘新永）2017年第9期
收稿日期：2017-05-19