水肥一體化技術及智能澆灌設備＊

慕嘉偉，黃炳霖，徐夢穎，楊瑞，查志華

水肥一體化技術及智能澆灌設備＊

慕嘉偉，黃炳霖，徐夢穎，楊瑞，查志華

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

水肥一體化技術依靠澆灌工具的動力，把摻有肥料的水運輸至植物的根系處，這種技術可以提高水資源和肥料的利用程度，并均勻施撒肥料，相比于傳統農業灌溉施肥的方式造成的土壤環境污染程度低。對于各種農作物的肥料需求特點和所處土壤墑度，將摻有肥料的灌溉用水經由澆灌設備，把均勻混合的液體運輸至農作物的根系土壤處，使水肥的利用率最大化。

水肥一體化；農業生產；精準施肥；勞動力

近20年來，中國的科技、經濟水平有了較大的提高，工業和服務業發展迅速，大量勞動人口流向這些產業，導致農村勞動力缺失，使用不成熟的機械化生產使得農業生產成本提高，農業生產水平發展變慢。對于這個亟待解決的問題，研發提高農業生產效率、減少勞動力投入的新興技術就顯得尤為重要。

1 水肥一體化設備工作機理及組成

智能水肥一體化設備由光能和農業電網控制互補模塊、水肥比例控制模塊和智能澆灌控制模塊構成[1]。智能水肥一體化澆灌設備由水源、水泵裝置、管網、噴頭及智能控制設備構成。此設備的工作原理：當光伏發電供電的節水控制濕度傳感器感知到當前土壤環境的濕度低于適宜植物生長的閾值時，光伏發電智能灌溉設備即啟動，為植物供水[2]。當光伏發電供能不足時，水泵的功率會下降，管網中的水壓傳感器將感知到水壓下降，降低到設置的最小水壓時，澆灌設備由電網控制互補模塊接入農業電網，啟動水泵，保證設備供水[3]。在澆灌時，控制設備的傳感器感知土壤墑度，隨時調整水肥濃度，達到智能水肥一體化澆灌的目的。在土壤環境濕度達到適宜農作物生長的區間時，噴頭處的閥門將閉合，同時控制設備關閉水泵。設備的設計原則如下。

1.1 基于農作物生長條件和土壤墑度

此設備的設計包含水源、水泵、供能系統、管網和噴頭。由傳感器感知土壤度參數并依據農作物適宜生長所需的水肥濃度，調整澆灌設備參數[4]。此智能澆灌設備能夠精確控制水肥比例，并依據不同植物的生長需求隨時改變設置。

1.2 經濟實用

相比于由外國進口的智能澆灌設備，本文設計的智能澆灌設備具有操作簡便、安裝維修便捷的特點，并滿足中國溫室種植農業大棚的結構特點，提高了設備的普適性，使用國產元件的制造成本降低。

2 水肥一體化設備

本文根據當前國內外小型移動智能澆灌設備的設計原理，在光能澆灌設備的基礎上設計了新型的智能水肥一體化澆灌設備。此澆灌設備能在光能供電澆灌設備存在的情況下進行擴展，達到同時節約電能、水資源和肥料的目的。此澆灌設備既符合中國小型溫室農業種植大棚的特點，又能提高節水澆灌技術的推廣速度，是能夠實現多種澆灌方式的通用澆灌設備。

對于目前的光能供電灌溉設備的缺點，提出了光能發電與農業電網互補供電的方法。設計了智能水肥一體澆灌設備的構成，并依據不同的的地理條件設計了一種光能發電和農業電網互補供電的智能澆灌平臺，在保證光能發電充分利用的情況下，保證了澆灌設備在光能發電不足的情況下正常工作[5]。創新和改進之處：對于光能供電智能澆灌設備供能不穩定的情況，提出了設計光能發電與農業電網智能切換的給水澆灌設備的想法，解決普通光能供電澆灌設備因光照改變而導致的不能持續工作的問題。

3 智能澆灌設備組成

本文提出的智能水肥一體化澆灌設備，能夠滿足水肥比例精確配置和智能澆灌的需求。由于此設備受實地條件的影響，澆灌設備依舊有能夠改進和提升的部分，包含以下幾部分：①此澆灌設備使用的配肥裝置能夠實現精準配置水肥比例的目的，但消耗的能源較多。接下來要使用實驗得到的數據，設計水肥比例配置更完善設備。②外國進口的澆灌設備普遍操作復雜，為了避免這個問題，要設計出交互友好、操作簡潔、功能豐富的操作界面，來滿足不同地理條件和農作物澆灌需求。③此澆灌設備能夠滿足智能澆灌的需求，但僅有控制系統做出智能決策，在出現超出控制系統決策能力的情況時，無法進行負反饋調節，可能導致損失的產生。因此，在接下來的設計中，除了增加無線通信模塊外，還要增加遠程手動關閉系統的方式。

4 存在的問題

綜上所述，從外國進口的智能澆灌設備運輸成本高、操作本土化程度低、安裝維修復雜，且需要專業的技術人員，導致購置價格較高。國內的溫室農業種植規模與外國相比有較大差異，不符合中國農業生產特點，進口設備不能得到充分利用，造成了設備資源的浪費，引進的國外智能灌溉系統系統精密、設備昂貴、操作模式復雜。在進行設備的維護保養時，需要花費大量的時間，影響澆灌工作的進行。但中國的智能澆灌設備普遍設計不夠精密，關鍵器件的規格不夠全面、普適性差、設備的傳感器的精度較低、水肥施用量難以控制，無法達到水肥濃度精確配置和智能控制的目的。市場上很多的澆灌設備都是利用液肥與水混合，經由澆灌管道網絡運輸至植物根系處，導致施撒肥不夠均勻，且難以精準把握肥料的濃度[6-7]。國內的智能灌溉設備也采用變頻調速技術和文丘里管，但是目前系統的濃度波動、性能不完善[8-9]。當前中國很多智能澆灌設備均處于實驗提出階段，未能推廣到廣大農民的手中[10]。研發水肥一體化精準配比技術、生產制造符合中國農業生產特點和滿足農民勞動生產需要的小型移動智能澆灌設備對當代中國農業發展有巨大的意義。

5 總結

目前，中國進口的外國智能澆灌設備設計復雜且耗資巨大，使用方法復雜。國內的溫室種植大棚相比于國外規模要小，設備的設計不符合中國的農業生產方式，導致購置的設備不能充分利用。中國的智能澆灌系統普遍結構簡單，流體壓差測量裝置規格不夠全面，普適性不足，設備的環境數據測量精確度較低，每株植物得到的水肥量差別較大，難以達到按需施肥的智能分配效果。市場上很多的澆灌設備是都是利用液肥和水混合，經由澆灌管道網絡運輸至植物根系處，導致施撒肥不夠均勻，且難以精準把握肥料的濃度。由此可見，研發水肥一體化的精準配置技術并研發符合中國農業生產特點和市場消費需要的小型移動精準灌溉系統，對中國當代農業的進步具有巨大的意義。

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S224.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.041

2095－6835（2019）17－0091－02

慕嘉偉（1998—），男，河南焦作人，本科，研究方向為電子信息工程。

查志華（1978—），女，江蘇漣水人，研究生，研究方向為電子信息工程。

國家自然科學基金項目（編號：61662063）；促進與美大地區科研合作與高層次人才培養項目“基于智能優化控制的滴灌施肥技術研究”；石河子大學混合式教學改革專項（編號：BL2017032）；石河子大學研究生教育教學改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

〔編輯：張思楠〕