綠色高效水肥氣灌溉系統研發與應用

謝佩軍 張育斌

摘? ?要? 水肥氣融合灌溉技術是供氧技術、施肥技術和灌溉技術相結合的一項新技術。通過多學科的交叉，融合控制技術、人工智能技術、機器視覺技術、信息技術與節水灌溉技術，開發出綠色高效水肥氣灌溉系統。簡介該系統的研發與應用，主要包括水肥氣融合模型機理、灌溉控制技術、微納米氣泡發生裝置、基于機器視覺的作物營養監測系統設計等，以及水肥氣集成技術研究及示范應用。

關鍵詞? ?水肥氣一體化;灌溉控制技術;作物營養監測;微納米氣泡

中圖分類號：S725? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.020

當前，隨著農業節水理論的研究不斷深入和相關技術水平的逐漸提高，農業節水技術正日益向信息化、精準化發展，以滿足現代農業對灌溉系統的靈活、準確、快捷等要求。水肥氣融合灌溉技術是供氧技術、施肥技術和灌溉技術相結合的一項新技術，按照作物生長各個階段對養分的需求及氣候條件等精準補充水肥氣，不僅能夠顯著提高作物的水肥利用效率，還可為土壤提供充足的有效氧，促進作物的生長發育，實現作物的增產提質。水肥氣混合智能控制技術能夠根據作物生長各個階段對養分的需求和氣候條件等，自動調節灌溉水中營養物質的濃度和數量，大幅度提高化肥利用率，提高作物的產量和品質，減輕肥料對環境的污染，同時還可以大幅節省時間，減少運輸、勞動力及燃料等成本。

1 國內外研究現狀

水肥氣一體化灌溉技術的發展有力促進了現代農業的發展，相較于傳統灌溉方式，水肥氣融合灌溉系統能夠提高水肥利用效率，增產提質，同時也為從根源上緩解農業面源污染提供一種新途徑。

1.1 國外研究現狀

灌溉施肥技術自20世紀60年代在西方國家開始得到重視與快速發展，以色列、澳大利亞、加拿大、意大利、美國等國對水肥氣灌溉技術進行了大量研究及推廣應用，取得了巨大的經濟效益和社會效益。

21世紀初，美國研發出一種新型節水節能灌溉技術（AUDI技術），通過直接向植物根系輸氧的措施來實現根域氣體環境的優化，提高作物產量[1]。美國林賽公司設計出一種新型灌溉設備——林賽（lindsay）多功能噴灌機，與其他灌溉形式相比，其具有操作簡單、灌溉均勻、節水節能等優勢[2]。

以色列Netafim公司生產的耐特佳（Netajet）自動灌溉系統采用NMC-64控制器，擁有基于灌水量控制或時間控制的10個灌溉程序，可以根據總施肥量、時間、肥料的比例和EC值或pH值進行施肥作業，還擁有過濾器反沖洗裝置[3]。

意大利的伊瑞泰（IRRITEC）施肥系統從初級到高級共5種，系列設備能夠實時調整施肥比例，可以按體積施肥，也可通過控制吸入流量施肥[4]。

愛爾達-祥利（Eldar-Shany）自控技術公司生產的大型農田灌溉計算機控制系統（Elgal Agro）是目前農業計算機控制領域先進的控制系統。公司還生產了肥滴佳（Fertigal）、肥滴杰（FertJet）、肥滴美（Fertmix）等一系列自動灌溉施肥機。

1.2 國內研究現狀

我國對水肥氣智能灌溉技術的研究起步較晚，但水肥灌溉技術發展和推廣較快，市場前景良好。隨著國家對農業的逐步重視，國內相關研究機構的專家學者針對水肥氣智能灌溉技術開展了大量研究，也取得了諸多成果。

黃蔚等通過增氧灌溉技術對水稻、黃瓜等作物的栽培試驗，證明水、肥、氣耦合灌溉能促進作物根系生長和提高根系活力，使其能最大限度地從土壤中吸收水分和養分，作物增產效果明顯，但沒有建立可供推廣的預測模型[5]。李元等研究了加氣頻率和滴灌帶埋深等對甜瓜產量、品質及水分利用效率的影響，不同加氣頻率、地下滴灌帶埋深及灌水控制上限對大棚甜瓜果實形態、產量、品質及灌溉水分利用效率的影響[6]。張育斌等提出在灌溉決策中考慮非充分灌溉因素，運用Jensen乘法模型建立“灌水收益”的數學模型，進行了非充分優化灌溉下的決策系統設計[7]。張育斌等設計了基于PID控制、模糊控制和灰色預測控制相結合的控制算法，能有效預測作物的需水量，達到對系統的精確灌溉控制[8]。

綜合分析國內外水肥灌溉技術領域的相關文獻，水肥耦合及智能控制灌溉研究較多，但基于水肥氣集成的多信息融合采集系統、灌溉決策系統的自學習智能系統的研究很少，尤其是可供參考、有推廣價值的水肥氣預測模型的研究較少。總體上，針對作物營養需求的灌溉技術有一定研究，但基于視覺技術的作物生長及營養狀況的實時監測與信息反饋研究較少;水肥控制灌溉研究較多，但缺少水肥氣多信息融合采集系統、灌溉決策系統、信息實時傳輸系統、遠程控制中心系統的聯動作用，在線自動化程度還有待提高。

2 高效水肥氣灌溉系統設計

本系統以提高農田需水、需肥、需氣等信息診斷與控制灌溉的智能化水平為設計目標，通過多學科的交叉，融合控制技術、人工智能技術、機器視覺技術、信息技術與節水灌溉技術，開發智能水肥氣灌溉系統，并應用于現代農業領域。

2.1 水肥氣融合模型機理

通過對水肥氣融合中EC值、pH值、離子電解值的非線性、時變性進行分析，深入研究水肥氣融合機理，便于后續建立精準、高效的水肥氣預測模型。

考慮到水肥氣一體化系統是多變量多輸出的系統，具有r個輸入、m個輸出的模型。建模思想：1）建立水肥氣多變量單輸出的系統模型;2）定義水肥氣集成裝置中各個物理量;3）利用多變量單輸出系統模型建立辨識模型;4）利用遞階辨識原理，提出基于輔助模型的辨識算法，分析水肥氣集成裝置的施肥量。

2.2 灌溉控制技術

根據不同灌溉方式的技術特點，研究灰色系統理論和控制理論相結合的灰色預測控制技術和模糊邏輯控制技術，開發出系列化綠色高效專用灌溉控制設備。

2.2.1 灰色預測模糊PID控制技術

灰色預測控制是將控制理論與灰色系統理論相結合的一種新型控制方法，適用于在部分數據不確定的情況下，進行數據處理、現象分析、模型建立、系統決策等。水肥氣灌溉系統本身是一個實時的、大延時的、非線性的，有不確定因素的復雜系統，系統的滯后性和慣性很大，精確傳遞函數很難確定，屬典型灰色系統。本項目擬將灰色預測控制技術與模糊邏輯控制及PID控制技術結合起來建立灰色預測模糊PID控制器，實現水肥氣智能控制。

2.2.2 在線自調整PID模糊控制技術

在線自調整PID模糊控制器以誤差e（k）和誤差變化率ec（k）作為輸入量。根據模糊推理規則對PID的參數Δkp， Δki， ……進行調整，將上述模糊值轉換為明確的控制信號，去模糊化作為系統的輸入量輸入到模糊控制器。

在模糊控制器中按照如下規則進行控制：

（1）

式（1）中，Kp為比例系數;Ki為積分系數;Kd為微分系數;T為采樣周期;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;e（k）、ec（k）分別為誤差、誤差變化率。

2.3 微納米氣泡發生裝置

對微納米氣泡的基本物理性質進行研究，主要包括物理狀態、界面性質及傳質性質三類，并設計微納米氣泡發生裝置。

2.3.1 選擇合適的水泵

微納米氧氣氣泡發生裝置首先通過水泵增壓，使空氣溶解在水中，繼而通過節流釋氣方式使溶解在水中的空氣以微納米氧氣泡的形式釋放，因此，應選擇合適的水泵使空氣溶解在水中。

2.3.2 微納米氧氣發生裝置設計

考慮到現有的溶氣釋氣法發生裝置均需要大型壓氣罐和釋氣罐作為溶氣裝置，整個設備體積龐大，并且在工作時需要先將空氣與水混合，送入壓氣罐溶解，再通過釋氣罐釋氣產生微細氣泡，整個工作不連續，降低了微納米氧氣泡的產生效率。本研究對微納米技術的氣體發生裝置的設計工作如下：1）提出潛水式節流孔釋氣微納米氧氣泡發生裝置的設計方案;2）實現微納米氧氣泡發生裝置的機械結構設計、控制電路的設計;3）在水池內進行微納米氧氣泡發生裝置的實驗，并對所得微納米氧氣泡混合液進行懸浮時間、含量和微氣泡尺寸分布等參數測試。本研究的微納米氧氣發生裝置設計詳見圖1。

2.4 基于機器視覺的作物營養監測系統

研究農作物復合特征與水肥氣的關系，建立顏色特征、幾何特征、紋理特征等與水肥氣用量之間的關系模型，實現對作物營養狀況的實時監測，并將相關信息反饋到控制系統。

采用機器視覺相關技術采集高質量的作物圖像，進行一系列圖像處理，提取顏色特征、幾何特征、紋理特征等關鍵信息，以實現作物營養狀況的判斷與監測。采集的圖像信息多數是多特征、非線性的數據集，特征提取就是用圖像算法來提取出圖像的信息，將圖像上的各個點歸類，歸為一組特征子集，這些子集往往具有連續的區域或某些相似性。為了提高圖像識別的準確率，通常會對多個特征進行重新組合來對圖像進行識別。本系統提取顏色、形狀和紋理特征進行綜合判斷。

3 水肥氣集成技術研究及示范應用

將信息技術、機器視覺技術和控制技術等應用于農業灌溉溫室控制中，實現了遠程控制水肥氣灌溉，實時監控作物的生長狀況，同時在寧波市農業科學研究院示范基地開展系列化水肥氣灌溉設備示范應用研究。

基于水肥氣集成的智能專家庫系統，其關鍵技術包括知識的獲取、知識表示、知識推理和知識重用，通過知識的繼承、歸納、集成、運用和管理，建立各種異構知識系統和多種描述形式知識集成的開放設計環境，提高了創新能力。

根據不同地域、場合和作物使用條件，本研究設計并試制出模塊化的高中低檔水肥氣裝置，可隨時方便地集成到精量施肥灌溉控制系統中。智能水肥氣控制設備能科學調節灌溉水中營養物質的濃度和數量，有效提高作物的產量和質量，還能大幅提高化肥和農藥的有效利用率，減少對農田生態環境的污染，進一步推進區域農業信息化發展。

參考文獻：

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[6] 李元，牛文全，許健，等.加氣滴灌提高大棚甜瓜品質及灌溉水分利用效率[J].農業工程學報，2016，32（1）：147-154.

[7] 張育斌，魏正英，張磊，等.非充分灌溉下精量灌溉決策方法研究[J].現代電子技術，2017，40（1）：115-118，124.

[8] 張育斌，魏正英，馬勝利，等.灰色預測模糊PID灌溉控制技術開發[J].中國農村水利水電，2016（2）：5-8.

（責任編輯：易? 婧）