智能水肥一體化關鍵技術的研究

韓衛華

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030031）

我國是一個農業大國，現代農業的發展核心就是智能化農業裝備，配套相應的專業化、現代化農機設備。由于采用傳統種植模式，智能化技術在農業裝備的應用還不成熟，并且存在農業裝備成本過高、穩定性不夠高、智能性還需進一步提高等問題。因此，大力發展農業裝備的智能化是推動現代農業發展的關鍵因素。

隨著經濟的發展與人口的持續增長，中國的水資源日趨不足，水資源總量僅為世界的6%，部分種植區基本上還是采用傳統農業灌溉，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，是農業生產發展的必要條件。化肥不僅能提高土壤肥力，而且也是提高作物單位面積產量的關鍵因素，是作物增產高產的物質保證和基礎。傳統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，引起了一系列環境污染、資源浪費和影響農產品質量安全等問題，從而限制了農業的可持續發展[1]。隨著節水灌溉技術的發展，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，各縣都大力發展溫室大棚設施生產，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，造成產品產量低，影響農民種植積極性。溫室大棚機械化作業水平低，自動控制技術裝備水平偏低，工作環境差、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業和配方施肥方向發展。作物的需肥量和需水量必須依據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，達到節水節肥、省工省力、增產增收的效果。

智能水肥一體化技術，是將施肥系統與灌溉系統完美結合，提高水分利用率和肥料利用率。結合物聯網技術，通過對各種傳感器的數據分析，達到精確控制施肥量、水量及施肥時間的目的，實現電腦端和手機端的遠程自動化控制，從根本上改變傳統農業結構，大力促進生態環境保護和建設[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，發展前景十分廣闊。

1 研究內容

水肥一體化技術的迅猛發展和物聯網的廣泛使用，急需研發一套智能化程度高、使用性強、操作簡單的水肥控制系統。結合物聯網技術，信息化物聯網管理平臺，通過土壤信息、環境信息的采集，遠程監測控制，指導施肥灌溉作業，真正實現智能化、現代化農業管理。

在水肥一體化控制系統的研究基礎上，將物聯網技術融入到水肥一體化智能控制系統中，研發一種新型的智能精準配肥控制灌溉系統。該系統通過傳感器采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照條件等環境信息和水肥中的pH 值、EC 值，采用無線傳感網絡軟件上傳到物聯網云平臺，對數據加工、處理，自動施肥灌溉控制系統做出智能化決策，實現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圖見圖1。

智能水肥一體機的主要功能包括：①根據土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器控制灌溉系統；②根據土壤氮磷鉀、EC、pH 值傳感器控制施肥系統，實時監測調節注肥總量和瞬時注肥量；③各類故障實時監測和報警功能。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。實時監控環境信息和水肥信息，根據信息決策灌溉施肥任務，實現了對溫室內農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是指根據不同農作物的生長環境，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，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大體分為噴灌和微灌，其設備主要由首部樞紐系統、水肥一體機、管道系統和自動控制系統所組成。

2.1 首部樞紐系統

首部樞紐系統主要包括過濾系統、水泵、變頻控制柜、壓力和流量監測設備、施肥設備和自動化控制設備。首部樞紐是全系統的控制中心。

過濾系統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。井水優質水源灌溉，只需要配置離心加網式或離心加疊片過濾模式相結合。地表水過濾系統按經驗設計時，多數設計為砂石過濾加網式過濾，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業新技術。水肥一體化是利用管道灌溉系統，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。根據作物生長各個階段對水肥養分的需求進行設計，采用智能灌溉施肥技術，把水分和養分定量定時、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，實現水肥供應的自動管理和分配。系統根據用戶設定的空氣、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，通過數據庫管理系統的處理，控制一套適時適量比例肥注的水肥灌溉系統，自動完成施肥任務，實現對灌溉、施肥的定時、定量控制。因此，水肥一體機的應用，既能提高作物產量，又能節水節肥、省力省時，為實現現代化農業邁進了一步。

2.3 灌溉管路系統

管徑根據流量設置，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

通過自動采集作物環境氣候信息、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，結合當地作物的需水和灌溉輪灌情況制定自動開啟水泵、閥門，實現無人職守自動灌溉，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，結合物聯網遠程控制、土壤氣象墑情監測等技術，向著精準農業方向發展，融合信息化技術，建立一套完備的農作物智能服務體系，實現了對農作物生長環境的實時監控、水肥灌溉遠程控制、農業數據采集分析等功能，實現農作物全周期的標準化作業。

隨著信息化技術的普及，物聯網技術的發展給人類發展和社會經濟帶來了前所未有的機遇，我國物聯網技術領域的研究取得顯著的成果。目前，我國正在從傳統農業向現代化智慧農業轉型，我國物聯網技術在農業上的應用還處于研究起步階段，物聯網技術能夠大大提升農機的智能性。

物聯網的主要功能是基于互聯網的所有事物的互聯，實現物品與物品之間的信息交換和通訊。物聯網就是把各種傳感器、信息處理器和無線網絡融合成一個有機整體，對目標進行精準感知、自動控制、數據分析與決策的智能管理。物聯網的體系結構分為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的傳感器精準感知環境信息、土壤墑情信息、作物信息、電磁閥狀態等信息，采集的數據信息匯總分析轉換為數字信息，通過信息傳輸層傳輸給應用管理層，經過接受、存儲數據的分析，采用最優化方案形成操作指令，控制指令經過無線通訊網絡傳回感知層，驅動操作執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]。

農業物聯網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，對土壤環境氣候信息進行處理，為農作物成長的情況提供數據，實現智能化管理。基于精準農業，通過傳感器精準采集影響植物生長的水、肥、氣、熱、光等環境信息，并結合植物生理生長信息的實時監測，傳感器采集的數據通過節點，以無線形式傳輸到監測站主機，監測站主機將監測結果發送到數據中心，以便用戶遠程監控，為用戶提供高效、經濟、方便的溫室農業環境數據采集途徑[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、農業自動化和信息化進程的不斷深入。依據農作物需水需肥規律及當地灌溉量，確定灌水次數、灌水時期、一次灌水時間、定額和整個生育期的灌溉總量。根據農作物的需肥規律、地塊的肥力水平及目標產量確定總施肥量、氮磷鉀養分的比例及基肥與追肥的比例，設計科學的灌溉、施肥方案。依照所需設定輸入參數包括過濾時間、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，通過的采集的數據進行處理分析，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，進而實現智能的施肥和灌溉[10-12]。根據農作物生長的營養需要、土壤濕度等信息，實現水肥均勻化攪拌，同時精準地實現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生，較大程度上降低了人力成本。

物聯網技術在水肥一體機的實現，有利于對溫室內農作物的定時、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，物聯網技術的支持使得現代農業向精細化、智能化方向發展。

4 結語

將物聯網技術融入到水肥一體化智能灌溉系統中，設計出一種新型的水肥一體化智能灌溉系統，大大提升了灌溉系統的智能性、可靠性和經濟性。智能水肥一體機全面提升農田水分生產效率和化肥利用率，對發展現代節水型農業、轉變農業發展方式、促進農業可持續發展起到重要作用。

水肥一體化智能灌溉系統涉及物聯網技術和水肥一體化技術，而國內的水肥一體化智能灌溉系統目前處于快速發展階段，尚未成熟。國內現有的物聯網技術在農業系統還都處于完善階段，服務形式還比較簡單，技術上還缺少多參數傳感器融合技術的應用。因此，需要大力推進物聯網在農業領域的研究，促進我國設施農業的智能化發展。

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。通過系統推薦的施肥方案優化氮、磷、鉀配肥比。在將物聯網技術運用到水肥一體化智能灌溉系統的基礎上不斷深入，并將農業數字化管理技術與現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的智能化。同時，將智能設施、智能裝備、智能系統、種植需求相結合，以期提高水肥利用率、提高農作物產量、減少環境污染、提高農業現代化設施科技含量。