水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望*

何青海，鄭磊，褚幼輝，竇青青，慈文亮，孫宜田

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南市，250100； 3. 金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東臨沭，276700)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國用約占世界6%的淡水資源和9%的耕地以及30%左右的化肥，生產(chǎn)出了占世界26%的農(nóng)產(chǎn)品，養(yǎng)活了世界近20%的人口[1-2]。然而大水漫灌和過量施肥導(dǎo)致了水肥資源浪費(fèi)、水體污染、土壤酸化等問題，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)。

水肥一體化技術(shù)與傳統(tǒng)灌溉和施肥模式相比，實(shí)現(xiàn)了水肥管理的革命性轉(zhuǎn)變，即渠道輸水向管道輸水轉(zhuǎn)變、澆地向澆莊稼轉(zhuǎn)變、土壤施肥向作物施肥轉(zhuǎn)變、水肥分開向水肥一體轉(zhuǎn)變[3]。為推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的發(fā)展，國家近年來相繼出臺(tái)了一系列政策：其中2016年農(nóng)業(yè)部辦公廳連續(xù)印發(fā)了《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案(2016—2020年)》，對(duì)中國水肥一體化的發(fā)展做出了戰(zhàn)略部署，著力推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的本土化、輕型化和產(chǎn)業(yè)化；2017年中央1號(hào)文件指出加快開發(fā)種類齊全、系列配套、性能可靠的節(jié)水灌溉技術(shù)和產(chǎn)品，大力普及噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，加大水肥一體化等農(nóng)藝節(jié)水推廣力度。

水肥一體化系統(tǒng)首部(以下簡稱系統(tǒng)首部)，又稱灌溉首部，是水肥一體化裝備的主體核心設(shè)備，主要包括增壓設(shè)備、過濾裝置、施肥裝置、量測和控制設(shè)備等。本文主要分析國內(nèi)外常見系統(tǒng)首部的發(fā)展現(xiàn)狀，不包括過濾裝置與河水處理設(shè)備[4]，重點(diǎn)分析其結(jié)構(gòu)、原理、控制方式以及新興技術(shù)與裝備等應(yīng)用現(xiàn)狀，指出存在問題，探討其發(fā)展方向，為水肥一體化系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的發(fā)展提供了良好借鑒。

1 系統(tǒng)首部發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 水肥一體化系統(tǒng)

國外水肥一體化技術(shù)發(fā)展得較早，在發(fā)達(dá)國家早已大量投入到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中[5]。我國自1974年由墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備，逐漸開始應(yīng)用該技術(shù)，但一直未在全國大面積推廣應(yīng)用。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家政策和經(jīng)費(fèi)的大力支持，水肥一體化的研究與應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。目前對(duì)水肥一體化技術(shù)及其配套裝備也有不同的認(rèn)識(shí)和分類，趙春江等[1]論述了中國水肥一體化裝備的特點(diǎn)，從設(shè)備的肥料通道、回液模式、水肥配比方式、控制決策、設(shè)備運(yùn)行方式、肥料形式以及管理規(guī)模等方面對(duì)水肥一體化裝備進(jìn)行了分類，如表1所示。

表1 水肥一體化系統(tǒng)及設(shè)備的分類

1.2 系統(tǒng)首部

整個(gè)系統(tǒng)首部的核心是施肥機(jī)，國內(nèi)外市場上不同灌溉施肥機(jī)生產(chǎn)廠家的型號(hào)各不相同，如以色列的Cakon和Netafim、荷蘭的Priva Nutriline、意大利的Irritec、北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院等施肥機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)均根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象推出了不同種類的施肥機(jī)，按照機(jī)身外形和運(yùn)行特點(diǎn)大致可分為兩類，一類是混合腔式混肥，一類是開放桶式混肥，國內(nèi)簡稱為管混式施肥機(jī)和罐混式施肥機(jī)[6]，施肥機(jī)結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)首部的總體的組合方式，可根據(jù)施肥機(jī)與灌溉主管路的連接方式，分為支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部(管混式)和主管路肥料預(yù)混式系統(tǒng)首部(罐混式)。

1.2.1 支管路注肥旁通式

支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部結(jié)構(gòu)如圖1所示，優(yōu)點(diǎn)在于主管路流量大，適合大規(guī)模種植或大田作物的水肥一體化作業(yè)，由于該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，國外的入門級(jí)機(jī)型以及國內(nèi)的大多設(shè)備均采用該種結(jié)構(gòu)，如FERTIKIT系列，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院研制的果園水肥藥一體化系統(tǒng)。

國內(nèi)其他企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)也設(shè)計(jì)了各自的支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部，方金虎等[7]設(shè)計(jì)了一種PLC控制施肥裝置，能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)的采集農(nóng)業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)田的智能灌溉、智能施肥與智能噴霧等自動(dòng)控制；藺素麗等[8]設(shè)計(jì)了一種注入式比例調(diào)節(jié)自動(dòng)施肥機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水、自動(dòng)混肥、自動(dòng)施肥，且施肥濃度和流量穩(wěn)定、可調(diào)，自動(dòng)化程度高；李堅(jiān)等[9]設(shè)計(jì)了一種基于吸肥器的小型灌溉施肥機(jī)，建立了小型水肥一體灌溉機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了肥料和水的兩次混合，達(dá)到提高混肥效率，減少水肥混合時(shí)間的目的；王利源等設(shè)計(jì)了包含井房控制終端、田間控制終端、氣象站監(jiān)測終端和系統(tǒng)平臺(tái)的高效的水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)；詹宇等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)，通過支持Modbus通訊協(xié)議的壓力傳感器、液位傳感器、pH值傳感器、EC值傳感器和土壤濕度傳感器來檢測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和土壤濕度；李繼學(xué)等通過改變主管道長度和射流泵間距對(duì)吸肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并分析每條射流泵吸肥量，吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，每條射流泵的吸肥量趨于相同。綜上所述，支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部結(jié)構(gòu)簡單，省去了混合罐、攪拌器等設(shè)備，節(jié)約了設(shè)備成本，但提升了控制難度，在管路直徑較大的情況下，容易產(chǎn)生混合不均勻的情況，可在主管路中加入混合腔提高均勻性，但該問題的研究較少。

圖1 支管路注肥旁通式水肥一體化裝備

1.2.2 主管路肥料預(yù)混式

主管路肥料預(yù)混式系統(tǒng)首部如圖2所示，最明顯的特征在于有一個(gè)混合灌，能夠更精準(zhǔn)地控制營養(yǎng)液的濃度和PH值，該種結(jié)構(gòu)適用于對(duì)營養(yǎng)液濃度要求較高的作物，特別是設(shè)施栽培。常見的產(chǎn)品有Fertimix系列、Sharker Pro系列、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的日光溫室封閉室栽培水肥智能調(diào)控系統(tǒng)等。

國內(nèi)的相關(guān)院校和科研院所同樣做了大量的研究，何青海等采用主管路肥料預(yù)混式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種智能水肥藥一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立灌溉，還能實(shí)現(xiàn)灌溉施肥、灌溉施藥及水肥藥一體化；施戰(zhàn)備[10]設(shè)計(jì)了一種灌溉施肥機(jī)，采用主管路肥料預(yù)混式結(jié)構(gòu)，由混合灌、灌溉管路、回流去路、灌溉泵、流量計(jì)、過濾器等組成，結(jié)構(gòu)緊湊，灌溉施肥兩用；王麗光等[11]設(shè)計(jì)了一種主管路肥料預(yù)混式水肥一體化施肥機(jī)，包括控制系統(tǒng)、主管路系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和漫液系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了按需配置水肥。田莉等[12]設(shè)計(jì)了一款三通道旁路吸肥式水肥一體化自動(dòng)施肥機(jī)，其中混肥系統(tǒng)基于射流器并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種單元素液肥的獨(dú)立吸取。李愷等[13]通過PIPENET軟件對(duì)設(shè)計(jì)管路進(jìn)行仿真，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇合適水泵，以供給文丘里管合適的流量和壓力，提升設(shè)備吸肥效率和穩(wěn)定性。綜上所述，主管路肥料預(yù)混式灌溉首部增設(shè)了混合罐，部分系統(tǒng)首部配備了攪拌裝置，降低了對(duì)肥液濃度的控制難度，適用灌溉區(qū)域較小和對(duì)肥液濃度敏感的作物，但是對(duì)于不同作物的不同濃度定量化控制的研究較少。

圖2 主管路肥料預(yù)混式水肥一體化裝備

2 系統(tǒng)首部的控制方式

施肥機(jī)(又稱灌溉施肥機(jī)、水肥一體機(jī))是系統(tǒng)首部核心，根據(jù)施肥機(jī)對(duì)水泵、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式可分為單體灌溉施肥機(jī)和大規(guī)模水肥一體化裝備，其應(yīng)用場合和控制方式也各有特點(diǎn)，主要有2種控制方式。

2.1 單機(jī)控制系統(tǒng)首部

單機(jī)控制系統(tǒng)首部主要是面向小面積地塊或單體溫室大棚的作物，種植作物的種類單一，需肥規(guī)律簡單，結(jié)合環(huán)境參數(shù)，根據(jù)作物不同的生長階段實(shí)時(shí)控制水肥一體化的適量、自動(dòng)、智能灌溉施肥。

在中國市面上常見的施肥機(jī)多為單體灌溉施肥機(jī)，大多國外設(shè)備的通信協(xié)議自成體系不對(duì)外開放，很難與國內(nèi)的其它設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，國內(nèi)對(duì)單體灌溉施肥機(jī)的研究已較為成熟，該類設(shè)備應(yīng)用廣泛。寧玉偉等[14]研制了基于單片機(jī)控制的定量灌溉系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)2種灌溉模式的切換，并可對(duì)電磁閥啟閉時(shí)間進(jìn)行設(shè)定；李偉等采用PLC控制技術(shù)，進(jìn)行了自動(dòng)化灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，為將PLC技術(shù)引入到灌溉施肥控制系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了借鑒；么麗麗等[15]設(shè)計(jì)了基于PLC和MB+的灌溉施肥模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉施肥；俞衛(wèi)東等[16]設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能灌溉施肥機(jī)，能實(shí)現(xiàn)不同營養(yǎng)液濃度、不同灌溉模式的自動(dòng)控制；張慧等[17]設(shè)計(jì)了一種基于PLC和MCGS的水肥一體化系統(tǒng)，同時(shí)使用變頻器達(dá)到恒壓灌溉的目的；孟莎莎等[18]利用傳感器采集數(shù)據(jù)控制農(nóng)田按需灌溉、按量施肥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉施肥和監(jiān)控管理；曾文果等[19]基于可編程控制器設(shè)計(jì)的柑橘根部灌溉施肥控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的根部灌溉和施肥。李帥帥等[20]建立了描述二次混肥特性的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套具有二次混肥特性的以MSP430單片機(jī)為主控的營養(yǎng)液pH值控制系統(tǒng)。黃語燕等[21]設(shè)計(jì)的水肥一體化施肥系統(tǒng)能根據(jù)不同作物需求設(shè)置施肥、灌溉策略，且能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域灌溉，不同區(qū)域水肥參數(shù)可單獨(dú)設(shè)置，自動(dòng)完成水肥一體化灌溉。成金海等[22]使用以ESP8266為主控芯片的集成板卡實(shí)時(shí)采集農(nóng)田溫濕度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度，定期采集土壤的pH值和電導(dǎo)率，并模擬水肥系統(tǒng)的啟動(dòng)和報(bào)警狀態(tài)。李繼學(xué)等設(shè)計(jì)了一套水肥一體化遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過觸摸屏對(duì)施肥機(jī)實(shí)現(xiàn)本地控制，借助手機(jī)APP或電腦網(wǎng)站可以遠(yuǎn)距離控制施肥機(jī)完成相關(guān)指令。目前單機(jī)控制系統(tǒng)首部占據(jù)了主流市場，該類控制方式能實(shí)現(xiàn)基本的邏輯控制和自動(dòng)化功能，對(duì)于采用工業(yè)觸摸屏+PLC的控制系統(tǒng)，能夠通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)簡單的配方操作，滿足常規(guī)的灌溉施肥需求。

圖3 單體灌溉施肥控制系統(tǒng)

2.2 大規(guī)模水肥一體化裝備

大規(guī)模水肥一體化裝備主要是針對(duì)大面積的多種作物生產(chǎn)而開發(fā)的大規(guī)模灌溉施肥智能管理系統(tǒng)，多用于農(nóng)業(yè)園區(qū)和大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的水肥管理，一般需要做配肥站、儲(chǔ)肥罐和多個(gè)分區(qū)監(jiān)測站。灌溉施肥智能管理系統(tǒng)可設(shè)定作物種類、啟動(dòng)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同作物的肥料配比、溶解、混勻和輸送等。基于不同作物生長規(guī)律和環(huán)境條件融合的灌溉施肥決策模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)基地水肥綜合管理。

國外大規(guī)模水肥一體化已得到廣泛的應(yīng)用，但僅有部分產(chǎn)品進(jìn)口到中國，以色列的Galileo控制網(wǎng)是其中的代表，近年來該項(xiàng)技術(shù)成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。鄧曉棟等[23]設(shè)計(jì)了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)，用戶在服務(wù)器端控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進(jìn)而用滴灌的方式對(duì)農(nóng)田進(jìn)行水或者水肥的灌溉；江新蘭等[24]設(shè)計(jì)了基于兩線解碼技術(shù)和云計(jì)算的設(shè)施農(nóng)業(yè)水肥一體化智能云灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過兩線解碼技術(shù)，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)中不同環(huán)境條件下作物生長的水肥需求和灌溉施肥制度；翟晶等[25]在設(shè)施大棚條件下，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化系統(tǒng)在草莓種植上的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究；孔德志等[26]設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同營養(yǎng)液濃度、不同灌溉模式的灌溉施肥所需營養(yǎng)液的精準(zhǔn)調(diào)配；趙興杰等[27]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)，完成土肥信息采集、傳輸、分析、施肥灌溉方案設(shè)計(jì)及自動(dòng)控制，進(jìn)一步簡化操作程序、提高水肥利用效率；師志剛等[28]以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，對(duì)水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及效益分析，該系統(tǒng)主要包括智慧平臺(tái)、田間灌溉控制系統(tǒng)、智能施肥系統(tǒng)等8個(gè)組成部分。李鳳芝等[29]按照傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用控制三部分。

圖4 網(wǎng)絡(luò)水肥一體化裝備控制系統(tǒng)

石瑩[30]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化服務(wù)云平臺(tái)，水肥一體機(jī)的設(shè)計(jì)、區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè)備的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、分析及預(yù)測。張賓賓等給出了智能水肥一體化云控制體系的概念，按照多層化、對(duì)象化、并行化、數(shù)據(jù)服務(wù)化思路，設(shè)計(jì)出一種具備云計(jì)算思想與特點(diǎn)的智能水肥一體化控制體系框架。隨著信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用到水肥一體化的控制系統(tǒng)，現(xiàn)場控制器的通訊功能、智能網(wǎng)關(guān)的計(jì)算功能不斷提升，以云服務(wù)器+智能終端的控制模式已經(jīng)有大規(guī)模的應(yīng)用。該類控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)多種信息的采集與可視化管理，同時(shí)也為智能算法在水肥自動(dòng)決策系統(tǒng)中得以應(yīng)用，但目前成本較高，普通用戶難以應(yīng)用。

3 系統(tǒng)首部的新結(jié)構(gòu)

水肥一體化系統(tǒng)終端設(shè)備的技術(shù)模式主要包括滴灌式、循環(huán)式、噴灌/微噴灌式等[31]，常規(guī)的技術(shù)模式對(duì)系統(tǒng)首部的結(jié)構(gòu)影響不大。隨著水肥一體化技術(shù)的發(fā)展多樣化，系統(tǒng)首部的結(jié)構(gòu)也有了新的變化。

3.1 水肥機(jī)+傳統(tǒng)裝備

3.1.1 水肥機(jī)+噴灌溉類裝備

鄒露陽等[32]為研究豫北地區(qū)噴灌水肥一體化條件下不同種植密度和施氮頻次對(duì)土壤水分、硝態(tài)氮含量及冬小麥產(chǎn)量的影響，在傳統(tǒng)的噴灌機(jī)上配備水肥機(jī)，發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)種植密度和施氮頻次為當(dāng)?shù)囟←溕诘淖顑?yōu)措施。高效灌溉技術(shù)的發(fā)展以及便宜的塑料管道大量生產(chǎn)，水肥一體化技術(shù)應(yīng)用于各種農(nóng)田的灌溉施肥中，而水肥一體化裝備也發(fā)展多樣化，從傳統(tǒng)的與滴灌、噴灌等設(shè)備結(jié)合發(fā)展到與灑水車、噴霧機(jī)等移動(dòng)式灌溉施肥一體式裝備。滴灌機(jī)和噴灌機(jī)將傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)首部樞紐各項(xiàng)設(shè)備功能進(jìn)行集成，無需拆卸和安裝，可獨(dú)立完成作業(yè)；在多種水源條件下均可進(jìn)行灌溉作業(yè)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)便攜式滴灌，適用范圍廣泛，尤其適合應(yīng)急抗旱時(shí)使用。

3.1.2 水肥機(jī)+移動(dòng)式滴灌裝備

王雅云等[33]提出了適合丘陵山區(qū)的移動(dòng)式滴灌水肥一體化模式，即采用滴灌設(shè)備和移動(dòng)式拖拉機(jī)，使用增壓泵將注入施肥罐的肥液和水箱中的水從滴灌設(shè)備按照水肥兼顧的原則滴灌到作物根部，以達(dá)到水肥高效利用。趙亞麗等[34]對(duì)移動(dòng)式滴灌在齊齊哈爾市抗旱灌溉中的應(yīng)用與推廣進(jìn)行了研究，提出了適合丘陵山區(qū)的移動(dòng)式滴灌水肥一體化模式，即采用滴灌設(shè)備和移動(dòng)式拖拉機(jī)，使用增壓泵將注入施肥罐的肥液和水箱中的水從滴灌設(shè)備按照水肥兼顧的原則滴灌到作物根部，以達(dá)到水肥高效利用。

3.2 水肥機(jī)+新技術(shù)

3.2.1 水肥機(jī)+信息檢測系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為當(dāng)今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)之一，將水肥一體化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，水肥一體化系統(tǒng)及裝備按照環(huán)境參數(shù)及作物的需水需肥規(guī)律，結(jié)合農(nóng)藝專家數(shù)據(jù)庫，給出合理的水肥實(shí)施方案，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、施肥、噴藥，不再依靠農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)與感覺。陳滿等[35]設(shè)計(jì)了基于多傳感器的變量施肥控制系統(tǒng)，結(jié)合采集的多源傳感信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量施肥控制。高菊等[36]設(shè)計(jì)了一種基于MBus的水肥一體化灌溉系統(tǒng)，采用MBus總線，提供基于電力線的載波通訊，可以同時(shí)完成節(jié)點(diǎn)供電和通訊功能。盧超等[37]設(shè)計(jì)了一種分布式無線自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，采用NRF905模塊進(jìn)行無線通信，構(gòu)成“一對(duì)多”的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 水肥機(jī)+智能專家系統(tǒng)

農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合是整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向，水肥一體化技術(shù)及裝備也將走農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的道路，不同作物不同生長周期的需水規(guī)律、需肥規(guī)律以智能專家系統(tǒng)的方式與水肥一體化裝備結(jié)合，“指導(dǎo)”裝備的自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)水肥一體化系統(tǒng)及裝備的自動(dòng)化，并且先進(jìn)智能專家系統(tǒng)帶有自學(xué)習(xí)功能，能夠自動(dòng)更新系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫，從而擁有更廣泛的適用性和更高的可靠性，進(jìn)而推進(jìn)水肥一體化系統(tǒng)向真正的智能化方向發(fā)展。

吳景來等[38]將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到水肥一體化控制設(shè)備，提高水肥一體化灌溉施肥機(jī)的水肥利用效率，實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉施肥。王麗娟等[39]將模糊控制應(yīng)用于水肥一體化控制設(shè)備，設(shè)計(jì)二維模糊控制系統(tǒng)，用Matlab軟件對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，效果理想。李莉等[40]采用土壤水分傳感器對(duì)草莓果期基質(zhì)含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對(duì)基質(zhì)含水率隨時(shí)間變化的規(guī)律分析，并結(jié)合日平均溫度進(jìn)行K-means聚類分析，提出一種草莓優(yōu)化灌溉策略。

4 存在問題

綜上分析，水肥一體化系統(tǒng)首部硬件結(jié)構(gòu)較為完善，控制系統(tǒng)中尚存在兩大類問題：“短板問題”和“難點(diǎn)問題”。短板問題主要包括：控制邏輯的不優(yōu)、自動(dòng)化功能程度不高；難點(diǎn)問題主要包括：土壤與作物生理信息檢測系統(tǒng)不完善、水肥智能決策系統(tǒng)缺失。

4.1 短板問題

系統(tǒng)首部控制系統(tǒng)的控制邏輯難以與現(xiàn)代的灌溉工藝相適應(yīng)，比如水肥一體化灌溉時(shí)，施肥會(huì)帶入大量陽離子，而灌溉水在過濾后仍有泥沙顆粒，施肥與細(xì)小泥沙顆粒相互作用加劇了滴頭堵塞問題；另外灌水均勻度低的問題嚴(yán)重，尤其是在地勢落差較大的地區(qū)，灌水均勻度低已成為微灌技術(shù)推廣的瓶頸。市場上的灌溉首部尚沒有針對(duì)該問題的自動(dòng)控制方案，目前常規(guī)設(shè)備中的控制邏輯單一，難以滿足控制系統(tǒng)的需求。

市場上常見水肥一體化裝備，自動(dòng)化水平低，仍需要人工手動(dòng)操作，常規(guī)的自動(dòng)控制技術(shù)，比如：通過設(shè)定不同的土壤水分閾值自動(dòng)啟停灌溉系統(tǒng)，通過設(shè)定不同的EC值的上下限自動(dòng)關(guān)閉施肥系統(tǒng)(在目前技術(shù)條件下不建議自動(dòng)啟動(dòng)施肥系統(tǒng))等。該類技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化中的常規(guī)技術(shù)，然則在系統(tǒng)首部的控制系統(tǒng)中鮮有應(yīng)用，建議相關(guān)技術(shù)人員將工業(yè)自動(dòng)技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)工程中來，提升水肥一體化系統(tǒng)首部的技術(shù)短板。

4.2 難點(diǎn)問題

土壤與作物生理信息是水肥精準(zhǔn)施用的重要依據(jù)，如不知土壤中的營養(yǎng)狀況，莊稼是不是“渴了”“餓了”，水肥的精準(zhǔn)施用無從談起。土壤與作物生理信息原位在線檢測技術(shù)，是制約水肥一體化發(fā)展的卡脖子技術(shù)，信息的快速獲取是制約水肥一體化系統(tǒng)首部技術(shù)水平的難點(diǎn)問題。

如果莊稼“渴了”“餓了”，應(yīng)該提供多少水、多少肥？眾多農(nóng)藝專家已經(jīng)針對(duì)不同的作物進(jìn)行了大量研究，探明不同作物的需水需肥規(guī)律，但目前的系統(tǒng)首部大多是依靠人力進(jìn)行判斷，缺少水肥智能決策系統(tǒng)。如何根據(jù)環(huán)境信息參數(shù)、作物長勢與營養(yǎng)情況以及水肥需求規(guī)律，開發(fā)水肥智能決策系統(tǒng)，進(jìn)行定時(shí)定量按需灌溉施肥，是目前的技術(shù)難點(diǎn)。目前的一些研究已經(jīng)將關(guān)注的焦點(diǎn)從土壤轉(zhuǎn)移到植物本體上來，通過光譜技術(shù)、顯微技術(shù)等快速檢測植物的生命體征與營養(yǎng)狀況，但該類技術(shù)的成本高、實(shí)時(shí)性差，對(duì)技術(shù)人員要求較高，難以推廣應(yīng)用。

5 系統(tǒng)首部發(fā)展趨勢

5.1 控制終端型系統(tǒng)首部

隨著電子與信息技術(shù)的發(fā)展，終端控制設(shè)備帶有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備(網(wǎng)關(guān))的邊緣計(jì)算功能也越來越強(qiáng)。在不需要復(fù)計(jì)算的場合，如系統(tǒng)首部電磁閥、水泵的控制，帶有邊緣計(jì)算功能的網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，如研華科技的物聯(lián)網(wǎng)智能終端RTU：ADAM-3600，如需復(fù)雜計(jì)算，該設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳上云端，由云服務(wù)器負(fù)責(zé)計(jì)算。該模式一方面由網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)控制，減少了終端控制器(如單片機(jī)、PLC等)投入，降低了成本；另一方面網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行了前期的數(shù)據(jù)處理，減輕了云服務(wù)器的計(jì)算壓力。采用該模式的系統(tǒng)首部設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，投入少，是小型農(nóng)場和種植大戶的首選，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5.2 控制中心型系統(tǒng)首部

水肥一體化的目標(biāo)是解決莊稼的溫飽問題，讓莊稼“吃好”“喝好”，有一個(gè)適宜的生長環(huán)境并能夠高產(chǎn)高質(zhì)。針對(duì)大型農(nóng)場和規(guī)模化的合作社開發(fā)系統(tǒng)首部控制系統(tǒng)，功能越來越全面，除了管理灌溉施肥的田間作業(yè)外，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)園區(qū)的環(huán)境信息、作物信息、農(nóng)機(jī)信息、人員信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)配，逐步形成了一個(gè)以水肥施用為核心，以高產(chǎn)高質(zhì)為目標(biāo)的田園管理系統(tǒng)。中心控制器也由常規(guī)的單片機(jī)、PLC變成的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器，配置越來越好，功能越來越全，能夠全面的滿足用戶對(duì)種植區(qū)域數(shù)字化管理的需求，也是目前研究的重要方向之一。在操作系統(tǒng)方面，基于云服務(wù)集成是該類系統(tǒng)首部的核心，操作界面也由常規(guī)的觸控按鈕向虛擬場景轉(zhuǎn)變，未來的系統(tǒng)首部在操作上更直觀、更便捷。

5.3 系統(tǒng)首部智能化控制系統(tǒng)發(fā)展

目前市場上所謂的“智能化裝備”遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能的水平，只能稱其為“自動(dòng)化的初級(jí)階段”，距離全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化還有很長的路要走。眾多生產(chǎn)廠家，把觸摸屏、手機(jī)、電腦控制定義為智能化控制是不恰當(dāng)?shù)模举|(zhì)還是手動(dòng)操作，與智能控制和自動(dòng)控制有本質(zhì)的區(qū)別。由田間信息采集系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)組成的水肥一體化系統(tǒng)首部實(shí)現(xiàn)無需人手動(dòng)操作，系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，是目前一個(gè)主要的發(fā)展方向。

關(guān)于系統(tǒng)首部的智能技術(shù)提升方面，也不能太悲觀，2019年中國灌溉發(fā)展大會(huì)上各種新裝備也陸續(xù)涌現(xiàn)，如：雙控制系統(tǒng)的系統(tǒng)首部，可針對(duì)大田作物、設(shè)施蔬菜等不同種植模式的選擇不同的控制模式；恒濃度施肥系統(tǒng)首部，采用比例閥精準(zhǔn)控制肥液體濃度的施肥系統(tǒng)，將恒定濃度營養(yǎng)液精準(zhǔn)施用；具有自動(dòng)灌溉功能的系統(tǒng)首部，可根據(jù)土壤水分自動(dòng)啟停的灌溉系統(tǒng)等等。特別是一些小企業(yè)，在系統(tǒng)首部控制系統(tǒng)上做的諸多改進(jìn)可圈可點(diǎn)。雖然智能化技術(shù)的全面應(yīng)用仍然遙遠(yuǎn)，但不遠(yuǎn)的前方有好多工作要做。

6 結(jié)論

綜上所述，水肥一體化系統(tǒng)首部得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，學(xué)者們對(duì)水肥一體化技術(shù)的理論研究和實(shí)際意義方面做出了大量研究，特別是在控制系統(tǒng)方面有了較大的變革，并且系統(tǒng)首部在與常規(guī)裝備的結(jié)合過程中出現(xiàn)了很多新模式、新技術(shù)、新裝備。然而這些已有的研究結(jié)論和新興的技術(shù)裝備尚處于起步階段，存在大量的短板問題和難點(diǎn)問題。對(duì)于系統(tǒng)首部存在的問題和發(fā)展方向，筆者主要從控制系統(tǒng)方面提出了一些建議和思考，希望在行業(yè)內(nèi)能起到拋磚引玉的作用，為專家學(xué)者們今后的研究功能齊全、系統(tǒng)穩(wěn)定、農(nóng)民愛用的產(chǎn)品提供些許借鑒。