智能水肥一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究

韓衛(wèi)華

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030031）

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展核心就是智能化農(nóng)業(yè)裝備，配套相應(yīng)的專業(yè)化、現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)設(shè)備。由于采用傳統(tǒng)種植模式，智能化技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備的應(yīng)用還不成熟，并且存在農(nóng)業(yè)裝備成本過高、穩(wěn)定性不夠高、智能性還需進(jìn)一步提高等問題。因此，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)裝備的智能化是推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)的水資源日趨不足，水資源總量?jī)H為世界的6%，部分種植區(qū)基本上還是采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉，浪費(fèi)了大量的水資源，造成我國(guó)嚴(yán)重缺水。水是作物生存之源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必要條件?；什粌H能提高土壤肥力，而且也是提高作物單位面積產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，是作物增產(chǎn)高產(chǎn)的物質(zhì)保證和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的粗放式灌溉施肥的方式，造成了水資源和肥料利用效率低的問題，引起了一系列環(huán)境污染、資源浪費(fèi)和影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等問題，從而限制了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，與其相結(jié)合的水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。

我國(guó)在水肥一體化技術(shù)智能灌溉系統(tǒng)的研究起步較晚相對(duì)落后，缺乏相應(yīng)的科學(xué)化、智能化、信息化管理[2]。尤其在山西省，雖然近幾年掀起了溫室大棚設(shè)施蔬菜建設(shè)高潮，各縣都大力發(fā)展溫室大棚設(shè)施生產(chǎn)，但由于配套服務(wù)跟不上，效益不明顯。栽培所需的品種選擇、技術(shù)培訓(xùn)缺乏有效的配套技術(shù)服務(wù)，造成產(chǎn)品產(chǎn)量低，影響農(nóng)民種植積極性。溫室大棚機(jī)械化作業(yè)水平低，自動(dòng)控制技術(shù)裝備水平偏低，工作環(huán)境差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，降低了山西溫室大棚設(shè)施蔬菜競(jìng)爭(zhēng)力。因此，推廣應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)就顯得尤為重要。

水肥一體化技術(shù)正朝著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和配方施肥方向發(fā)展。作物的需肥量和需水量必須依據(jù)作物全生長(zhǎng)期的所需水肥量精準(zhǔn)控制。有針對(duì)性地進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，合理地進(jìn)行灌溉施肥，達(dá)到節(jié)水節(jié)肥、省工省力、增產(chǎn)增收的效果。

智能水肥一體化技術(shù)，是將施肥系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)完美結(jié)合，提高水分利用率和肥料利用率。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)分析，達(dá)到精確控制施肥量、水量及施肥時(shí)間的目的，實(shí)現(xiàn)電腦端和手機(jī)端的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，從根本上改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)[3-7]。因此，智能水肥一體化技術(shù)必將得到國(guó)家的大力支持和推廣，發(fā)展前景十分廣闊。

1 研究?jī)?nèi)容

水肥一體化技術(shù)的迅猛發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，急需研發(fā)一套智能化程度高、使用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的水肥控制系統(tǒng)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信息化物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，通過土壤信息、環(huán)境信息的采集，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，指導(dǎo)施肥灌溉作業(yè)，真正實(shí)現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理。

在水肥一體化控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到水肥一體化智能控制系統(tǒng)中，研發(fā)一種新型的智能精準(zhǔn)配肥控制灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照條件等環(huán)境信息和水肥中的pH 值、EC 值，采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)加工、處理，自動(dòng)施肥灌溉控制系統(tǒng)做出智能化決策，實(shí)現(xiàn)智能化施肥灌溉控制，滿足用戶需求。

智能水肥一體化控制系統(tǒng)圖見圖1。

智能水肥一體機(jī)的主要功能包括：①根據(jù)土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器控制灌溉系統(tǒng)；②根據(jù)土壤氮磷鉀、EC、pH 值傳感器控制施肥系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)注肥總量和瞬時(shí)注肥量；③各類故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能。具有低液位保護(hù)，注肥泵、攪拌電機(jī)過載保護(hù)，過濾器堵塞保護(hù)，低流量保護(hù)等功能；④遠(yuǎn)程控制功能。實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境信息和水肥信息，根據(jù)信息決策灌溉施肥任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物的精確灌溉與施肥的智能控制和管理，提高水肥利用率。

2 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化控制系統(tǒng)是指根據(jù)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，按需灌溉、按需供肥、水肥平衡的原則，配制適當(dāng)濃度的肥液輸送到灌溉系統(tǒng)，通過適合的灌溉設(shè)備輸送給作物。

水肥一體化技術(shù)采用的灌溉系統(tǒng)大體分為噴灌和微灌，其設(shè)備主要由首部樞紐系統(tǒng)、水肥一體機(jī)、管道系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)所組成。

2.1 首部樞紐系統(tǒng)

首部樞紐系統(tǒng)主要包括過濾系統(tǒng)、水泵、變頻控制柜、壓力和流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、施肥設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備。首部樞紐是全系統(tǒng)的控制中心。

過濾系統(tǒng)是水肥一體化應(yīng)用的必備設(shè)備，防止井水中粗砂、細(xì)砂和一些化學(xué)物質(zhì)堵塞滴頭。滿足節(jié)水灌溉的過濾要求最常用的模式有過濾器、疊片式過濾器、砂石過濾器等。井水優(yōu)質(zhì)水源灌溉，只需要配置離心加網(wǎng)式或離心加疊片過濾模式相結(jié)合。地表水過濾系統(tǒng)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)設(shè)計(jì)為砂石過濾加網(wǎng)式過濾，或者砂石過濾加疊片過濾。自動(dòng)反沖洗過濾器可使用時(shí)間、流量、壓差等參數(shù)決定反沖洗任務(wù)的開啟。

2.2 水肥一體機(jī)

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng)，將可溶性固體肥料或液體肥料溶解于水中，進(jìn)行灌溉與施肥，均勻、準(zhǔn)確地輸送到作物根部土壤。根據(jù)作物生長(zhǎng)各個(gè)階段對(duì)水肥養(yǎng)分的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用智能灌溉施肥技術(shù)，把水分和養(yǎng)分定量定時(shí)、按比例直接提供給作物。

水肥一體機(jī)通過傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水肥供應(yīng)的自動(dòng)管理和分配。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的空氣、土壤的溫濕度、EC 值、pH 值、施肥比例、施肥時(shí)間、灌溉時(shí)間、自動(dòng)反沖洗時(shí)間等，通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的處理，控制一套適時(shí)適量比例肥注的水肥灌溉系統(tǒng)，自動(dòng)完成施肥任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉、施肥的定時(shí)、定量控制。因此，水肥一體機(jī)的應(yīng)用，既能提高作物產(chǎn)量，又能節(jié)水節(jié)肥、省力省時(shí)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進(jìn)了一步。

2.3 灌溉管路系統(tǒng)

管徑根據(jù)流量設(shè)置，將處理過的水按照要求輸送到灌水單元。

2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

通過自動(dòng)采集作物環(huán)境氣候信息、土壤的溫濕度、作物生長(zhǎng)信息，水肥的pH 值和EC 值，采用無(wú)線或有線傳輸技術(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)刈魑锏男杷凸喔容喒嗲闆r制定自動(dòng)開啟水泵、閥門，實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守自動(dòng)灌溉，預(yù)防人為誤操作。

3 智能水肥一體化技術(shù)

智能水肥控制技術(shù)是基于水肥一體化的工作原理，采用先進(jìn)的灌溉技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、土壤氣象墑情監(jiān)測(cè)等技術(shù)，向著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，融合信息化技術(shù)，建立一套完備的農(nóng)作物智能服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、水肥灌溉遠(yuǎn)程控制、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集分析等功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物全周期的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

隨著信息化技術(shù)的普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給人類發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究取得顯著的成果。目前，我國(guó)正在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用還處于研究起步階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠大大提升農(nóng)機(jī)的智能性。

物聯(lián)網(wǎng)的主要功能是基于互聯(lián)網(wǎng)的所有事物的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物品與物品之間的信息交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)就是把各種傳感器、信息處理器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合成一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)感知、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分析與決策的智能管理。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)分為3 層，依次是感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層主要是利用部署在種植園內(nèi)的傳感器精準(zhǔn)感知環(huán)境信息、土壤墑情信息、作物信息、電磁閥狀態(tài)等信息，采集的數(shù)據(jù)信息匯總分析轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過信息傳輸層傳輸給應(yīng)用管理層，經(jīng)過接受、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，采用最優(yōu)化方案形成操作指令，控制指令經(jīng)過無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)傳回感知層，驅(qū)動(dòng)操作執(zhí)行裝置控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取相應(yīng)的灌溉與施肥操作，確保精準(zhǔn)施肥，提高水肥利用率[8]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和水肥一體化技術(shù)的結(jié)合，采集土壤的溫濕度、氮磷鉀成分、空氣的溫濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等信息，對(duì)土壤環(huán)境氣候信息進(jìn)行處理，為農(nóng)作物成長(zhǎng)的情況提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，通過傳感器精準(zhǔn)采集影響植物生長(zhǎng)的水、肥、氣、熱、光等環(huán)境信息，并結(jié)合植物生理生長(zhǎng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站主機(jī)，監(jiān)測(cè)站主機(jī)將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，以便用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控，為用戶提供高效、經(jīng)濟(jì)、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑[9]。

因此，智能施肥一體機(jī)就是無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和信息化進(jìn)程的不斷深入。依據(jù)農(nóng)作物需水需肥規(guī)律及當(dāng)?shù)毓喔攘浚_定灌水次數(shù)、灌水時(shí)期、一次灌水時(shí)間、定額和整個(gè)生育期的灌溉總量。根據(jù)農(nóng)作物的需肥規(guī)律、地塊的肥力水平及目標(biāo)產(chǎn)量確定總施肥量、氮磷鉀養(yǎng)分的比例及基肥與追肥的比例，設(shè)計(jì)科學(xué)的灌溉、施肥方案。依照所需設(shè)定輸入?yún)?shù)包括過濾時(shí)間、反沖洗時(shí)間、EC 值、pH 值、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、投料量、攪拌時(shí)間、投料時(shí)間、施肥流速等。環(huán)境信息采集模塊通過土壤信息采集傳感器包括土壤溫濕度、pH 值、EC值，環(huán)境信息傳感器包括空氣溫濕度、光照度，二氧化碳傳感器，通過的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出科學(xué)的灌溉量和灌溉時(shí)間，并且將控制信息傳送到閥門，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能的施肥和灌溉[10-12]。根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需要、土壤濕度等信息，實(shí)現(xiàn)水肥均勻化攪拌，同時(shí)精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)灌溉施肥的時(shí)間和使用量。因此，可以解決灌溉施肥中肥料溶解不充分、不均勻的問題，除此之外還提高了精準(zhǔn)施肥，降低了化肥的浪費(fèi)和沉淀堵塞問題的發(fā)生，較大程度上降低了人力成本。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水肥一體機(jī)的實(shí)現(xiàn)，有利于對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時(shí)、適量、均勻、精確地灌溉與施肥，提高水肥利用率，同時(shí)有效地控制了污染。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持使得現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向精細(xì)化、智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)出一種新型的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，大大提升了灌溉系統(tǒng)的智能性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。智能水肥一體機(jī)全面提升農(nóng)田水分生產(chǎn)效率和化肥利用率，對(duì)發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水型農(nóng)業(yè)、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到重要作用。

水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和水肥一體化技術(shù)，而國(guó)內(nèi)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)目前處于快速發(fā)展階段，尚未成熟。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)還都處于完善階段，服務(wù)形式還比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上還缺少多參數(shù)傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用。因此，需要大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究，促進(jìn)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展。

在今后的工作中，應(yīng)該結(jié)合園藝技術(shù)要求制定出不同施肥方案。通過系統(tǒng)推薦的施肥方案優(yōu)化氮、磷、鉀配肥比。在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上不斷深入，并將農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理技術(shù)與現(xiàn)代溫室大棚栽培工藝相融合，進(jìn)一步提高水肥一體化灌溉系統(tǒng)的智能化。同時(shí)，將智能設(shè)施、智能裝備、智能系統(tǒng)、種植需求相結(jié)合，以期提高水肥利用率、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、減少環(huán)境污染、提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化設(shè)施科技含量。