詹光輝 李碩煜

（新疆中泰創(chuàng)新技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

本文主要從兩大方向圍繞著智能灌溉施肥系統(tǒng)展開論述，其中第一部分主要對智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計入手，并從智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計要求、參考要素、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢進(jìn)行詳細(xì)分析；第二部分主要就智能灌溉施肥系統(tǒng)的應(yīng)用展開論述，并從智能灌溉施肥系統(tǒng)的測試、實際投用結(jié)果、應(yīng)用中有待改善的方面以及技術(shù)提升方面進(jìn)行詳細(xì)論述，以期為用戶帶來性能優(yōu)越、價格實惠的智能灌溉施肥系統(tǒng)。

1.智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計分析

1.1 智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計要求分析

就智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計方向而言，其主要功能就是對植被區(qū)的植物進(jìn)行灌溉與施肥，在日常生活中，常見到簡易的灌溉設(shè)備與施肥設(shè)備，而將二者整合在同一系統(tǒng)中，卻具有一定難度。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，操作人員會采取在種植區(qū)域內(nèi)部埋設(shè)或者外置旋轉(zhuǎn)式灌溉系統(tǒng)來滿足灌溉要求；在施肥方面，則會再引入其他設(shè)備，并在設(shè)備中放置農(nóng)作物所需的肥料，采用人工操作度較高的方式進(jìn)行施肥。而智能灌溉施肥系統(tǒng)不僅要做到將灌溉與施肥這兩大功能結(jié)合在同一設(shè)備上，更需要對植被區(qū)的農(nóng)作物生長狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來確定灌溉與施肥的頻率與用量。

其次，在智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計中要著重“智能”的體現(xiàn)，智能灌溉施肥系統(tǒng)的意義在于高度解放人工生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)的智能化、一體化操作，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，為農(nóng)業(yè)與林業(yè)帶來更高額的利潤。為了提高操作的可行性，智能灌溉施肥系統(tǒng)盡量可以內(nèi)置在植被區(qū)，當(dāng)產(chǎn)生灌溉與施肥需求時，只需通過前臺對系統(tǒng)進(jìn)行控制即可，管理人員只需結(jié)合外界氣候條件以及作物品種習(xí)性決定灌溉頻率與施肥用料種類即可。除此之外，智能灌溉施肥系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具備普適性，高端科學(xué)技術(shù)只有為大眾層面所用，才是符合科學(xué)技術(shù)研究的本心。因此，除了要研制支持內(nèi)置的智能灌溉施肥系統(tǒng)，還應(yīng)當(dāng)研制規(guī)模較小、便于攜帶的農(nóng)戶型智能灌溉施肥系統(tǒng)，提高廣大農(nóng)民群眾的生產(chǎn)效率與作業(yè)范圍。

1.2 智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計過程中的參考要素

機(jī)械系統(tǒng)在投入實際設(shè)計之前，應(yīng)當(dāng)對設(shè)計過程中所需要參考的要素進(jìn)行總結(jié)，確保能夠制作出符合實際期望的設(shè)備。前文中提到智能灌溉施肥系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備灌溉、施肥、環(huán)境監(jiān)測等功能，因此在設(shè)計過程中，可以將智能灌溉施肥系統(tǒng)的主功能區(qū)分為三大部分：灌溉施肥區(qū)、控制區(qū)、信號監(jiān)測區(qū)，其中灌溉施肥區(qū)主要根據(jù)控制區(qū)傳輸?shù)牟僮餍盘枌ψ魑镞M(jìn)行灌溉與施肥，并根據(jù)信號譯碼系統(tǒng)決定操作強(qiáng)度與操作頻率；而控制區(qū)則相當(dāng)于灌溉施肥系統(tǒng)鏈接灌溉施肥操作中心與信號監(jiān)測區(qū)的中心樞紐，控制區(qū)需要先接收信號監(jiān)測區(qū)的信號數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行譯碼，然后傳輸至灌溉施肥區(qū)，并根據(jù)灌溉施肥區(qū)的反饋信號做出下一階段的操作指令控制；而信號監(jiān)測區(qū)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測操作前臺與外界環(huán)境兩個方向的信號，前者主要由系統(tǒng)管理員發(fā)出，后者主要由系統(tǒng)內(nèi)置智能程序根據(jù)外界環(huán)境做出應(yīng)答。

智能灌溉施肥系統(tǒng)在設(shè)計與安裝之前，都需要專門人員對設(shè)備應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行考察，并結(jié)合用戶的實際要求，最終得出較為合理的設(shè)計方案。實地考察過程中期，主要對智能灌溉施肥系統(tǒng)的安裝環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，包括土壤質(zhì)量、水源質(zhì)量、空氣質(zhì)量以及周圍是否存在重污染工廠等等，因為大多數(shù)種植區(qū)會選擇在供水首部放置智能灌溉施肥系統(tǒng)，將肥料系統(tǒng)同灌溉系統(tǒng)連接。每個首部管理的面積大約在500畝到1000畝。這一類系統(tǒng)會長期放置在種植區(qū)，如果種植區(qū)周遭環(huán)境存在嚴(yán)重質(zhì)量問題，會對系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以及工作壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。除此之外，在為整個種植區(qū)安裝智能灌溉施肥系統(tǒng)時，可以先選擇若干個測試點，對設(shè)備的功能性以及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行測試，若效果較為良好，則可以完成全局安裝；若效果較差，則需進(jìn)一步調(diào)整后再安裝。

1.3 智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計思路分析

在灌溉施肥過程中，除了要控制好灌溉與施肥的操作頻率，還要提升土壤與作物對于水分和肥料的吸收性。水分與肥料作為農(nóng)作物生產(chǎn)過程中必備的兩大要素，其施加的用量與頻率可謂十分重要。因此，在智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計過程中，一定要精準(zhǔn)把控水分與肥料的用量，若水分與肥料用量較少，則無法為作物提供充足的生產(chǎn)所需物，作物會出現(xiàn)矮小、枯黃、落葉以及死亡等現(xiàn)象，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員而言這是極為重大的損失；若水分用量較多，多余的水分無法被土壤與作物吸收，會導(dǎo)致作物根系長期浸泡在水分中，嚴(yán)重影響作物的光合作用與呼吸作用，不僅會影響作物產(chǎn)量還極有可能導(dǎo)致作物死亡；若肥料用量較多，肥料中多余的元素會長期殘留在作物周圍的土壤與水源中，不僅會危害作物的生長，還極有可能對周圍居民的生活造成影響。由此可見，智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要對提升水分與肥料的利用率多加研究。

在實際設(shè)計過程中，通常設(shè)計水肥一體機(jī)系統(tǒng)。水肥一體機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：控制柜、觸摸屏控制系統(tǒng)、混肥硬件設(shè)備系統(tǒng)、無線采集控制系統(tǒng)。支持pc端、微信端實施查看數(shù)據(jù)以及控制前端設(shè)備；水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)可以幫助生產(chǎn)者很方便地實現(xiàn)自動的水肥一體化管理。系統(tǒng)由上位機(jī)軟件系統(tǒng)、區(qū)域控制柜、分路控制器、變送器、數(shù)據(jù)采集終端組成。通過與供水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)智能化控制?？蓪崿F(xiàn)智能化監(jiān)測、控制灌溉中的供水時間、施肥濃度以及供水量。同時通過監(jiān)測EC值來判斷土壤中肥料的濃度。因為土壤中的通過傳感器監(jiān)測到的肥料濃度會隨著土壤含水量不斷地變化而變化，而不是土壤中肥料的實際濃度。這需要建立單獨的函數(shù)關(guān)系，才能夠判斷土壤中肥料濃度。變送器（土壤水分變送器、流量變送器等）將實時監(jiān)測的灌溉狀況，當(dāng)灌區(qū)土壤濕度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的下限值時，供水開關(guān)可以自動開啟，當(dāng)監(jiān)測的土壤含水量及液位達(dá)到預(yù)設(shè)的灌水定額后，可以自動關(guān)閉電磁閥系統(tǒng)?？筛鶕?jù)時間段調(diào)度整個灌區(qū)電磁閥的輪流工作，并手動控制灌溉和采集墑情。整個系統(tǒng)可協(xié)調(diào)工作實施輪灌，充分提高灌溉用水效率，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電，減少勞動強(qiáng)度，降低人力投入成本。

1.4 智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來導(dǎo)向

現(xiàn)階段，智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)雖然達(dá)到了一定的高度，但是在實際應(yīng)用中還存在著眾多難題。首先，用水量受種植管理水平以及灌溉系統(tǒng)的差異影響，容易導(dǎo)致水量控制不夠精確，雖然與人工灌溉系統(tǒng)相比，智能灌溉施肥系統(tǒng)的耗水量較少，但是智能灌溉施肥系統(tǒng)往往應(yīng)用于大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)中，長遠(yuǎn)來看，其耗水量不可小覷。21世紀(jì)是萬事萬物飛速發(fā)展的時代，卻又是能源十分緊缺的時代，環(huán)保節(jié)能早已成為時代主題，因此，仍需不斷對智能灌溉施肥系統(tǒng)的節(jié)水性與節(jié)能性進(jìn)行改善。可以在灌溉土壤中埋設(shè)土壤水分傳感器，土壤水分傳感器應(yīng)當(dāng)具備水分監(jiān)測功能，當(dāng)某一區(qū)域的水分達(dá)到飽和時，就停止向該區(qū)域輸送水分。通過提高智能灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計難度來緩解耗能、耗水問題在理論上是可行的，但還需要研究人員投入更多的努力進(jìn)行操作化實驗。

其次，不同品種的作物所需的肥料有所不同，同一種作物在不同的季節(jié)對于肥料的需求也有所不同，因此，智能灌溉施肥系統(tǒng)還需要解決對同一種植區(qū)不同品種作物以及對在不同季節(jié)對種植區(qū)作物的肥料使用問題。智能灌溉施肥系統(tǒng)的施肥功能區(qū)還應(yīng)該添加病蟲害監(jiān)測功能，對種植區(qū)的作物生長狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)病蟲害現(xiàn)象能夠盡早解決，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)的損失。除此之外，還可以在智能灌溉施肥系統(tǒng)中添加肥水區(qū)，所謂肥水就是肥料與水分的混合物，其主要用于為部分作物補(bǔ)充生長所需物。

2.智能灌溉施肥系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1 智能灌溉施肥系統(tǒng)的測試

智能灌溉施肥系統(tǒng)在投入實際應(yīng)用之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多次應(yīng)用測試分析，并結(jié)合測試結(jié)果與用戶要求進(jìn)行調(diào)整，最終得到與植被區(qū)氣候、地理條件以及植被品種較為契合的智能灌溉施肥系統(tǒng)。在測試過程中，可以分為兩個測試階段：生產(chǎn)車間測試與實地測試，前者主要對智能灌溉施肥系統(tǒng)的功能性與質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行測試；后者則是對智能灌溉施肥系統(tǒng)的實操性進(jìn)行測試。在實地測試環(huán)節(jié)，可以在植被區(qū)選取若干個測試點，安裝局部智能灌溉施肥系統(tǒng)，并對灌溉量、施肥量以及土壤和植被的吸收狀況進(jìn)行測試，為了提高測試數(shù)據(jù)的可靠性，可以在每一個測試點進(jìn)行6-8組實驗，并結(jié)合各個實驗點的測量數(shù)據(jù)給出最終測試結(jié)果。

在完成智能灌溉施肥系統(tǒng)之后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實測結(jié)果與用戶要求對智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，并再次展開若干輪測試，直至測試結(jié)果與設(shè)計預(yù)期相符為止。除了要對智能灌溉施肥系統(tǒng)與植被區(qū)的兼容性進(jìn)行測試，主要測試灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，各軟硬件在實地操作的?zhǔn)確性。需要對每個硬件逐個測試，每個軟件功能進(jìn)行測試。在實際使用中是結(jié)合原來的水肥使用經(jīng)驗，觀察植物長勢、傳感器數(shù)據(jù)來增減灌溉量及施肥量。還要對植被區(qū)土壤進(jìn)行分析，主要分析土壤中有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀和其他中微量元素。根據(jù)地塊形狀進(jìn)行取樣，長方形土地采取“S”形取樣法，方形地采取五點交叉取樣法，每個地塊可以選擇15到20個點。最后再結(jié)合氣候條件、植物品種做出相對合理的施肥建議。

2.2 智能灌溉施肥系統(tǒng)的實際投用效果

據(jù)調(diào)查研究分析結(jié)果顯示，智能灌溉施肥系統(tǒng)收到了較好的實際投用結(jié)果。智能灌溉系統(tǒng)在實施區(qū)域經(jīng)過一段時間應(yīng)用后，能夠結(jié)合植被區(qū)地理條件、環(huán)境因素以及植被品種特性對于采取何種肥料以及施肥頻率、灌溉頻率給出良好指向性建議，植被區(qū)作業(yè)人員只需要根據(jù)智能灌溉施肥系統(tǒng)的指示操作即可。智能灌溉施肥系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)中的投用，在一定程度上解放了人工勞動力，提高了植被作業(yè)的效率與效益，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邁向現(xiàn)代化。其次，經(jīng)過多方改良，具備監(jiān)測病蟲害功能的智能灌溉施肥系統(tǒng)也具備較高的實際應(yīng)用價值，這一建設(shè)性優(yōu)化更為大面積農(nóng)業(yè)種植戶帶來了技術(shù)福音。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員大多通過定時打殺蟲劑與營養(yǎng)液來確保農(nóng)作物的健康生長，這一操作雖然提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，但是不符合綠色生產(chǎn)的理念。而智能灌溉施肥系統(tǒng)所采用的病蟲害監(jiān)測功能，是對農(nóng)作物的生長參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與記錄，并根據(jù)生長函數(shù)系統(tǒng)得出農(nóng)作物的生長情況，并未出現(xiàn)病蟲害現(xiàn)象的農(nóng)作物進(jìn)行殺蟲消毒與營養(yǎng)液傳輸，這樣不僅能夠確保農(nóng)作物健康生長，還能降低種植區(qū)土壤周圍的有害物質(zhì)殘留量，與可持續(xù)發(fā)展與綠色生產(chǎn)理念十分契合。

2.3 智能灌溉施肥系統(tǒng)優(yōu)化建議

前文中提到智能灌溉施肥系統(tǒng)具有較好的實際投用效果，但是其仍然局部區(qū)域存在亟待改進(jìn)的方面。第一，當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與林業(yè)生產(chǎn)中所使用的智能灌溉施肥系統(tǒng)仍然存在較為嚴(yán)重的耗能問題。部分種植區(qū)為了緩解這一問題，采取灌溉、施肥系統(tǒng)分離的管理方式，盡量將二者之間通用的能源與水源進(jìn)行復(fù)用，以此來提高作業(yè)效率與資源利用率。將水源設(shè)置在地塊的高處，借助水的勢能降低對電力等能源的消耗。第二，當(dāng)前的智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)較為固定，無法真正地結(jié)合植被區(qū)地域特點與植被品種進(jìn)行實機(jī)設(shè)計。應(yīng)當(dāng)對智能灌溉施肥系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行兼容性擴(kuò)展操作，使其能夠與其他農(nóng)機(jī)相結(jié)合，比如數(shù)據(jù)同飛防無人機(jī)、播種機(jī)等互通，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械制造的靈活性與創(chuàng)造性。加強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)能力，學(xué)習(xí)能力，降低使用復(fù)雜程度，使系統(tǒng)能夠更快地適應(yīng)新的地塊，降低使用入門門檻。第三，智能灌溉施肥系統(tǒng)的一體化操作仍然具有較大的優(yōu)化空間。智能灌溉施肥系統(tǒng)包含控制區(qū)、功能區(qū)與信號監(jiān)測區(qū)三大部分，每一部分有涉及眾多零部件，有時會出現(xiàn)信號延遲或信號不穩(wěn)定導(dǎo)致的操作延遲問題，這不僅會對灌溉施肥的用量造成影響，還會對整體設(shè)備的應(yīng)答靈敏性造成影響。在設(shè)計制造的時候緊跟科技發(fā)展，選用傳輸信號穩(wěn)定、距離遠(yuǎn)的無線系統(tǒng)，硬件選擇選用節(jié)能、穩(wěn)定性好的零件，在軟件設(shè)計上使用人工智能、深度學(xué)習(xí)等。

2.4 智能灌溉施肥系統(tǒng)的日常養(yǎng)護(hù)管理

在實際應(yīng)用過程中，智能灌溉施肥系統(tǒng)的日常養(yǎng)護(hù)管理工作也是十分重要的，良好的養(yǎng)護(hù)工作能夠降低智能灌溉施肥系統(tǒng)的故障率，減少內(nèi)部機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)磨損與老化現(xiàn)象，延長整個設(shè)備的使用壽命。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，除了要定期對智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，也要盡量減少系統(tǒng)進(jìn)行超負(fù)荷工作，減少設(shè)備因過度疲勞出現(xiàn)故障的情況。由于大部分智能灌溉施肥系統(tǒng)都屬于內(nèi)置型系統(tǒng)，因此，可以定期對智能灌溉施肥系統(tǒng)的管道系統(tǒng)、箱體系統(tǒng)等區(qū)域進(jìn)行清潔與養(yǎng)護(hù)。在植被區(qū)非種植季階段，也可以對智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行大面積養(yǎng)護(hù)管理，必要情況下，可以對局部管道系統(tǒng)進(jìn)行更換與翻新。在對智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)管理時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行分區(qū)管理。由于智能灌溉施肥系統(tǒng)內(nèi)部采用了大量的信號監(jiān)測設(shè)備與電磁閥等對于精確性要求較高的零部件，因此，需要對智能灌溉施肥系統(tǒng)所處的溫度與濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，確保周圍的環(huán)境參數(shù)保持在智能灌溉施肥系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的狀態(tài)。另外也需要排空管道系統(tǒng)中的殘余物，以免變質(zhì)及凍損、腐蝕系統(tǒng)零件等。

3.總結(jié)

智能灌溉施肥系統(tǒng)在設(shè)計過程中，一定要遵循因地制宜，首先要對設(shè)備實裝區(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，并結(jié)合所植農(nóng)作物品種以及客戶實際要求，在智能灌溉施肥系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)整，以期設(shè)備能夠發(fā)揮其優(yōu)越的性能。智能灌溉施肥系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，要根據(jù)實裝區(qū)域的氣候環(huán)境以及所植農(nóng)作物品種的需求量進(jìn)行使用，管理人員應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)把控智能灌溉施肥系統(tǒng)的工作時間與工作頻率。除此之外，管理人員應(yīng)當(dāng)定期對智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，確保智能灌溉施肥系統(tǒng)能夠長期保持優(yōu)越性能。