季宗虎 惠磊 孫棟元 崔艷強 張發(fā)榮 趙文琦 徐寶山 周敏

摘 要： 水肥一體化系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)核心內(nèi)容之一，該系統(tǒng)可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水節(jié)肥、省時省工、提質(zhì)增效。水肥一體化系統(tǒng)主要由控制器、過濾器和文丘里吸肥器等部件，以及控制、水肥供給、混肥和檢測等模塊組成，系統(tǒng)論述了水肥一體化系統(tǒng)結構特點及工作原理?；谒孰妼收{(diào)節(jié)過程和水肥pH 值調(diào)節(jié)過程，闡述了水肥一體化系統(tǒng)控制對象和策略。利用田間采集系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、云端服務器、傳輸系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡，以及遠程監(jiān)控平臺，可對前端信息進行實時監(jiān)測與傳輸?；谒室惑w化控制系統(tǒng)、遠程測控系統(tǒng)，以及滴灌、微噴灌水肥一體化系統(tǒng)，探討了水肥一體化關鍵技術和技術應用模式?；谖锫?lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設和智慧水利建設提供技術支撐。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水肥一體化系統(tǒng)；水肥融合；施肥灌溉；控制；智能化

中圖分類號：S275文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0068-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.012

0 引言

水肥一體化系統(tǒng)是將澆水和施肥技術一體化的新興農(nóng)作物栽培技術，使水溶性化肥迅速滲透到澆灌水中，并通過配水管網(wǎng)把水肥帶到作物根系。該技術能高效省時省力，提升生產(chǎn)水肥效率，從而節(jié)約水肥資源。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)中，能夠進一步節(jié)水省肥，實現(xiàn)按作物的需水需肥規(guī)律進行科學灌溉施肥，提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)及營養(yǎng)狀況；減少了農(nóng)村使用水比例，使農(nóng)田的澆灌水合理利用系數(shù)增加到0.55；降低肥料消耗，實現(xiàn)了化肥農(nóng)藥施用率零增長，使農(nóng)村化肥、農(nóng)藥的施用率減少到40%[1-3]。

郝明[4] 結合水肥一體化機內(nèi)部構造，根據(jù)流量確定肥水配比，利用動態(tài)計算方法，實現(xiàn)了全自動灌溉施肥功能和母液濃度的精準調(diào)控。朱亮等[5] 認為，水肥一體化智能化灌溉系統(tǒng)利用各類信息采集設備和遠程區(qū)域視頻監(jiān)控，有利于推動農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營。郝夢超[6] 基于PLC 控制的全自動水肥一體化系統(tǒng)，結合PLC 技術和觸摸顯示屏技術，通過設置作物不同生長階段的水肥參數(shù)，研究了不同作物實施精準水肥調(diào)控技術。李揚等[7] 利用工程系統(tǒng)的模擬軟件對微噴淋整體控制系統(tǒng)進行了模型仿真，分析了微噴帶的型號對澆水量均勻性的影響及利用微噴帶分組澆水的效率。本研究基于不同研究成果，進一步從水肥一體化系統(tǒng)結構特點及其工作原理、控制對象、水肥一體化智能化系統(tǒng)、關鍵技術和應用模式等方面，系統(tǒng)闡述和探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)的關鍵技術，從而為作物水肥高效利用、作物產(chǎn)量提質(zhì)增效等目標，以及現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展和智慧水利建設提供關鍵技術支撐。

1 水肥一體化系統(tǒng)結構及原理

水肥一體化系統(tǒng)一般由控制器、過濾網(wǎng)、文丘里吸肥機、感應器、液位計、抽水泵、施肥泵和電磁閥控件等基本單元構成，系統(tǒng)結構如圖1 所示?；谒室惑w化的設計原則，整個系統(tǒng)結構分為控制模塊、水肥供給模塊、混肥模塊和檢測模塊等部分。根據(jù)設定的水肥EC 值（電導率）和pH 值，首先啟動水泵，從水源抽取灌溉用水，通過過濾器到混肥罐水泵開始工作，將水泵入支路，水從支路流到文丘里吸肥裝置。當EC 值傳感器和pH 值傳感器檢測到當前水肥EC 值和pH 值未達到設定值時，控制器根據(jù)算法控制母液罐、酸液罐或堿液罐電磁閥的通斷切換。當閥門開通時原液被吸入管道流入配肥罐使水肥充分混合，當控制閥在一個周期內(nèi)通過調(diào)節(jié)母液箱、酸罐和堿罐電磁閥所控制的啟動次數(shù)后，肥罐的原水和肥料EC 值和pH 值都達到了設定值，然后對作物進行灌溉[2-8]。

系統(tǒng)中控制模塊主要依靠PLC 控制器來實現(xiàn)對抽水泵、抽肥泵和電磁閥啟閉的控制，并且利用手動工作模式，設定氮、磷、鉀與水混合的比例[9]。通過吸肥模塊的核心部件文丘里施肥器使得水和肥料充分混合，保證混合液產(chǎn)量基礎。檢測模塊主要依據(jù)傳感器采集到EC 值與作物所需的EC 值進行比對，若當前EC 值低于目標EC 值，則打開電磁閥添加營養(yǎng)液，若當前EC 值高于目標EC 值時，則打開電磁閥添加水；同理實現(xiàn)對pH 值的控制，從而保證植物生長在最適宜環(huán)境中[8]。

2 水肥一體化系統(tǒng)控制對象

水肥一體化系統(tǒng)主要是控制水肥EC 值和pH 值兩大因子，根據(jù)作物在不同生長時期對水肥EC 值和pH值不同要求，在自動施肥的過程中通過對水肥一體化系統(tǒng)電磁閥的啟閉進行控制，同時分析水肥電導率和酸堿度調(diào)節(jié)過程模型，及時調(diào)節(jié)和控制混肥罐中EC 值和pH 值及相應控制策略，從而精準地配制出作物所需的水肥[2，10]。

2.1 水肥EC 值調(diào)節(jié)過程

該系統(tǒng)主要通過控制電磁閥的啟閉時長，從而在混肥罐中配制出作物生長所需的EC 值，EC 值的調(diào)節(jié)過程利用一個簡易的模型來進行分析。調(diào)節(jié)過程模型可以看作是一端由水和母液輸入，另一端輸出混合肥液的模型，水的質(zhì)量濃度和流量分別用C1 和Q1 表示，母液的質(zhì)量濃度和流量分別用C2 和Q2 表示，流出混合液的質(zhì)量濃度和流量分別用C0 和Q0 表示，水肥EC 值調(diào)節(jié)過程動態(tài)模型如圖2 所示[10]。

3 水肥一體化智能化灌溉系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

水肥一體化智能化灌溉系統(tǒng)由田間氣象墑情監(jiān)測采集系統(tǒng)、田間灌溉控制系統(tǒng)、智能水肥一體化系統(tǒng)、以云端服務器為核心的決策與控制平臺及傳輸系統(tǒng)5部分組成[12-13]。將水肥一體化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)充分融合，完成采集、傳輸、決策和管理為一體的目的，使農(nóng)業(yè)灌溉方式發(fā)生了根本性轉變，可定時定量進行灌溉與施肥，其結構組成如圖4 所示。

（1）云端服務平臺。是整個灌溉系統(tǒng)的中心樞紐，主要依靠數(shù)據(jù)庫，對收集到的作物生長實況、田間氣象和墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)、田間作物需水數(shù)據(jù)進行分析、決策，為智能水肥一體化系統(tǒng)和田間灌溉控制系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。

（2）智能水肥一體化系統(tǒng)。是灌溉系統(tǒng)重要的驅(qū)動力和控制中心，主要執(zhí)行云端服務平臺分析的數(shù)據(jù)，利用EC 值、pH 值傳感器對水肥進行精準調(diào)控，配合田間灌溉控制系統(tǒng)進行合理灌溉。

（3）田間氣象墑情監(jiān)測采集系統(tǒng)。利用電子感應器，對田間作物的溫度、土壤墑情、風向和太陽輻射等情況進行收集，并把所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存到農(nóng)業(yè)監(jiān)測中心，為水肥一體化管理系統(tǒng)提供作物的基本環(huán)境信息[14]。

（4）田間灌溉控制系統(tǒng)。主要包括田間輸配水管網(wǎng)、無線閥門控制器和灌水器，收到指令控制電磁閥的啟閉，將通過田間輸配水管網(wǎng)初次處理后的水流送入灌溉裝置，再根據(jù)水流量高低準確調(diào)節(jié)灌溉量，將水分或養(yǎng)分向作物根系附近的土壤輸送。

（5）傳輸系統(tǒng)。包括ZigBee 和GPRS，感知層采集的數(shù)據(jù)通過GPRS 接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器從而被利用。

3.2 總體架構

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型水肥一體化智能化灌溉系統(tǒng)，利用現(xiàn)代信息技術掌握大田植物的生長過程，對大田植物各生長階段的情況、水分含量、生長狀況等進行動態(tài)監(jiān)測和趨勢分析。通過環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和智能水肥一體化系統(tǒng)來完成智能化施肥，由無線傳感器網(wǎng)絡、水肥一體化系統(tǒng)和遠程監(jiān)控平臺3 部分組成，如圖5 所示[14]。

傳感節(jié)點和水肥一體化系統(tǒng)共同構成無線傳感網(wǎng)絡，通過實時監(jiān)測作物生長環(huán)境、土壤中溫濕度、遠程管道壓力及管道流量數(shù)據(jù)等信息，將數(shù)據(jù)實時上傳到數(shù)據(jù)中心進行分析，從而做出合理決策進行自動灌溉[15]。智能水肥一體化系統(tǒng)是水肥一體化系統(tǒng)的核心設備，利用控制系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)與設定值進行對比進而發(fā)出指令，根據(jù)指令對水肥電導率和酸堿度做出一定調(diào)整，然后對土壤進行施肥灌溉[16]。水肥一體化系統(tǒng)匯總傳感器終端采集的信息連同水肥信息一同發(fā)送給遠程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)對前端的環(huán)境信息和水肥信息進行監(jiān)測，同時控制前端設備的運行。了解大田作物生產(chǎn)和田間管理的進度和控制，還可以提高精細化生產(chǎn)和田間管理的能力，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，制定相應的作物管理措施[13]。

4 關鍵技術

水肥一體化系統(tǒng)是針對各種作物的所需條件，以及按需灌溉、按需供肥、水肥平衡利用的原理，將相應含量的肥料水送入灌溉系統(tǒng)，再采用最適宜的灌溉方式輸送給作物。結合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠程管理、土壤及氣象墑情監(jiān)控等現(xiàn)代信息技術，形成了高效率、全智能化的作物智能服務體系，通過對作物發(fā)育情況的信息和數(shù)據(jù)監(jiān)測，并通過對水肥及灌溉等遠程管理系統(tǒng)進行有效調(diào)度，以達到對農(nóng)作物整個生命周期的精細化作業(yè)[17]。

4.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)能夠針對不同作物不同生長發(fā)育階段，結合傳感器技術綜合調(diào)節(jié)EC 值、pH 值、流量等水肥參數(shù)配制適合作物生長發(fā)育的水肥溶液，控制系統(tǒng)采用PLC 控制器和觸摸顯示屏技術相結合，利用接觸顯示器接口選定地表水和自來水兩種澆灌用水方法，經(jīng)過設置手工和自行兩種操作方法和調(diào)整水肥技術參數(shù)，即可進行水肥的定時定量自動控制。結構原理如圖6所示[6，18]。

控制系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)庫相耦合，形成多元傳感器耦合模塊，將數(shù)據(jù)傳送至PLC 控制器實現(xiàn)智能控制調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測模塊、智能灌溉施肥模塊和視頻監(jiān)測模塊組成。環(huán)境監(jiān)測模塊可以實時獲取氣象與土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)，再根據(jù)用戶端顯示的相應動態(tài)變化，及時對環(huán)境信息做出分析。智能灌水施肥模塊包括分塊管理、手動灌水施肥等功能，當分塊確定后，按照具體情況分別控制灌水電磁閥控制閥和施肥電磁控制閥，手動完成灌溉施肥任務（可預先設置施肥日期、施肥環(huán)境、施肥速度等）。視頻監(jiān)控模塊的主要功能是對現(xiàn)場的狀況進行監(jiān)視，進行對比分析做出決策[19]。

4.2 遠程測控系統(tǒng)

將水肥一體化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術結合實現(xiàn)了對水肥設備的遠程測控，制定合適的澆水施肥計劃。遠程測控系統(tǒng)由土壤水分、pH 值、EC 值一體化傳感器，以及無線數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊3 部分組成。水肥一體化遠程監(jiān)測技術，可以通過監(jiān)測數(shù)據(jù)改變作物栽培條件。針對植株的各個生長發(fā)育時期的養(yǎng)分需要，合理提高作物質(zhì)量，增加產(chǎn)量。

根據(jù)監(jiān)測田間環(huán)境的觀測層，田間灌溉監(jiān)測節(jié)點通信模塊可選擇ZigBee 和GPRS 模塊進行通信，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可選擇ZigBee 網(wǎng)關和GPRS 網(wǎng)關實現(xiàn)通信觀測層和網(wǎng)絡層。基于GPRS 遠程網(wǎng)絡的農(nóng)田灌溉遠程控制系統(tǒng)觀測層由終端節(jié)點組成；網(wǎng)絡層由通信網(wǎng)絡和控制中心信息平臺組成；應用層是以用戶終端為載體的設備，利用遙感系統(tǒng)節(jié)點與網(wǎng)絡層通信[20]。系統(tǒng)通過終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過GPRS 通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，基站將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心的信息平臺進行存儲。用戶可以通過終端使用控制中心的信息平臺，獲取現(xiàn)場環(huán)境和執(zhí)行器狀態(tài)等信息，對現(xiàn)場執(zhí)行器進行遠程控制。

5 應用模式

5.1 水肥一體化滴灌系統(tǒng)

滴灌系統(tǒng)的建立，需要考慮種植地域環(huán)境、灌溉用水量、肥料特性及處理過程等因素，使作物的灌水量達到設定值，更好地讓肥料隨灌溉水施入作物根部，從而調(diào)節(jié)作物根部土壤的養(yǎng)分濃度及濕度，保證滿足作物需求[21]。

水肥一體化滴灌系統(tǒng)主要分為自壓式灌溉和加壓式灌溉。自壓式灌溉主要利用自然坡降和大田水位差進行自流灌溉，在灌水過程中主要通過干、支管上面的閥門對灌水量、灌水頻次進行有效控制。加壓式灌溉尤其井灌區(qū)灌溉水需要通過混肥裝置、過濾器、加壓水泵使灌溉水流入管道中，利用水泵的加壓到達作物根部處[22]。對于地形比較復雜、地理環(huán)境不好的區(qū)域需采用滴頭控制流速，在使用滴頭的過程中由于滴頭易堵塞，需要通過加裝沉淀池、篩網(wǎng)過濾器和介質(zhì)過濾器保證水肥能流暢地通過滴頭，從而以恒定的低流速向作物根部滴出或者滲出，并以非飽和流的方式向根部四周的土壤擴散，來達到精準灌溉作物的目的[23]。

水肥一體化滴灌系統(tǒng)的應用不僅要考慮混肥技術，還要考慮滴灌帶滴孔的流量、滴灌帶滴孔間的間距及滴灌帶之間的行距[24]。滴灌帶行距是根據(jù)農(nóng)作物的行距來決定，滴灌帶各滴孔流量需要滿足作物根部對土壤濕潤度的要求，因此在實際設計中調(diào)節(jié)滴孔流量、滴孔間距尤為重要。

滴灌管網(wǎng)布置形式主要有一級支管管網(wǎng)和二級支管管網(wǎng)兩類。管網(wǎng)的布置形式取決于灌區(qū)的面積大小、地理環(huán)境、作物的種類等因素，主要是研究中小型灌區(qū)的灌溉管網(wǎng)優(yōu)化，使用的是一級支管管網(wǎng)布置形式。常用的一級支管管網(wǎng)布置形式有單向支管?單滴灌帶、單向支管?雙滴灌帶、雙向支管?單滴灌帶和雙向支管?雙滴灌帶4 種形式，如圖7 所示。

5.2 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)

微噴灌灌溉施肥過程中，微噴帶帶寬、孔徑，以及田間管網(wǎng)布置對水肥均勻分布有重要影響，在一定的范圍內(nèi)增加微噴帶的噴孔孔徑和帶寬，布置合理的田間管網(wǎng)可以提高微噴帶灌溉的均勻性，同時微噴灌在一定程度上可以起到調(diào)節(jié)田間小氣候，降低作物冠層溫度，消除干熱風的影響，同時增加花后灌水次數(shù)與比例，使葉片降緩衰老、增加干物質(zhì)積累，提高作物干粒質(zhì)量，可有效提高水分利用效率[4]。

水肥一體化微噴灌系統(tǒng)是以微噴灌為載體，在灌溉過程中能讓水肥以最優(yōu)的比例組合供給作物吸收。水肥一體化微噴灌系統(tǒng)由水源、首部樞紐和微噴系統(tǒng)組成，以首部系統(tǒng)和微噴技術為基礎系統(tǒng)。首部控制系統(tǒng)包含泵、干管、濾網(wǎng)、母液罐、壓力計、流速表和控制調(diào)節(jié)設備；管理系統(tǒng)由干管和支管構成，形成“水源→水泵→主管道→干管→支管（微噴帶）”的體系構架，如圖8 所示[7]。在施肥時，將澆灌水經(jīng)水泵增壓后流向主管內(nèi)和系統(tǒng)母液罐，在母液罐中配制符合條件的化肥母液，再由恒壓水泵將化肥液泵入總管內(nèi)。在與灌溉水混和均勻后輸送至微噴帶中，將水肥混合液噴灑在田里，以供作物的吸收與利用。在灌溉過程中，由于水壓的消耗，通常將灌區(qū)劃分成多個區(qū)域進行循環(huán)灌溉。

水肥一體化微噴灌系統(tǒng)可以有效避免傳統(tǒng)灌溉中的水肥大量損失和土壤板結等問題，起到很好的節(jié)水節(jié)肥和保護土壤的效果，還可以提高作物根系在空間的濕度，減少水分的蒸發(fā)損失，讓肥料充分發(fā)揮出作用，提升肥料的利用率。

6 結束語

從水肥一體化系統(tǒng)結構及原理、控制對象、水肥一體化智能化系統(tǒng)、關鍵技術和技術應用模式等方面，系統(tǒng)闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)關鍵技術。

（1）水肥一體化系統(tǒng)主要由控制閥、過濾網(wǎng)、文丘里吸肥機、感應器、液位計、抽水泵、施肥泵和電磁控制閥等部分構成，系統(tǒng)結構包括控制模塊、水肥供給模塊、混肥模塊和檢測模塊等部分。水肥一體化系統(tǒng)將水肥電導率調(diào)節(jié)過程和水肥pH 值調(diào)節(jié)過程作為主要控制對象，精準配制作物所需水肥。

（2）水肥一體化智能化灌溉系統(tǒng)由田間采集系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)、智能水肥一體化系統(tǒng)、云端服務器和傳輸系統(tǒng)5 部分，以及無線傳感器網(wǎng)絡、水肥一體化系統(tǒng)和遠程監(jiān)控平臺3 部分組成。

（3）通過水肥一體化控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控技術等核心技術收集并分析作物苗情、墑情和土壤含水量，并且基于微噴灌、滴灌載體以水肥一體化系統(tǒng)為核心利用水肥電導率和酸堿度調(diào)節(jié)模型實現(xiàn)對該系統(tǒng)中水肥EC 值和pH 值的精準調(diào)節(jié)，從而滿足作物水分、養(yǎng)分需求，提供作物產(chǎn)量和改善品質(zhì)。

水肥一體化系統(tǒng)應加強作物營養(yǎng)管理的科學運籌，對提高磷鉀的追施形式進行深入研究，大力推廣加注的比例式施肥方法，以增加施肥的精確度[25]。設計云端控制水肥一體化設備，根據(jù)當前土壤有效養(yǎng)分濃度與作物各階段實時信息進行灌溉施肥配方的選擇，完善水肥一體化管控智能裝備與智慧系統(tǒng)[26]。實現(xiàn)真正的按需灌溉、按需供肥、水肥平衡的原則，從而加快我國從農(nóng)業(yè)大國轉變?yōu)檗r(nóng)業(yè)強國的步伐。

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