水肥一體化智慧系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)研究

倪 紅

（武城縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 德州 253000）

二十一世紀(jì)以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們的衣食住用行無一不與之相關(guān)，同時(shí)推動通信技術(shù)、人工智能等新型科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。從日常生活到生產(chǎn)發(fā)展都與“智慧”聯(lián)系到一起，而作為在我國最早出現(xiàn)的生產(chǎn)方式，農(nóng)業(yè)發(fā)展一直以來備受關(guān)注。2016年黨的《“十三五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等政策綱領(lǐng)性文件明確指出“信息化成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點(diǎn)”，加快農(nóng)業(yè)、農(nóng)村信息化的發(fā)展，培育和建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)[1]。當(dāng)前，如何結(jié)合數(shù)字信息技術(shù)已成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和質(zhì)量提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)作物種植過程中水肥一體化智慧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對推動我國智慧新農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 水肥一體化智慧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述

1.1 相關(guān)概念的理解

（1）水肥一體化技術(shù)是集灌溉和施肥為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。為解決農(nóng)田作物種植過程耗費(fèi)大量人力物力的問題，利用新科技手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)。水肥一體化系統(tǒng)是根據(jù)壓力系統(tǒng)（或地形自然落差），將可溶性固體或液體肥料根據(jù)土壤養(yǎng)分含量和作物種類所需肥料的規(guī)則和特征，對肥料和灌溉水進(jìn)行組合[2]。

（2）對肥料和灌溉水的控制是依靠管道系統(tǒng)。為解決農(nóng)田灌溉過程因水量或者化肥量失衡導(dǎo)致作物減產(chǎn)的問題，水肥一體化智慧系統(tǒng)通過可控制的管道系統(tǒng)供給水，使肥料融合之后再次通過管道和滴頭進(jìn)行滴灌，實(shí)現(xiàn)均勻、定時(shí)和定量地滋潤作物。

（3）水肥一體化智慧系統(tǒng)可調(diào)控最佳水肥比例。培育生長區(qū)，始終疏松主要根系土壤，保持適當(dāng)?shù)暮浚⒏鶕?jù)不同作物所需肥料的特點(diǎn)、土壤環(huán)境和養(yǎng)分的含量情況，給予作物在成長期所需要的水和肥料。系統(tǒng)按生長期進(jìn)行需求設(shè)計(jì)，以水肥最佳比例直接供給作物。

1.2 農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

（1）農(nóng)田水肥一體化缺乏具體的、專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。社會在不斷地發(fā)展，世界科學(xué)技術(shù)水平也在不斷地進(jìn)步，與高科技技術(shù)水平相適應(yīng)的新農(nóng)業(yè)也應(yīng)該不斷更新。但是就目前而言，我國的農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)并沒有一套完善、具體的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)不同性質(zhì)的農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)所應(yīng)用的農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)所包含內(nèi)容也不盡相同，所以應(yīng)用范圍及標(biāo)準(zhǔn)也都有所不同，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，直接影響到農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)生的質(zhì)量效果。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用范圍受限，管理人員缺乏專業(yè)素質(zhì)。由于農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間短，具備專業(yè)資質(zhì)的維護(hù)人員更是少之又少，有很多管理人員都是沒有經(jīng)過系統(tǒng)的培訓(xùn)就上崗的[3]。有一些農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用之初就缺乏專業(yè)人才，后續(xù)針對農(nóng)田水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用及維護(hù)的相關(guān)人員進(jìn)行的培訓(xùn)、考核更加無法達(dá)到要求。管理人員對智能化環(huán)境不了解、對水肥一體化系統(tǒng)不熟悉都會導(dǎo)致應(yīng)用效果下降，有的甚至導(dǎo)致系統(tǒng)對肥料和灌溉水的控制失準(zhǔn)、失效，最終造成水肥一體化系統(tǒng)應(yīng)用水平偏低，使用者心里也缺乏公信力。

1.3 水肥一體化智慧系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）施肥效果快，養(yǎng)分利用率高。通過應(yīng)用水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。應(yīng)用管道閥門系統(tǒng)緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。

（2）通過水肥一體化技術(shù)，肥料的利用率大幅提高。傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)是依據(jù)全國范圍內(nèi)的農(nóng)作物進(jìn)行配比水肥比例進(jìn)行灌溉的。而水肥一體化智慧系統(tǒng)中的水肥比例是依據(jù)大數(shù)據(jù)智能算法最終得出，這樣一來可以更好地實(shí)現(xiàn)智能化配比灌溉水分和肥料，提升作物產(chǎn)量的同時(shí)避免肥料的過度浪費(fèi)。

（3）水肥一體化技術(shù)通過人為定量控制，滿足了作物在關(guān)鍵生長期間“吃飽喝足”的需要，根除了所有缺乏癥，在生產(chǎn)中可以達(dá)到作物產(chǎn)量和質(zhì)量良好的目標(biāo)。同時(shí)大幅度節(jié)水，設(shè)施灌溉比傳統(tǒng)方式節(jié)水多50%，其中點(diǎn)滴灌溉最省水。

2 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)評估

2.1 相關(guān)技術(shù)支持的研究

在如今這樣一個(gè)“信息爆炸的時(shí)代”，每天僅一個(gè)人獲取到的信息就不計(jì)其數(shù)，但是這些毫無規(guī)律的信息是怎樣進(jìn)行分類最后傳遞到每一個(gè)人的呢？首先，面對海量信息資源依靠人力進(jìn)行分類處理是很難實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)就需要一個(gè)龐大的電子信息系統(tǒng)來提供幫助。在科學(xué)技術(shù)水平高速發(fā)展的今天，始終走在科技發(fā)展前列的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是電子信息系統(tǒng)的重要技術(shù)支持[4]。正是由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動作用，電子信息技術(shù)迭代更替，取得迅猛發(fā)展。電子信息系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，也為其帶來了技術(shù)水平的不斷更新。所以，在農(nóng)田水肥一體化智慧系統(tǒng)中少不了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。

2.2 本地環(huán)境監(jiān)控

在農(nóng)田管理系統(tǒng)的操作畫面上，顯示系統(tǒng)構(gòu)成圖、作物栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運(yùn)行信息等。同時(shí)通過添加農(nóng)田種植參考資料，用于指導(dǎo)農(nóng)田水肥一體化智慧系統(tǒng)的監(jiān)控指標(biāo)。設(shè)置定期更新數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)用最新的農(nóng)業(yè)科技研究進(jìn)展來保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，記錄當(dāng)日各個(gè)時(shí)段的灌溉量、施肥的狀況等。設(shè)置現(xiàn)場警報(bào)，在發(fā)生故障和緊急情況時(shí)，會自動發(fā)出警報(bào)，并將警報(bào)信息發(fā)送給相關(guān)管理人員的手機(jī)。嚴(yán)重警報(bào)通過電話通知，防止了故障和事故擴(kuò)大造成的經(jīng)濟(jì)損失。此外，系統(tǒng)還會記錄所有發(fā)布的警報(bào)信息，管理者收到報(bào)警信息后，如果不能及時(shí)在現(xiàn)場處理，后期可以通過手機(jī)警報(bào)記錄找負(fù)責(zé)人詢問責(zé)任。

2.3 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控

農(nóng)田水肥一體化智慧系統(tǒng)的監(jiān)視管理是支持遠(yuǎn)程功能的，主要包括：遠(yuǎn)程監(jiān)視器、遠(yuǎn)程設(shè)備的診斷和維護(hù)、使用手機(jī)訪問遠(yuǎn)程智能監(jiān)控管理模塊、使用平板電腦訪問遠(yuǎn)程智能監(jiān)控管理模塊四個(gè)部分。管理者手持手機(jī)、平板電腦等移動設(shè)備接入遠(yuǎn)程智能監(jiān)控管理模塊[5]。自動提交數(shù)據(jù)包括栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運(yùn)行信息。通過應(yīng)用水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。應(yīng)用管道閥門系統(tǒng)緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。同時(shí)設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)手機(jī)或平板電腦連接到園區(qū)網(wǎng)絡(luò)后，才可以查詢水肥一體化管理系統(tǒng)的操作記錄，顯示系統(tǒng)構(gòu)成圖，顯示各灌溉區(qū)施肥灌溉運(yùn)行信息。防止信息泄露，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供安全保障。水肥一體化技術(shù)依照相關(guān)農(nóng)田種植參考資料，用于指導(dǎo)農(nóng)田水肥一體化智能系統(tǒng)的監(jiān)控指標(biāo)。人為定量控制，滿足了作物在生長關(guān)鍵期的需要，在生產(chǎn)中可以達(dá)到作物產(chǎn)量和質(zhì)量良好的目標(biāo)。

3 水肥一體化智慧系統(tǒng)

3.1 水肥一體化智慧系統(tǒng)的構(gòu)成

目前水肥一體化智慧系統(tǒng)的組成主要是基于物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，經(jīng)過科學(xué)技術(shù)的迭代升級演變產(chǎn)生的。如圖1所示，其中主要由給水、施肥、管道設(shè)備和智能控制系統(tǒng)、傳感器和感知采集系統(tǒng)、無線和有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、應(yīng)用層服務(wù)系統(tǒng)四個(gè)模塊組成的。四大模塊依托相應(yīng)的部件如壓力泵、水泵、施肥泵、管道和電磁閥等智能控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸以及發(fā)出指令，如土壤溫濕度等數(shù)據(jù)的存儲和處理及發(fā)送指令至控制器進(jìn)行施肥灌溉管理[6]。

圖1 水肥一體化智慧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 智慧系統(tǒng)中各部分的功能研究

（1）關(guān)于水肥一體化智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取部分，依靠傳感器感知和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發(fā)性的損失。通過分析銨狀態(tài)和尿素狀態(tài)數(shù)據(jù)智能控制氮肥，這樣一來既可以減少地表揮發(fā)性的損失，也可以節(jié)約氮肥實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。

（2）通過水肥一體化智慧系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)肥料的利用率大幅提高。傳統(tǒng)水灌溉、施肥系統(tǒng)缺乏及時(shí)有效地判斷，無法實(shí)現(xiàn)肥料的最大利用率，水肥一體化智慧系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)施肥節(jié)省50%到70%的肥料。以山東省德州市武城縣農(nóng)業(yè)發(fā)展為例，如果應(yīng)用符合北方農(nóng)田實(shí)際的水肥一體化智慧系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)小麥、玉米、棉花等北方常見的農(nóng)業(yè)作物的種植過程更加智能，應(yīng)用水肥一體化智慧系統(tǒng)讓農(nóng)業(yè)農(nóng)村走向更加智能化的道路。

（3）通過動態(tài)控制指令，滿足作物在關(guān)鍵生長期間的養(yǎng)分需要。依據(jù)作物生長特點(diǎn)設(shè)置程序，如小麥、玉米、棉花等北方常見的農(nóng)業(yè)作物易出現(xiàn)水肥缺乏癥，依靠程序指令定量定時(shí)進(jìn)行，可以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和質(zhì)量良好的目標(biāo)。水肥自動灌溉系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)不同作物或果樹的種類確定最佳的土壤含水量范圍，假設(shè)某一作物的最佳土壤含水量范圍為15%～20%，含水量變量為X，土壤傳感器標(biāo)號為I，灌溉時(shí)間為D[7]。水肥自動灌溉程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，當(dāng)用戶在農(nóng)田管理系統(tǒng)的操作畫面上，顯示系統(tǒng)構(gòu)成圖、作物栽培環(huán)境、氣象信息、土壤環(huán)境信息以及各灌溉區(qū)施肥灌溉運(yùn)行信息。

圖2 水肥自動灌溉程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 水肥一體化智慧系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的重要意義

水肥一體化智慧系統(tǒng)提升農(nóng)業(yè)智能化水平。現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)種類繁多，農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)陷入無法依靠天然農(nóng)作物生存的惡性處境，更無力支撐自身發(fā)展。同時(shí)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)施老化嚴(yán)重，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前科技提升、社會進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的具體情況。然而對于水肥一體化智慧系統(tǒng)來說，更容易提升技術(shù)更新?lián)Q代速率。互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)背景下出現(xiàn)的行業(yè)特征，如技術(shù)進(jìn)步快、產(chǎn)品生命周期短、升級頻繁等特點(diǎn)。由于傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉、施肥技術(shù)存在弊端，而產(chǎn)品結(jié)合市場必須要經(jīng)常出現(xiàn)新變化。水肥一體化智慧系統(tǒng)更能夠準(zhǔn)確把握技術(shù)和行業(yè)發(fā)展趨勢，持續(xù)創(chuàng)新，不斷推出新系統(tǒng)和新項(xiàng)目，以滿足現(xiàn)實(shí)需求，這給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來一定的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

4 結(jié)束語

水肥一體化智慧系統(tǒng)的應(yīng)用，給具體負(fù)責(zé)監(jiān)測管理職能崗位帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。相關(guān)機(jī)構(gòu)實(shí)施監(jiān)管能力，杜絕不愿管、不會管的情況。在市、縣、局農(nóng)業(yè)職能部門能夠發(fā)揮有效監(jiān)管的作用下，對未來水肥一體化智慧系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有重要意義。