水肥一體化技術(shù)及智能澆灌設(shè)備＊

慕嘉偉，黃炳霖，徐夢(mèng)穎，楊瑞，查志華

水肥一體化技術(shù)及智能澆灌設(shè)備＊

慕嘉偉，黃炳霖，徐夢(mèng)穎，楊瑞，查志華

（石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

水肥一體化技術(shù)依靠澆灌工具的動(dòng)力，把摻有肥料的水運(yùn)輸至植物的根系處，這種技術(shù)可以提高水資源和肥料的利用程度，并均勻施撒肥料，相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉施肥的方式造成的土壤環(huán)境污染程度低。對(duì)于各種農(nóng)作物的肥料需求特點(diǎn)和所處土壤墑度，將摻有肥料的灌溉用水經(jīng)由澆灌設(shè)備，把均勻混合的液體運(yùn)輸至農(nóng)作物的根系土壤處，使水肥的利用率最大化。

水肥一體化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；精準(zhǔn)施肥；勞動(dòng)力

近20年來(lái)，中國(guó)的科技、經(jīng)濟(jì)水平有了較大的提高，工業(yè)和服務(wù)業(yè)發(fā)展迅速，大量勞動(dòng)人口流向這些產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力缺失，使用不成熟的機(jī)械化生產(chǎn)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平發(fā)展變慢。對(duì)于這個(gè)亟待解決的問(wèn)題，研發(fā)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、減少勞動(dòng)力投入的新興技術(shù)就顯得尤為重要。

1 水肥一體化設(shè)備工作機(jī)理及組成

智能水肥一體化設(shè)備由光能和農(nóng)業(yè)電網(wǎng)控制互補(bǔ)模塊、水肥比例控制模塊和智能澆灌控制模塊構(gòu)成[1]。智能水肥一體化澆灌設(shè)備由水源、水泵裝置、管網(wǎng)、噴頭及智能控制設(shè)備構(gòu)成。此設(shè)備的工作原理：當(dāng)光伏發(fā)電供電的節(jié)水控制濕度傳感器感知到當(dāng)前土壤環(huán)境的濕度低于適宜植物生長(zhǎng)的閾值時(shí)，光伏發(fā)電智能灌溉設(shè)備即啟動(dòng)，為植物供水[2]。當(dāng)光伏發(fā)電供能不足時(shí)，水泵的功率會(huì)下降，管網(wǎng)中的水壓傳感器將感知到水壓下降，降低到設(shè)置的最小水壓時(shí)，澆灌設(shè)備由電網(wǎng)控制互補(bǔ)模塊接入農(nóng)業(yè)電網(wǎng)，啟動(dòng)水泵，保證設(shè)備供水[3]。在澆灌時(shí)，控制設(shè)備的傳感器感知土壤墑度，隨時(shí)調(diào)整水肥濃度，達(dá)到智能水肥一體化澆灌的目的。在土壤環(huán)境濕度達(dá)到適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的區(qū)間時(shí)，噴頭處的閥門將閉合，同時(shí)控制設(shè)備關(guān)閉水泵。設(shè)備的設(shè)計(jì)原則如下。

1.1 基于農(nóng)作物生長(zhǎng)條件和土壤墑度

此設(shè)備的設(shè)計(jì)包含水源、水泵、供能系統(tǒng)、管網(wǎng)和噴頭。由傳感器感知土壤度參數(shù)并依據(jù)農(nóng)作物適宜生長(zhǎng)所需的水肥濃度，調(diào)整澆灌設(shè)備參數(shù)[4]。此智能澆灌設(shè)備能夠精確控制水肥比例，并依據(jù)不同植物的生長(zhǎng)需求隨時(shí)改變?cè)O(shè)置。

1.2 經(jīng)濟(jì)實(shí)用

相比于由外國(guó)進(jìn)口的智能澆灌設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的智能澆灌設(shè)備具有操作簡(jiǎn)便、安裝維修便捷的特點(diǎn)，并滿足中國(guó)溫室種植農(nóng)業(yè)大棚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提高了設(shè)備的普適性，使用國(guó)產(chǎn)元件的制造成本降低。

2 水肥一體化設(shè)備

本文根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外小型移動(dòng)智能澆灌設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，在光能澆灌設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的智能水肥一體化澆灌設(shè)備。此澆灌設(shè)備能在光能供電澆灌設(shè)備存在的情況下進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到同時(shí)節(jié)約電能、水資源和肥料的目的。此澆灌設(shè)備既符合中國(guó)小型溫室農(nóng)業(yè)種植大棚的特點(diǎn)，又能提高節(jié)水澆灌技術(shù)的推廣速度，是能夠?qū)崿F(xiàn)多種澆灌方式的通用澆灌設(shè)備。

對(duì)于目前的光能供電灌溉設(shè)備的缺點(diǎn)，提出了光能發(fā)電與農(nóng)業(yè)電網(wǎng)互補(bǔ)供電的方法。設(shè)計(jì)了智能水肥一體澆灌設(shè)備的構(gòu)成，并依據(jù)不同的的地理?xiàng)l件設(shè)計(jì)了一種光能發(fā)電和農(nóng)業(yè)電網(wǎng)互補(bǔ)供電的智能澆灌平臺(tái)，在保證光能發(fā)電充分利用的情況下，保證了澆灌設(shè)備在光能發(fā)電不足的情況下正常工作[5]。創(chuàng)新和改進(jìn)之處：對(duì)于光能供電智能澆灌設(shè)備供能不穩(wěn)定的情況，提出了設(shè)計(jì)光能發(fā)電與農(nóng)業(yè)電網(wǎng)智能切換的給水澆灌設(shè)備的想法，解決普通光能供電澆灌設(shè)備因光照改變而導(dǎo)致的不能持續(xù)工作的問(wèn)題。

3 智能澆灌設(shè)備組成

本文提出的智能水肥一體化澆灌設(shè)備，能夠滿足水肥比例精確配置和智能澆灌的需求。由于此設(shè)備受實(shí)地條件的影響，澆灌設(shè)備依舊有能夠改進(jìn)和提升的部分，包含以下幾部分：①此澆灌設(shè)備使用的配肥裝置能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)配置水肥比例的目的，但消耗的能源較多。接下來(lái)要使用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)水肥比例配置更完善設(shè)備。②外國(guó)進(jìn)口的澆灌設(shè)備普遍操作復(fù)雜，為了避免這個(gè)問(wèn)題，要設(shè)計(jì)出交互友好、操作簡(jiǎn)潔、功能豐富的操作界面，來(lái)滿足不同地理?xiàng)l件和農(nóng)作物澆灌需求。③此澆灌設(shè)備能夠滿足智能澆灌的需求，但僅有控制系統(tǒng)做出智能決策，在出現(xiàn)超出控制系統(tǒng)決策能力的情況時(shí)，無(wú)法進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，可能導(dǎo)致?lián)p失的產(chǎn)生。因此，在接下來(lái)的設(shè)計(jì)中，除了增加無(wú)線通信模塊外，還要增加遠(yuǎn)程手動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)的方式。

4 存在的問(wèn)題

綜上所述，從外國(guó)進(jìn)口的智能澆灌設(shè)備運(yùn)輸成本高、操作本土化程度低、安裝維修復(fù)雜，且需要專業(yè)的技術(shù)人員，導(dǎo)致購(gòu)置價(jià)格較高。國(guó)內(nèi)的溫室農(nóng)業(yè)種植規(guī)模與外國(guó)相比有較大差異，不符合中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，進(jìn)口設(shè)備不能得到充分利用，造成了設(shè)備資源的浪費(fèi)，引進(jìn)的國(guó)外智能灌溉系統(tǒng)系統(tǒng)精密、設(shè)備昂貴、操作模式復(fù)雜。在進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，影響澆灌工作的進(jìn)行。但中國(guó)的智能澆灌設(shè)備普遍設(shè)計(jì)不夠精密，關(guān)鍵器件的規(guī)格不夠全面、普適性差、設(shè)備的傳感器的精度較低、水肥施用量難以控制，無(wú)法達(dá)到水肥濃度精確配置和智能控制的目的。市場(chǎng)上很多的澆灌設(shè)備都是利用液肥與水混合，經(jīng)由澆灌管道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸至植物根系處，導(dǎo)致施撒肥不夠均勻，且難以精準(zhǔn)把握肥料的濃度[6-7]。國(guó)內(nèi)的智能灌溉設(shè)備也采用變頻調(diào)速技術(shù)和文丘里管，但是目前系統(tǒng)的濃度波動(dòng)、性能不完善[8-9]。當(dāng)前中國(guó)很多智能澆灌設(shè)備均處于實(shí)驗(yàn)提出階段，未能推廣到廣大農(nóng)民的手中[10]。研發(fā)水肥一體化精準(zhǔn)配比技術(shù)、生產(chǎn)制造符合中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和滿足農(nóng)民勞動(dòng)生產(chǎn)需要的小型移動(dòng)智能澆灌設(shè)備對(duì)當(dāng)代中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展有巨大的意義。

5 總結(jié)

目前，中國(guó)進(jìn)口的外國(guó)智能澆灌設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜且耗資巨大，使用方法復(fù)雜。國(guó)內(nèi)的溫室種植大棚相比于國(guó)外規(guī)模要小，設(shè)備的設(shè)計(jì)不符合中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，導(dǎo)致購(gòu)置的設(shè)備不能充分利用。中國(guó)的智能澆灌系統(tǒng)普遍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流體壓差測(cè)量裝置規(guī)格不夠全面，普適性不足，設(shè)備的環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量精確度較低，每株植物得到的水肥量差別較大，難以達(dá)到按需施肥的智能分配效果。市場(chǎng)上很多的澆灌設(shè)備是都是利用液肥和水混合，經(jīng)由澆灌管道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸至植物根系處，導(dǎo)致施撒肥不夠均勻，且難以精準(zhǔn)把握肥料的濃度。由此可見(jiàn)，研發(fā)水肥一體化的精準(zhǔn)配置技術(shù)并研發(fā)符合中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和市場(chǎng)消費(fèi)需要的小型移動(dòng)精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，對(duì)中國(guó)當(dāng)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)步具有巨大的意義。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術(shù)中的實(shí)踐研究［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（4）：94-95.

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［4］盧毅，周杰，萬(wàn)連城.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)二維目標(biāo)覆蓋的改進(jìn)方法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，楊景文，馬良，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化技術(shù)［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.視頻技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，馬良，楊景文，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水肥一體化中的應(yīng)用［J］.南方農(nóng)機(jī)，2018，49（19）：4，7.

［8］劉寶，向麗，周杰.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水肥一體化技術(shù)［J］.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2018，29（23）：64-65.

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［10］向麗，劉寶，周杰.基于物聯(lián)網(wǎng)的高效滴灌施肥系統(tǒng)［J］.南方農(nóng)機(jī)，2018，49（19）：83，87.

S224.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.041

2095－6835（2019）17－0091－02

慕嘉偉（1998—），男，河南焦作人，本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

查志華（1978—），女，江蘇漣水人，研究生，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：61662063）；促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目“基于智能優(yōu)化控制的滴灌施肥技術(shù)研究”；石河子大學(xué)混合式教學(xué)改革專項(xiàng)（編號(hào)：BL2017032）；石河子大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：2019Y-JGFF03）

〔編輯：張思楠〕