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        智能水肥一體化關鍵技術的研究

        2020-12-16 07:25:22韓衛(wèi)華
        農(nóng)產(chǎn)品加工 2020年21期
        關鍵詞:智能農(nóng)業(yè)信息

        韓衛(wèi)華

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

        我國是一個農(nóng)業(yè)大國,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展核心就是智能化農(nóng)業(yè)裝備,配套相應的專業(yè)化、現(xiàn)代化農(nóng)機設備。由于采用傳統(tǒng)種植模式,智能化技術在農(nóng)業(yè)裝備的應用還不成熟,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現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵因素。

        隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人口的持續(xù)增長,中國的水資源日趨不足,水資源總量僅為世界的6%,部分種植區(qū)基本上還是采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉,浪費了大量的水資源,造成我國嚴重缺水。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)量的關鍵因素,是作物增產(chǎn)高產(chǎn)的物質保證和基礎。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、資源浪費和影響農(nóng)產(chǎn)品質量安全等問題,從而限制了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。隨著節(jié)水灌溉技術的發(fā)展,與其相結合的水肥一體化技術的應用引起了人們的關注。

        我國在水肥一體化技術智能灌溉系統(tǒng)的研究起步較晚相對落后,缺乏相應的科學化、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施蔬菜建設高潮,各縣都大力發(fā)展溫室大棚設施生產(chǎn),但由于配套服務跟不上,效益不明顯。栽培所需的品種選擇、技術培訓缺乏有效的配套技術服務,造成產(chǎn)品產(chǎn)量低,影響農(nóng)民種植積極性。溫室大棚機械化作業(yè)水平低,自動控制技術裝備水平偏低,工作環(huán)境差、效率低、勞動強度大,降低了山西溫室大棚設施蔬菜競爭力。因此,推廣應用智能水肥一體化技術就顯得尤為重要。

        水肥一體化技術正朝著精準農(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)作物全生長期的所需水肥量精準控制。有針對性地進行配方設計,合理地進行灌溉施肥,達到節(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,是將施肥系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)完美結合,提高水分利用率和肥料利用率。結合物聯(lián)網(wǎng)技術,通過對各種傳感器的數(shù)據(jù)分析,達到精確控制施肥量、水量及施肥時間的目的,實現(xiàn)電腦端和手機端的遠程自動化控制,從根本上改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)結構,大力促進生態(tài)環(huán)境保護和建設[3-7]。因此,智能水肥一體化技術必將得到國家的大力支持和推廣,發(fā)展前景十分廣闊。

        1 研究內(nèi)容

        水肥一體化技術的迅猛發(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、操作簡單的水肥控制系統(tǒng)。結合物聯(lián)網(wǎng)技術,信息化物聯(lián)網(wǎng)管理平臺,通過土壤信息、環(huán)境信息的采集,遠程監(jiān)測控制,指導施肥灌溉作業(yè),真正實現(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)的研究基礎上,將物聯(lián)網(wǎng)技術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,采用無線傳感網(wǎng)絡軟件上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺,對數(shù)據(jù)加工、處理,自動施肥灌溉控制系統(tǒng)做出智能化決策,實現(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),實時監(jiān)測調(diào)節(jié)注肥總量和瞬時注肥量;③各類故障實時監(jiān)測和報警功能。具有低液位保護,注肥泵、攪拌電機過載保護,過濾器堵塞保護,低流量保護等功能;④遠程控制功能。實時監(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,實現(xiàn)了對溫室內(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

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

        水肥一體化技術采用的灌溉系統(tǒng)大體分為噴灌和微灌,其設備主要由首部樞紐系統(tǒng)、水肥一體機、管道系統(tǒng)和自動控制系統(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)測設備、施肥設備和自動化控制設備。首部樞紐是全系統(tǒng)的控制中心。

        過濾系統(tǒng)是水肥一體化應用的必備設備,防止井水中粗砂、細砂和一些化學物質堵塞滴頭。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合。地表水過濾系統(tǒng)按經(jīng)驗設計時,多數(shù)設計為砂石過濾加網(wǎng)式過濾,或者砂石過濾加疊片過濾。自動反沖洗過濾器可使用時間、流量、壓差等參數(shù)決定反沖洗任務的開啟。

        2.2 水肥一體機

        水肥一體化技術是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術。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,進行灌溉與施肥,均勻、準確地輸送到作物根部土壤。根據(jù)作物生長各個階段對水肥養(yǎng)分的需求進行設計,采用智能灌溉施肥技術,把水分和養(yǎng)分定量定時、按比例直接提供給作物。

        水肥一體機通過傳感檢測技術、計算機技術、自動化控制技術,實現(xiàn)水肥供應的自動管理和分配。系統(tǒng)根據(jù)用戶設定的空氣、土壤的溫濕度、EC 值、pH 值、施肥比例、施肥時間、灌溉時間、自動反沖洗時間等,通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的處理,控制一套適時適量比例肥注的水肥灌溉系統(tǒng),自動完成施肥任務,實現(xiàn)對灌溉、施肥的定時、定量控制。因此,水肥一體機的應用,既能提高作物產(chǎn)量,又能節(jié)水節(jié)肥、省力省時,為實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進了一步。

        2.3 灌溉管路系統(tǒng)

        管徑根據(jù)流量設置,將處理過的水按照要求輸送到灌水單元。

        2.4 自動控制系統(tǒng)

        通過自動采集作物環(huán)境氣候信息、土壤的溫濕度、作物生長信息,水肥的pH 值和EC 值,采用無線或有線傳輸技術,結合當?shù)刈魑锏男杷凸喔容喒嗲闆r制定自動開啟水泵、閥門,實現(xiàn)無人職守自動灌溉,預防人為誤操作。

        3 智能水肥一體化技術

        智能水肥控制技術是基于水肥一體化的工作原理,采用先進的灌溉技術,結合物聯(lián)網(wǎng)遠程控制、土壤氣象墑情監(jiān)測等技術,向著精準農(nóng)業(yè)方向發(fā)展,融合信息化技術,建立一套完備的農(nóng)作物智能服務體系,實現(xiàn)了對農(nóng)作物生長環(huán)境的實時監(jiān)控、水肥灌溉遠程控制、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集分析等功能,實現(xiàn)農(nóng)作物全周期的標準化作業(yè)。

        隨著信息化技術的普及,物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展給人類發(fā)展和社會經(jīng)濟帶來了前所未有的機遇,我國物聯(lián)網(wǎng)技術領域的研究取得顯著的成果。目前,我國正在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)轉型,我國物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)上的應用還處于研究起步階段,物聯(lián)網(wǎng)技術能夠大大提升農(nóng)機的智能性。

        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、信息處理器和無線網(wǎng)絡融合成一個有機整體,對目標進行精準感知、自動控制、數(shù)據(jù)分析與決策的智能管理。物聯(lián)網(wǎng)的體系結構分為3 層,依次是感知層、傳輸層和應用層。感知層主要是利用部署在種植園內(nèi)的傳感器精準感知環(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)信息匯總分析轉換為數(shù)字信息,通過信息傳輸層傳輸給應用管理層,經(jīng)過接受、存儲數(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)過無線通訊網(wǎng)絡傳回感知層,驅動操作執(zhí)行裝置控制相應的灌溉與施肥設備采取相應的灌溉與施肥操作,確保精準施肥,提高水肥利用率[8]。

        農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和水肥一體化技術的結合,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,對土壤環(huán)境氣候信息進行處理,為農(nóng)作物成長的情況提供數(shù)據(jù),實現(xiàn)智能化管理。基于精準農(nóng)業(yè),通過傳感器精準采集影響植物生長的水、肥、氣、熱、光等環(huán)境信息,并結合植物生理生長信息的實時監(jiān)測,傳感器采集的數(shù)據(jù)通過節(jié)點,以無線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測站主機,監(jiān)測站主機將監(jiān)測結果發(fā)送到數(shù)據(jù)中心,以便用戶遠程監(jiān)控,為用戶提供高效、經(jīng)濟、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑[9]。

        因此,智能施肥一體機就是無線通信技術、傳感器技術、信息處理技術、農(nóng)業(yè)自動化和信息化進程的不斷深入。依據(jù)農(nóng)作物需水需肥規(guī)律及當?shù)毓喔攘浚_定灌水次數(shù)、灌水時期、一次灌水時間、定額和整個生育期的灌溉總量。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,設計科學的灌溉、施肥方案。依照所需設定輸入?yún)?shù)包括過濾時間、反沖洗時間、EC 值、pH 值、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、投料量、攪拌時間、投料時間、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)進行處理分析,計算出科學的灌溉量和灌溉時間,并且將控制信息傳送到閥門,進而實現(xiàn)智能的施肥和灌溉[10-12]。根據(jù)農(nóng)作物生長的營養(yǎng)需要、土壤濕度等信息,實現(xiàn)水肥均勻化攪拌,同時精準地實現(xiàn)灌溉施肥的時間和使用量。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施肥,降低了化肥的浪費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)技術在水肥一體機的實現(xiàn),有利于對溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時、適量、均勻、精確地灌溉與施肥,提高水肥利用率,同時有效地控制了污染。因此,物聯(lián)網(wǎng)技術的支持使得現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向精細化、智能化方向發(fā)展。

        4 結語

        將物聯(lián)網(wǎng)技術融入到水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)中,設計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)濟性。智能水肥一體機全面提升農(nóng)田水分生產(chǎn)效率和化肥利用率,對發(fā)展現(xiàn)代節(jié)水型農(nóng)業(yè)、轉變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、促進農(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)技術和水肥一體化技術,而國內(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。國內(nèi)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)還都處于完善階段,服務形式還比較簡單,技術上還缺少多參數(shù)傳感器融合技術的應用。因此,需要大力推進物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域的研究,促進我國設施農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展。

        在今后的工作中,應該結合園藝技術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)技術運用到水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的基礎上不斷深入,并將農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理技術與現(xiàn)代溫室大棚栽培工藝相融合,進一步提高水肥一體化灌溉系統(tǒng)的智能化。同時,將智能設施、智能裝備、智能系統(tǒng)、種植需求相結合,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)代化設施科技含量。

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