微灌水肥作業(yè)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)研究

蔡振華，莊 重，靳 晨，崔 康

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)是我國用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的65%左右。我國灌溉水的利用系數(shù)僅為0.55左右，水生產(chǎn)率1.2 kg/m3。國內(nèi)化肥總利用率約35%，對(duì)比發(fā)達(dá)國家50%～60%的水平，仍有較大差距，化肥的過量施用引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化和污染等問題不容忽視[1-2]。

目前，我國農(nóng)村人口老齡化日趨加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的人工灌溉、施肥模式，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，而且資源利用率低、浪費(fèi)嚴(yán)重，已不能協(xié)調(diào)水、肥、藥、農(nóng)藝一體化綜合控制的要求，迫切需要水肥作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在現(xiàn)有灌溉裝備的基礎(chǔ)上，集成信息技術(shù)、GPS定位、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等技術(shù)，大力發(fā)展智能水肥一體化精準(zhǔn)灌溉，提高水肥利用率，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路[3]。

本文針對(duì)東北地區(qū)玉米微灌水肥一體化技術(shù)應(yīng)用中灌溉施肥精量決策不夠科學(xué)、土壤養(yǎng)分信息實(shí)效感知困難等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究水肥作業(yè)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，緩解我國大田作物高耗水、高施肥的現(xiàn)狀[4]。該系統(tǒng)主要包括田間信息采集、施肥決策和智能控制施肥3個(gè)模塊。

1 田間信息采集

采用全功能土壤傳感器采集土壤溫度、濕度和氮磷鉀肥等信息數(shù)據(jù)，其中，氮肥信息采用無人機(jī)低空遙感判斷和多源信息耦合處理技術(shù)。全功能土壤傳感器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 全功能土壤傳感器主要技術(shù)參數(shù)

為了復(fù)核傳感器的準(zhǔn)確性，對(duì)同一肥液和土壤養(yǎng)分，分別用全功能土壤傳感器和實(shí)驗(yàn)室方法(氮肥采用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液方法、磷肥采用紫外線標(biāo)準(zhǔn)曲線方法、鉀肥采用ICP-MS法)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 全功能土壤傳感器與試驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知，pH值結(jié)果偏差在可接受范圍內(nèi)； N、P、K數(shù)據(jù)偏差較大。原因主要是實(shí)驗(yàn)室使用方法只能測出全營養(yǎng)成分，不能對(duì)速效成分和非速效成分進(jìn)行區(qū)分；而全功能土壤傳感器只能獲取營養(yǎng)成分中的速效成分。

由于肥料含量與電導(dǎo)率之間存在正相關(guān)關(guān)系，為了驗(yàn)證這一理論，利用全功能土壤傳感器開展了水肥濃度與電導(dǎo)率關(guān)系的試驗(yàn)研究[5]。試驗(yàn)步驟：①攪拌桶放入30 L水，用作溶劑。②投入1標(biāo)準(zhǔn)量杯水溶肥料，攪拌均勻，10 min后測試溶液的pH值、電導(dǎo)率(EC)、N、P、K含量。③重復(fù)步驟②31次。記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 配肥模型數(shù)據(jù)

由表3可知，肥料濃度對(duì)pH值影響較小，對(duì)EC值影響較大。通過線性回歸，求出母液中肥料及各種元素的含量與EC值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如式(1)～(4)所示。

y=0.006 7x-0.304 1(R=0.968 5)

(1)

yN=0.525 1x-0.388 4(R=0.999 5)

(2)

yP=0.713 3x-0.385 6(R=0.999 7)

(3)

yK=1.668 8x-0.564 3(R=0.999 9)

(4)

式中X——母液中電導(dǎo)率，μs/cm

Y——母液中肥料含量， %

YN——母液中N含量，mg/kg

YP——母液中P含量，mg/kg

YK——母液中K含量，mg/kg

由上述公式可知，肥料營養(yǎng)與電導(dǎo)率EC值具有高度的線性相關(guān)性，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過測3～4點(diǎn)來確定肥料濃度與電導(dǎo)率的數(shù)學(xué)模型，用于后續(xù)肥料攪拌濃度監(jiān)控和土壤營養(yǎng)成分監(jiān)控。

2 施肥決策

在收集到土壤和作物養(yǎng)分信息的基礎(chǔ)上，構(gòu)建施肥決策模型。其決策流程如圖1所示。

圖1 施肥決策流程Fig.1 Fertilization decision process

基于不同途徑，分別獲得5層單因素處方圖和輪灌分區(qū)圖，通過多源相互融合，最終生成決策圖。

(1)灌溉決策圖。通過全功能土壤傳感器，采集典型點(diǎn)地下不同深度(通常20和40 cm，每層生成一張分布圖)的土壤濕度信息，結(jié)合氣象站采集降雨數(shù)據(jù)和無人機(jī)低空遙感采集作物需水分布圖，生成灌溉決策處方圖，然后再結(jié)合現(xiàn)有輪灌區(qū)分區(qū)，生成灌溉決策圖[6]。

(2)施肥決策圖。通過全功能土壤傳感器，采集典型點(diǎn)地下不同深度(20、40 cm)的土壤養(yǎng)分信息(pH、EC、N、P、K、溫度)，結(jié)合無人機(jī)低空遙感采集作物養(yǎng)分需求分布圖，生成施肥決策處方圖，然后再結(jié)合現(xiàn)有輪灌區(qū)分區(qū)，生成施肥決策圖[7]。

(3)管理分區(qū)均一化處理。在灌溉決策圖和施肥決策圖中，通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況。一種是輪灌小區(qū)內(nèi)需求量均勻單一，可直接用于指導(dǎo)作業(yè)；另一種是輪灌溉小區(qū)內(nèi)需求量呈空間變異情況，需要進(jìn)行管理分區(qū)均一化處理。

N、P、K是大田作物的主要肥料，在灌溉模式一定條件下，作物長勢與肥料呈正相關(guān)關(guān)系，其中N肥的影響最大，應(yīng)當(dāng)充分利用玉米水肥需求最大效率期同步規(guī)律，結(jié)合補(bǔ)水施用N肥。基肥和追肥要合理分配，避免過量追肥導(dǎo)致土地板結(jié)[8]。針對(duì)作物不同生育期需要，合理安排水肥用量。現(xiàn)有施肥決策方法包括經(jīng)驗(yàn)法、目標(biāo)產(chǎn)量法、測土配方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、組合預(yù)測法和肥料效應(yīng)函數(shù)法等。

3 智能控制施肥

微灌水肥作業(yè)系統(tǒng)由田間信息傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)(或有線傳輸系統(tǒng))、中控服務(wù)部分、田間電磁閥及信息反饋系統(tǒng)等組成[9]。基于精準(zhǔn)施肥相關(guān)理論，以手機(jī)作為遠(yuǎn)程控制器，通過在供水泵輸出測安裝一塊帶超限輸出功能的壓力表，實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵的工作壓力，間接得到水泵是否工作在高效點(diǎn)，以及過濾器是否堵塞嚴(yán)重的問題，該表有兩個(gè)輸出，可實(shí)現(xiàn)與APP(8路報(bào)警、4路控制)的遠(yuǎn)程聯(lián)接。

水肥一體化攪拌桶采用液位控制，防止無液情況下注肥泵干運(yùn)行，無液情況下可實(shí)現(xiàn)APP遠(yuǎn)程報(bào)警；注肥泵與系統(tǒng)供水泵進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，確保系統(tǒng)供水工況下供肥[10]。由于不同肥料的雜質(zhì)粒徑相差較大，可能會(huì)導(dǎo)致水肥混合液后面的過濾器堵塞，采用電流監(jiān)控器對(duì)注肥泵的工作電流進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)堵塞嚴(yán)重，則泵的輸出壓力增大，泵配套電機(jī)電流增大，當(dāng)超過一定范圍，則停止注肥，并可通過APP遠(yuǎn)程報(bào)警。該系統(tǒng)通過增加筒的控制部件即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，控制系統(tǒng)示意如圖2所示[11]。

圖2 微灌水肥作業(yè)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of automatic intelligent control system for micro irrigation water and fertilizer operation

4 結(jié)束語

根據(jù)東北地區(qū)示范區(qū)內(nèi)玉米不同生長階段需水量及影響玉米生長的因素，確定控制系統(tǒng)的監(jiān)測變量及 閾值，研制了一套微灌水肥作業(yè)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水肥一體化智能控制。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手機(jī)控制，具有操作簡單、易于推廣的特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，相關(guān)技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)化肥減量施用10%～12%，化肥利用率提高5%～6%，對(duì)提高水肥資源利用率具有重要意義。