綠色高效水肥氣灌溉系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

謝佩軍 張育斌

摘? ?要? 水肥氣融合灌溉技術(shù)是供氧技術(shù)、施肥技術(shù)和灌溉技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)新技術(shù)。通過(guò)多學(xué)科的交叉，融合控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、信息技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)，開(kāi)發(fā)出綠色高效水肥氣灌溉系統(tǒng)。簡(jiǎn)介該系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，主要包括水肥氣融合模型機(jī)理、灌溉控制技術(shù)、微納米氣泡發(fā)生裝置、基于機(jī)器視覺(jué)的作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，以及水肥氣集成技術(shù)研究及示范應(yīng)用。

關(guān)鍵詞? ?水肥氣一體化;灌溉控制技術(shù);作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè);微納米氣泡

中圖分類號(hào)：S725? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.020

當(dāng)前，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水理論的研究不斷深入和相關(guān)技術(shù)水平的逐漸提高，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)正日益向信息化、精準(zhǔn)化發(fā)展，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)灌溉系統(tǒng)的靈活、準(zhǔn)確、快捷等要求。水肥氣融合灌溉技術(shù)是供氧技術(shù)、施肥技術(shù)和灌溉技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)新技術(shù)，按照作物生長(zhǎng)各個(gè)階段對(duì)養(yǎng)分的需求及氣候條件等精準(zhǔn)補(bǔ)充水肥氣，不僅能夠顯著提高作物的水肥利用效率，還可為土壤提供充足的有效氧，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)提質(zhì)。水肥氣混合智能控制技術(shù)能夠根據(jù)作物生長(zhǎng)各個(gè)階段對(duì)養(yǎng)分的需求和氣候條件等，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度和數(shù)量，大幅度提高化肥利用率，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，減輕肥料對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)還可以大幅節(jié)省時(shí)間，減少運(yùn)輸、勞動(dòng)力及燃料等成本。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水肥氣一體化灌溉技術(shù)的發(fā)展有力促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，相較于傳統(tǒng)灌溉方式，水肥氣融合灌溉系統(tǒng)能夠提高水肥利用效率，增產(chǎn)提質(zhì)，同時(shí)也為從根源上緩解農(nóng)業(yè)面源污染提供一種新途徑。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

灌溉施肥技術(shù)自20世紀(jì)60年代在西方國(guó)家開(kāi)始得到重視與快速發(fā)展，以色列、澳大利亞、加拿大、意大利、美國(guó)等國(guó)對(duì)水肥氣灌溉技術(shù)進(jìn)行了大量研究及推廣應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

21世紀(jì)初，美國(guó)研發(fā)出一種新型節(jié)水節(jié)能灌溉技術(shù)（AUDI技術(shù)），通過(guò)直接向植物根系輸氧的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)根域氣體環(huán)境的優(yōu)化，提高作物產(chǎn)量[1]。美國(guó)林賽公司設(shè)計(jì)出一種新型灌溉設(shè)備——林賽（lindsay）多功能噴灌機(jī)，與其他灌溉形式相比，其具有操作簡(jiǎn)單、灌溉均勻、節(jié)水節(jié)能等優(yōu)勢(shì)[2]。

以色列Netafim公司生產(chǎn)的耐特佳（Netajet）自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用NMC-64控制器，擁有基于灌水量控制或時(shí)間控制的10個(gè)灌溉程序，可以根據(jù)總施肥量、時(shí)間、肥料的比例和EC值或pH值進(jìn)行施肥作業(yè)，還擁有過(guò)濾器反沖洗裝置[3]。

意大利的伊瑞泰（IRRITEC）施肥系統(tǒng)從初級(jí)到高級(jí)共5種，系列設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整施肥比例，可以按體積施肥，也可通過(guò)控制吸入流量施肥[4]。

愛(ài)爾達(dá)-祥利（Eldar-Shany）自控技術(shù)公司生產(chǎn)的大型農(nóng)田灌溉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Elgal Agro）是目前農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域先進(jìn)的控制系統(tǒng)。公司還生產(chǎn)了肥滴佳（Fertigal）、肥滴杰（FertJet）、肥滴美（Fertmix）等一系列自動(dòng)灌溉施肥機(jī)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)水肥氣智能灌溉技術(shù)的研究起步較晚，但水肥灌溉技術(shù)發(fā)展和推廣較快，市場(chǎng)前景良好。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)的逐步重視，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者針對(duì)水肥氣智能灌溉技術(shù)開(kāi)展了大量研究，也取得了諸多成果。

黃蔚等通過(guò)增氧灌溉技術(shù)對(duì)水稻、黃瓜等作物的栽培試驗(yàn)，證明水、肥、氣耦合灌溉能促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)和提高根系活力，使其能最大限度地從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，作物增產(chǎn)效果明顯，但沒(méi)有建立可供推廣的預(yù)測(cè)模型[5]。李元等研究了加氣頻率和滴灌帶埋深等對(duì)甜瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響，不同加氣頻率、地下滴灌帶埋深及灌水控制上限對(duì)大棚甜瓜果實(shí)形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水分利用效率的影響[6]。張育斌等提出在灌溉決策中考慮非充分灌溉因素，運(yùn)用Jensen乘法模型建立“灌水收益”的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了非充分優(yōu)化灌溉下的決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]。張育斌等設(shè)計(jì)了基于PID控制、模糊控制和灰色預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制算法，能有效預(yù)測(cè)作物的需水量，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的精確灌溉控制[8]。

綜合分析國(guó)內(nèi)外水肥灌溉技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，水肥耦合及智能控制灌溉研究較多，但基于水肥氣集成的多信息融合采集系統(tǒng)、灌溉決策系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)智能系統(tǒng)的研究很少，尤其是可供參考、有推廣價(jià)值的水肥氣預(yù)測(cè)模型的研究較少?？傮w上，針對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)需求的灌溉技術(shù)有一定研究，但基于視覺(jué)技術(shù)的作物生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息反饋研究較少;水肥控制灌溉研究較多，但缺少水肥氣多信息融合采集系統(tǒng)、灌溉決策系統(tǒng)、信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)作用，在線自動(dòng)化程度還有待提高。

2 高效水肥氣灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以提高農(nóng)田需水、需肥、需氣等信息診斷與控制灌溉的智能化水平為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)多學(xué)科的交叉，融合控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、信息技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)，開(kāi)發(fā)智能水肥氣灌溉系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

2.1 水肥氣融合模型機(jī)理

通過(guò)對(duì)水肥氣融合中EC值、pH值、離子電解值的非線性、時(shí)變性進(jìn)行分析，深入研究水肥氣融合機(jī)理，便于后續(xù)建立精準(zhǔn)、高效的水肥氣預(yù)測(cè)模型。

考慮到水肥氣一體化系統(tǒng)是多變量多輸出的系統(tǒng)，具有r個(gè)輸入、m個(gè)輸出的模型。建模思想：1）建立水肥氣多變量單輸出的系統(tǒng)模型;2）定義水肥氣集成裝置中各個(gè)物理量;3）利用多變量單輸出系統(tǒng)模型建立辨識(shí)模型;4）利用遞階辨識(shí)原理，提出基于輔助模型的辨識(shí)算法，分析水肥氣集成裝置的施肥量。

2.2 灌溉控制技術(shù)

根據(jù)不同灌溉方式的技術(shù)特點(diǎn)，研究灰色系統(tǒng)理論和控制理論相結(jié)合的灰色預(yù)測(cè)控制技術(shù)和模糊邏輯控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出系列化綠色高效專用灌溉控制設(shè)備。

2.2.1 灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制技術(shù)

灰色預(yù)測(cè)控制是將控制理論與灰色系統(tǒng)理論相結(jié)合的一種新型控制方法，適用于在部分?jǐn)?shù)據(jù)不確定的情況下，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析、模型建立、系統(tǒng)決策等。水肥氣灌溉系統(tǒng)本身是一個(gè)實(shí)時(shí)的、大延時(shí)的、非線性的，有不確定因素的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的滯后性和慣性很大，精確傳遞函數(shù)很難確定，屬典型灰色系統(tǒng)。本項(xiàng)目擬將灰色預(yù)測(cè)控制技術(shù)與模糊邏輯控制及PID控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)建立灰色預(yù)測(cè)模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)水肥氣智能控制。

2.2.2 在線自調(diào)整PID模糊控制技術(shù)

在線自調(diào)整PID模糊控制器以誤差e（k）和誤差變化率ec（k）作為輸入量。根據(jù)模糊推理規(guī)則對(duì)PID的參數(shù)Δkp， Δki， ……進(jìn)行調(diào)整，將上述模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制信號(hào)，去模糊化作為系統(tǒng)的輸入量輸入到模糊控制器。

在模糊控制器中按照如下規(guī)則進(jìn)行控制：

（1）

式（1）中，Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù);T為采樣周期;Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);e（k）、ec（k）分別為誤差、誤差變化率。

2.3 微納米氣泡發(fā)生裝置

對(duì)微納米氣泡的基本物理性質(zhì)進(jìn)行研究，主要包括物理狀態(tài)、界面性質(zhì)及傳質(zhì)性質(zhì)三類，并設(shè)計(jì)微納米氣泡發(fā)生裝置。

2.3.1 選擇合適的水泵

微納米氧氣氣泡發(fā)生裝置首先通過(guò)水泵增壓，使空氣溶解在水中，繼而通過(guò)節(jié)流釋氣方式使溶解在水中的空氣以微納米氧氣泡的形式釋放，因此，應(yīng)選擇合適的水泵使空氣溶解在水中。

2.3.2 微納米氧氣發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)有的溶氣釋氣法發(fā)生裝置均需要大型壓氣罐和釋氣罐作為溶氣裝置，整個(gè)設(shè)備體積龐大，并且在工作時(shí)需要先將空氣與水混合，送入壓氣罐溶解，再通過(guò)釋氣罐釋氣產(chǎn)生微細(xì)氣泡，整個(gè)工作不連續(xù)，降低了微納米氧氣泡的產(chǎn)生效率。本研究對(duì)微納米技術(shù)的氣體發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)工作如下：1）提出潛水式節(jié)流孔釋氣微納米氧氣泡發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)方案;2）實(shí)現(xiàn)微納米氧氣泡發(fā)生裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì);3）在水池內(nèi)進(jìn)行微納米氧氣泡發(fā)生裝置的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得微納米氧氣泡混合液進(jìn)行懸浮時(shí)間、含量和微氣泡尺寸分布等參數(shù)測(cè)試。本研究的微納米氧氣發(fā)生裝置設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1。

2.4 基于機(jī)器視覺(jué)的作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

研究農(nóng)作物復(fù)合特征與水肥氣的關(guān)系，建立顏色特征、幾何特征、紋理特征等與水肥氣用量之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將相關(guān)信息反饋到控制系統(tǒng)。

采用機(jī)器視覺(jué)相關(guān)技術(shù)采集高質(zhì)量的作物圖像，進(jìn)行一系列圖像處理，提取顏色特征、幾何特征、紋理特征等關(guān)鍵信息，以實(shí)現(xiàn)作物營(yíng)養(yǎng)狀況的判斷與監(jiān)測(cè)。采集的圖像信息多數(shù)是多特征、非線性的數(shù)據(jù)集，特征提取就是用圖像算法來(lái)提取出圖像的信息，將圖像上的各個(gè)點(diǎn)歸類，歸為一組特征子集，這些子集往往具有連續(xù)的區(qū)域或某些相似性。為了提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率，通常會(huì)對(duì)多個(gè)特征進(jìn)行重新組合來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別。本系統(tǒng)提取顏色、形狀和紋理特征進(jìn)行綜合判斷。

3 水肥氣集成技術(shù)研究及示范應(yīng)用

將信息技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和控制技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉溫室控制中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制水肥氣灌溉，實(shí)時(shí)監(jiān)控作物的生長(zhǎng)狀況，同時(shí)在寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院示范基地開(kāi)展系列化水肥氣灌溉設(shè)備示范應(yīng)用研究。

基于水肥氣集成的智能專家?guī)煜到y(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括知識(shí)的獲取、知識(shí)表示、知識(shí)推理和知識(shí)重用，通過(guò)知識(shí)的繼承、歸納、集成、運(yùn)用和管理，建立各種異構(gòu)知識(shí)系統(tǒng)和多種描述形式知識(shí)集成的開(kāi)放設(shè)計(jì)環(huán)境，提高了創(chuàng)新能力。

根據(jù)不同地域、場(chǎng)合和作物使用條件，本研究設(shè)計(jì)并試制出模塊化的高中低檔水肥氣裝置，可隨時(shí)方便地集成到精量施肥灌溉控制系統(tǒng)中。智能水肥氣控制設(shè)備能科學(xué)調(diào)節(jié)灌溉水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度和數(shù)量，有效提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還能大幅提高化肥和農(nóng)藥的有效利用率，減少對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染，進(jìn)一步推進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：易? 婧）