趙 華

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

由于我省水資源有限，并且在時(shí)間和空間上分布不均衡，因此在一些地方，干旱和缺水問題非常突出。即使水源豐富的地區(qū)，由于沒有合理利用，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。近年來，隨著化肥的過度消耗，化肥的利用率大幅度下降，尤其是在大多數(shù)糧食作物中，化肥的利用率只有35.2%。過去多年，由于農(nóng)民為了追求高效益，用于灌溉、施肥、施藥的投入占到設(shè)施農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)總投入的30%以上，生產(chǎn)資料的投入較普通露地種植高，化肥的過度使用導(dǎo)致水和土壤的污染也日趨嚴(yán)重，更造成了土壤的板結(jié)、鹽分積累和鹽漬化程度加深，嚴(yán)重阻礙著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，與其相結(jié)合的水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注[1]。水肥一體化設(shè)備能夠有效減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源的浪費(fèi)和肥料的過量使用，提高農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，降低資源的消耗，減少環(huán)境污染。它是推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)之一，對于實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)水、環(huán)保的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

1 水肥一體化技術(shù)現(xiàn)狀

水肥一體化技術(shù)在國際上的應(yīng)用和發(fā)展水平相對較高。許多國家和地區(qū)都在積極推動(dòng)水肥一體化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可持續(xù)性。一些發(fā)達(dá)國家，如美國、荷蘭、以色列等，在水肥一體化技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。這些國家在農(nóng)業(yè)科技和工程方面投入了大量的研發(fā)，形成了成熟的水肥一體化技術(shù)體系，通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)現(xiàn)了精確的水肥供應(yīng)和管理，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

在發(fā)展中國家，水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用程度相對較低，但也在逐步推廣和普及。一些國家，如中國、印度、巴西等，正面臨著人口增長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求增加的壓力，因此越來越重視節(jié)約資源和提高農(nóng)業(yè)效益的技術(shù)創(chuàng)新。水肥一體化技術(shù)被視為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，這些國家也在加大相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用力度。

隨著水肥一體化技術(shù)的進(jìn)一步推廣，山西省的水肥一體化技術(shù)和智能灌溉系統(tǒng)的研究取得了長足的進(jìn)步。這些項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，需要更加先進(jìn)的科學(xué)化、智能化和信息化的管理方式。近年來，山西省各縣都在大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚種植產(chǎn)業(yè)，水肥一體化技術(shù)和智能灌溉系統(tǒng)的推廣，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)增長。智能水肥一體化技術(shù)的普及和應(yīng)用對于我們來說非常重要。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)及研究內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

水肥一體化設(shè)備是一種集成了水肥供應(yīng)和管理功能的技術(shù)裝備。它通過控制水和肥料的供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對植物的精準(zhǔn)灌溉和營養(yǎng)管理，以提高農(nóng)作物的生長質(zhì)量和產(chǎn)量。

水肥一體化設(shè)備通常包括以下幾個(gè)主要組成部分：液肥供應(yīng)系統(tǒng)：包括液肥儲罐、肥料溶液配制裝置、肥料供給泵等。通過控制肥料溶液的配比和供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)對植物的營養(yǎng)供應(yīng)。水源供應(yīng)系統(tǒng)：包括水泵、水儲罐、水管等。通過控制水的供應(yīng)量和灌溉方式，實(shí)現(xiàn)對植物的灌溉管理?？刂葡到y(tǒng)：包括液肥供應(yīng)和水源供應(yīng)的控制器、傳感器等。通過監(jiān)測土壤濕度、植物營養(yǎng)狀況等參數(shù)，控制水肥供應(yīng)的時(shí)間、量和頻率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的水肥管理。監(jiān)測系統(tǒng)：包括土壤濕度傳感器、pH傳感器、EC（電導(dǎo)率）傳感器等。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤環(huán)境的參數(shù)，提供決策依據(jù)，調(diào)整水肥供應(yīng)的策略。

采用水肥一體化智能控制技術(shù)，可以有效地整合施肥、灌溉等多個(gè)環(huán)節(jié)，極大地提升水資源和肥料資源的使用效果。通過傳感器感知土壤的水分和養(yǎng)分情況，將這些數(shù)據(jù)傳輸給控制器。控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和作物的需求，計(jì)算出應(yīng)該供給的水和肥料的量，控制執(zhí)行器開啟或關(guān)閉相應(yīng)的閥門，將水肥溶液送入灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的水肥供給。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還可以減少浪費(fèi)和環(huán)境污染。因而，我們開始了一項(xiàng)針對水肥一體化的研究，以期望通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化灌溉系統(tǒng)，大幅提升水肥的使用率，讓農(nóng)民在家中就可以獲得更加精確的施肥和灌溉服務(wù)。

2.2 研究內(nèi)容

通過引入先進(jìn)的技術(shù)，我們推出了一種全面升級的水肥一體化裝備智能控制系統(tǒng)。使用定制的微型電動(dòng)閥和電遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)替代手動(dòng)球閥精準(zhǔn)控制水肥的流量，可以通過控制EC/PH平衡來實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整土壤肥力和養(yǎng)分含量。我們還提供了一種更先進(jìn)、更實(shí)惠、更安全、更可靠的混肥腔，可以更快速地將四種肥料和水分完美地融為一體。為了保證營養(yǎng)物質(zhì)的均勻混合，我們使用PLC技術(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，同時(shí)使得營養(yǎng)物質(zhì)的濃度保持在適當(dāng)?shù)姆秶Ｎ覀兊牟僮鹘缑娣浅Ｓ押?，可以提前調(diào)整灌溉和施肥的參數(shù)，同時(shí)也可以使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，以便更加精確地掌握土壤的狀況，從而更有效地進(jìn)行施肥灌溉。這樣，我們就可以實(shí)現(xiàn)智慧型、高效率的農(nóng)業(yè)管理。

3 關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵部件

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）通過改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)精確控制肥料配比，提高精度。

2）通過改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，具有故障與報(bào)警功能。

3）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對前端的環(huán)境信息和水肥信息進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)可以遠(yuǎn)程操作相關(guān)設(shè)備（圖1）。

圖1 水肥一體化裝備智能控制系統(tǒng)連接示意圖

3.2 關(guān)鍵部件

3.2.1 定制了微型電動(dòng)閥，結(jié)合電遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)，進(jìn)行肥料的輸送、計(jì)量和調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)控制水肥的流量。在水肥機(jī)上配置四套這樣的設(shè)備，可以將四種不同肥料按準(zhǔn)確比例輸入工藝流程中進(jìn)行混合。通過控制EC/PH平衡來實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整土壤肥力和養(yǎng)分含量。

3.2.2 混肥腔是一種無需任何運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備，能夠通過管道中固定混合單元體來改變液體在管道中的流動(dòng)情況，從而實(shí)現(xiàn)液體與肥料之間的均勻混合。在水肥機(jī)中的應(yīng)用，可以有效地防止肥料在液體中的不均勻沉淀，從而達(dá)到良好的混合效果。

3.2.3 物聯(lián)網(wǎng)的功能是指基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一切萬物的交互，完成物體與物體相互之間的信息交換和通訊。物聯(lián)網(wǎng)是把各類感應(yīng)器、數(shù)據(jù)處理器和無線網(wǎng)絡(luò)融入成一種有機(jī)系統(tǒng)，對目標(biāo)實(shí)施精確認(rèn)知、自控、數(shù)據(jù)分析與決定的智慧管理。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包括三層，分別是感覺層、傳播層和使用層。感覺層一般是使用布置在栽培園內(nèi)的感應(yīng)器精確了解周圍環(huán)境訊息、土地墑情訊息、農(nóng)作物訊息、電磁閥狀況等信息內(nèi)容，收集的各類統(tǒng)計(jì)信息匯總分析轉(zhuǎn)化為數(shù)值資訊，通過統(tǒng)計(jì)信息傳遞層發(fā)送給應(yīng)用管理層，經(jīng)由接收、儲存數(shù)據(jù)信息的解析，采用最優(yōu)化方案形成操作指令，控制指令經(jīng)過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回感知層，驅(qū)動(dòng)操作執(zhí)行裝置進(jìn)行控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取相應(yīng)的灌溉與施肥操作，確保精準(zhǔn)施肥，提高水肥利用率[4]。

3.3 水肥一體化裝備智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

1）通過使用土壤和空氣溫濕度傳感器來調(diào)節(jié)灌溉系統(tǒng)。

2）通過安裝PID閉環(huán)精準(zhǔn)自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，根據(jù)土壤氮磷鉀、EC、PH傳感器對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行精確的監(jiān)測[2]，并通過控制EC、ph等參數(shù)來調(diào)整施肥的總體量以及瞬間的補(bǔ)充量，從而達(dá)到對營養(yǎng)物質(zhì)的準(zhǔn)確吸收。

3）采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。實(shí)時(shí)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(wù)，實(shí)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[1]。

4）對多種故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并發(fā)出預(yù)警。它還提供了多種防御措施，包括：低液位保護(hù)功能；攪拌電機(jī)、注肥泵過載保護(hù)；低流量保護(hù)功能；過濾器堵塞保護(hù)[3]。

4 發(fā)展前景

水肥一體化智能控制設(shè)備是一種集水肥管理于一體的農(nóng)業(yè)設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)水肥的精確供給和管理。水肥一體化設(shè)備的發(fā)展前景非常廣闊，具有以下幾個(gè)方面的潛在優(yōu)勢和發(fā)展趨勢：

1）提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量：可以根據(jù)作物的需求和土壤狀況，精確調(diào)節(jié)水肥供應(yīng)，提供最佳的生長環(huán)境。通過合理的水肥管理，可以提高農(nóng)作物的養(yǎng)分利用率和生長效率，進(jìn)而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

2）節(jié)約資源和環(huán)保：設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)水肥的精確供給，避免過度施肥和浪費(fèi)水資源。通過智能監(jiān)測和控制系統(tǒng)，可以根據(jù)植物的需求和土壤狀況，精確計(jì)算和供給水肥，減少肥料和水的浪費(fèi)，降低環(huán)境污染和土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

3）自動(dòng)化和智能化：采用先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的操作。農(nóng)民可以通過手機(jī)、電腦等設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制設(shè)備的運(yùn)行，提高工作效率和管理水平。

4）數(shù)據(jù)化管理和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)：可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化管理，通過收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)民進(jìn)行決策和優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。結(jié)合其他智能農(nóng)業(yè)技術(shù)，如遠(yuǎn)程遙感和農(nóng)業(yè)機(jī)器人等，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可持續(xù)發(fā)展。

5）適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)模式：具有一定的靈活性和適應(yīng)性，可以適用于不同的農(nóng)業(yè)模式，如大田種植、溫室種植、蔬菜種植等。它可以根據(jù)不同作物和土壤的需求，靈活調(diào)整水肥供應(yīng)，滿足不同農(nóng)作物的生長需求。

綜上所述，水肥一體化設(shè)備具有廣闊的發(fā)展前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的推廣，相信水肥一體化設(shè)備將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

目前，水肥一體化裝備在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。它可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度、溫度、養(yǎng)分含量等參數(shù)，來精確計(jì)算和控制水肥的供應(yīng)量，避免過度施肥和浪費(fèi)水資源。這不僅可以提高農(nóng)作物的養(yǎng)分利用率，還可以減少環(huán)境污染和土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備的使用可以減輕農(nóng)民的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的人工施肥和澆水需要大量的人力和時(shí)間，而智能水肥一體化設(shè)備可以自動(dòng)完成這些工作，減少人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。農(nóng)民可以通過手機(jī)或電腦等設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制水肥一體化設(shè)備的運(yùn)行，提高工作效率。

盡管溫室大棚水肥一體化設(shè)備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有很大優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，設(shè)備的成本較高，需要專業(yè)的技術(shù)支持和維護(hù)；操作人員需要具備相關(guān)的技能和知識；設(shè)備的適應(yīng)性和穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提升。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，溫室大棚水肥一體化設(shè)備的使用現(xiàn)狀將繼續(xù)發(fā)展和完善。

總體而言，智能水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用正朝著更加可持續(xù)的方向發(fā)展，不僅可以顯著改善農(nóng)作物的收獲率與品質(zhì)，還可以大大降低水資源的消耗，保護(hù)我們的生態(tài)系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及，相信智能水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。