智能灌溉施肥系統設計及應用

詹光輝 李碩煜

（新疆中泰創新技術研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

本文主要從兩大方向圍繞著智能灌溉施肥系統展開論述，其中第一部分主要對智能灌溉施肥系統的設計入手，并從智能灌溉施肥系統的設計要求、參考要素、技術發展現狀以及未來趨勢進行詳細分析；第二部分主要就智能灌溉施肥系統的應用展開論述，并從智能灌溉施肥系統的測試、實際投用結果、應用中有待改善的方面以及技術提升方面進行詳細論述，以期為用戶帶來性能優越、價格實惠的智能灌溉施肥系統。

1.智能灌溉施肥系統的設計分析

1.1 智能灌溉施肥系統的設計要求分析

就智能灌溉施肥系統的設計方向而言，其主要功能就是對植被區的植物進行灌溉與施肥，在日常生活中，常見到簡易的灌溉設備與施肥設備，而將二者整合在同一系統中，卻具有一定難度。農業生產中，操作人員會采取在種植區域內部埋設或者外置旋轉式灌溉系統來滿足灌溉要求；在施肥方面，則會再引入其他設備，并在設備中放置農作物所需的肥料，采用人工操作度較高的方式進行施肥。而智能灌溉施肥系統不僅要做到將灌溉與施肥這兩大功能結合在同一設備上，更需要對植被區的農作物生長狀態進行監測，并根據監測結果來確定灌溉與施肥的頻率與用量。

其次，在智能灌溉施肥系統的設計中要著重“智能”的體現，智能灌溉施肥系統的意義在于高度解放人工生產力，促進農業生產與林業生產的智能化、一體化操作，進一步提高生產效率，為農業與林業帶來更高額的利潤。為了提高操作的可行性，智能灌溉施肥系統盡量可以內置在植被區，當產生灌溉與施肥需求時，只需通過前臺對系統進行控制即可，管理人員只需結合外界氣候條件以及作物品種習性決定灌溉頻率與施肥用料種類即可。除此之外，智能灌溉施肥系統還應當具備普適性，高端科學技術只有為大眾層面所用，才是符合科學技術研究的本心。因此，除了要研制支持內置的智能灌溉施肥系統，還應當研制規模較小、便于攜帶的農戶型智能灌溉施肥系統，提高廣大農民群眾的生產效率與作業范圍。

1.2 智能灌溉施肥系統設計過程中的參考要素

機械系統在投入實際設計之前，應當對設計過程中所需要參考的要素進行總結，確保能夠制作出符合實際期望的設備。前文中提到智能灌溉施肥系統應當具備灌溉、施肥、環境監測等功能，因此在設計過程中，可以將智能灌溉施肥系統的主功能區分為三大部分：灌溉施肥區、控制區、信號監測區，其中灌溉施肥區主要根據控制區傳輸的操作信號對作物進行灌溉與施肥，并根據信號譯碼系統決定操作強度與操作頻率；而控制區則相當于灌溉施肥系統鏈接灌溉施肥操作中心與信號監測區的中心樞紐，控制區需要先接收信號監測區的信號數據，并對其進行譯碼，然后傳輸至灌溉施肥區，并根據灌溉施肥區的反饋信號做出下一階段的操作指令控制；而信號監測區主要負責監測操作前臺與外界環境兩個方向的信號，前者主要由系統管理員發出，后者主要由系統內置智能程序根據外界環境做出應答。

智能灌溉施肥系統在設計與安裝之前，都需要專門人員對設備應用區域進行考察，并結合用戶的實際要求，最終得出較為合理的設計方案。實地考察過程中期，主要對智能灌溉施肥系統的安裝環境進行監測，包括土壤質量、水源質量、空氣質量以及周圍是否存在重污染工廠等等，因為大多數種植區會選擇在供水首部放置智能灌溉施肥系統，將肥料系統同灌溉系統連接。每個首部管理的面積大約在500畝到1000畝。這一類系統會長期放置在種植區，如果種植區周遭環境存在嚴重質量問題，會對系統的運轉狀態以及工作壽命產生嚴重影響。除此之外，在為整個種植區安裝智能灌溉施肥系統時，可以先選擇若干個測試點，對設備的功能性以及環境適應性進行測試，若效果較為良好，則可以完成全局安裝；若效果較差，則需進一步調整后再安裝。

1.3 智能灌溉施肥系統設計思路分析

在灌溉施肥過程中，除了要控制好灌溉與施肥的操作頻率，還要提升土壤與作物對于水分和肥料的吸收性。水分與肥料作為農作物生產過程中必備的兩大要素，其施加的用量與頻率可謂十分重要。因此，在智能灌溉施肥系統的設計過程中，一定要精準把控水分與肥料的用量，若水分與肥料用量較少，則無法為作物提供充足的生產所需物，作物會出現矮小、枯黃、落葉以及死亡等現象，對農業生產人員而言這是極為重大的損失；若水分用量較多，多余的水分無法被土壤與作物吸收，會導致作物根系長期浸泡在水分中，嚴重影響作物的光合作用與呼吸作用，不僅會影響作物產量還極有可能導致作物死亡；若肥料用量較多，肥料中多余的元素會長期殘留在作物周圍的土壤與水源中，不僅會危害作物的生長，還極有可能對周圍居民的生活造成影響。由此可見，智能灌溉施肥系統設計過程中，需要對提升水分與肥料的利用率多加研究。

在實際設計過程中，通常設計水肥一體機系統。水肥一體機系統結構包括：控制柜、觸摸屏控制系統、混肥硬件設備系統、無線采集控制系統。支持pc端、微信端實施查看數據以及控制前端設備；水肥一體化智能灌溉系統可以幫助生產者很方便地實現自動的水肥一體化管理。系統由上位機軟件系統、區域控制柜、分路控制器、變送器、數據采集終端組成。通過與供水系統有機結合，實現智能化控制?？蓪崿F智能化監測、控制灌溉中的供水時間、施肥濃度以及供水量。同時通過監測EC值來判斷土壤中肥料的濃度。因為土壤中的通過傳感器監測到的肥料濃度會隨著土壤含水量不斷地變化而變化，而不是土壤中肥料的實際濃度。這需要建立單獨的函數關系，才能夠判斷土壤中肥料濃度。變送器（土壤水分變送器、流量變送器等）將實時監測的灌溉狀況，當灌區土壤濕度達到預先設定的下限值時，供水開關可以自動開啟，當監測的土壤含水量及液位達到預設的灌水定額后，可以自動關閉電磁閥系統?？筛鶕r間段調度整個灌區電磁閥的輪流工作，并手動控制灌溉和采集墑情。整個系統可協調工作實施輪灌，充分提高灌溉用水效率，實現節水、節電，減少勞動強度，降低人力投入成本。

1.4 智能灌溉施肥系統設計技術發展現狀以及未來導向

現階段，智能灌溉施肥系統的設計技術雖然達到了一定的高度，但是在實際應用中還存在著眾多難題。首先，用水量受種植管理水平以及灌溉系統的差異影響，容易導致水量控制不夠精確，雖然與人工灌溉系統相比，智能灌溉施肥系統的耗水量較少，但是智能灌溉施肥系統往往應用于大型農業生產與林業生產中，長遠來看，其耗水量不可小覷。21世紀是萬事萬物飛速發展的時代，卻又是能源十分緊缺的時代，環保節能早已成為時代主題，因此，仍需不斷對智能灌溉施肥系統的節水性與節能性進行改善?？梢栽诠喔韧寥乐新裨O土壤水分傳感器，土壤水分傳感器應當具備水分監測功能，當某一區域的水分達到飽和時，就停止向該區域輸送水分。通過提高智能灌溉施肥系統的設計難度來緩解耗能、耗水問題在理論上是可行的，但還需要研究人員投入更多的努力進行操作化實驗。

其次，不同品種的作物所需的肥料有所不同，同一種作物在不同的季節對于肥料的需求也有所不同，因此，智能灌溉施肥系統還需要解決對同一種植區不同品種作物以及對在不同季節對種植區作物的肥料使用問題。智能灌溉施肥系統的施肥功能區還應該添加病蟲害監測功能，對種植區的作物生長狀態進行實時監測，一旦發現病蟲害現象能夠盡早解決，降低農業生產與林業生產的損失。除此之外，還可以在智能灌溉施肥系統中添加肥水區，所謂肥水就是肥料與水分的混合物，其主要用于為部分作物補充生長所需物。

2.智能灌溉施肥系統的應用分析

2.1 智能灌溉施肥系統的測試

智能灌溉施肥系統在投入實際應用之前，應當進行多次應用測試分析，并結合測試結果與用戶要求進行調整，最終得到與植被區氣候、地理條件以及植被品種較為契合的智能灌溉施肥系統。在測試過程中，可以分為兩個測試階段：生產車間測試與實地測試，前者主要對智能灌溉施肥系統的功能性與質量等參數進行測試；后者則是對智能灌溉施肥系統的實操性進行測試。在實地測試環節，可以在植被區選取若干個測試點，安裝局部智能灌溉施肥系統，并對灌溉量、施肥量以及土壤和植被的吸收狀況進行測試，為了提高測試數據的可靠性，可以在每一個測試點進行6-8組實驗，并結合各個實驗點的測量數據給出最終測試結果。

在完成智能灌溉施肥系統之后，應當根據實測結果與用戶要求對智能灌溉施肥系統進行微調，并再次展開若干輪測試，直至測試結果與設計預期相符為止。除了要對智能灌溉施肥系統與植被區的兼容性進行測試，主要測試灌溉系統穩定性，數據傳輸的可靠性，各軟硬件在實地操作的準確性。需要對每個硬件逐個測試，每個軟件功能進行測試。在實際使用中是結合原來的水肥使用經驗，觀察植物長勢、傳感器數據來增減灌溉量及施肥量。還要對植被區土壤進行分析，主要分析土壤中有機質、氮磷鉀和其他中微量元素。根據地塊形狀進行取樣，長方形土地采取“S”形取樣法，方形地采取五點交叉取樣法，每個地塊可以選擇15到20個點。最后再結合氣候條件、植物品種做出相對合理的施肥建議。

2.2 智能灌溉施肥系統的實際投用效果

據調查研究分析結果顯示，智能灌溉施肥系統收到了較好的實際投用結果。智能灌溉系統在實施區域經過一段時間應用后，能夠結合植被區地理條件、環境因素以及植被品種特性對于采取何種肥料以及施肥頻率、灌溉頻率給出良好指向性建議，植被區作業人員只需要根據智能灌溉施肥系統的指示操作即可。智能灌溉施肥系統在農業生產與林業生產中的投用，在一定程度上解放了人工勞動力，提高了植被作業的效率與效益，使農業生產與林業生產的發展向前邁進了一大步，有利于促進農業生產邁向現代化。其次，經過多方改良，具備監測病蟲害功能的智能灌溉施肥系統也具備較高的實際應用價值，這一建設性優化更為大面積農業種植戶帶來了技術福音。傳統農業生產中，農業生產人員大多通過定時打殺蟲劑與營養液來確保農作物的健康生長，這一操作雖然提高了農產品的產量，但是不符合綠色生產的理念。而智能灌溉施肥系統所采用的病蟲害監測功能，是對農作物的生長參數進行監測與記錄，并根據生長函數系統得出農作物的生長情況，并未出現病蟲害現象的農作物進行殺蟲消毒與營養液傳輸，這樣不僅能夠確保農作物健康生長，還能降低種植區土壤周圍的有害物質殘留量，與可持續發展與綠色生產理念十分契合。

2.3 智能灌溉施肥系統優化建議

前文中提到智能灌溉施肥系統具有較好的實際投用效果，但是其仍然局部區域存在亟待改進的方面。第一，當前農業生產與林業生產中所使用的智能灌溉施肥系統仍然存在較為嚴重的耗能問題。部分種植區為了緩解這一問題，采取灌溉、施肥系統分離的管理方式，盡量將二者之間通用的能源與水源進行復用，以此來提高作業效率與資源利用率。將水源設置在地塊的高處，借助水的勢能降低對電力等能源的消耗。第二，當前的智能灌溉施肥系統設計架構較為固定，無法真正地結合植被區地域特點與植被品種進行實機設計。應當對智能灌溉施肥系統的核心部件進行兼容性擴展操作，使其能夠與其他農機相結合，比如數據同飛防無人機、播種機等互通，提高農業生產機械制造的靈活性與創造性。加強系統的適應能力，學習能力，降低使用復雜程度，使系統能夠更快地適應新的地塊，降低使用入門門檻。第三，智能灌溉施肥系統的一體化操作仍然具有較大的優化空間。智能灌溉施肥系統包含控制區、功能區與信號監測區三大部分，每一部分有涉及眾多零部件，有時會出現信號延遲或信號不穩定導致的操作延遲問題，這不僅會對灌溉施肥的用量造成影響，還會對整體設備的應答靈敏性造成影響。在設計制造的時候緊跟科技發展，選用傳輸信號穩定、距離遠的無線系統，硬件選擇選用節能、穩定性好的零件，在軟件設計上使用人工智能、深度學習等。

2.4 智能灌溉施肥系統的日常養護管理

在實際應用過程中，智能灌溉施肥系統的日常養護管理工作也是十分重要的，良好的養護工作能夠降低智能灌溉施肥系統的故障率，減少內部機械設備出現磨損與老化現象，延長整個設備的使用壽命。在實際農業生產過程中，除了要定期對智能灌溉施肥系統進行維護與保養，也要盡量減少系統進行超負荷工作，減少設備因過度疲勞出現故障的情況。由于大部分智能灌溉施肥系統都屬于內置型系統，因此，可以定期對智能灌溉施肥系統的管道系統、箱體系統等區域進行清潔與養護。在植被區非種植季階段，也可以對智能灌溉施肥系統進行大面積養護管理，必要情況下，可以對局部管道系統進行更換與翻新。在對智能灌溉施肥系統進行日常維護管理時，應當進行分區管理。由于智能灌溉施肥系統內部采用了大量的信號監測設備與電磁閥等對于精確性要求較高的零部件，因此，需要對智能灌溉施肥系統所處的溫度與濕度進行實時監測，確保周圍的環境參數保持在智能灌溉施肥系統能夠正常運行的狀態。另外也需要排空管道系統中的殘余物，以免變質及凍損、腐蝕系統零件等。

3.總結

智能灌溉施肥系統在設計過程中，一定要遵循因地制宜，首先要對設備實裝區域進行環境監測，并結合所植農作物品種以及客戶實際要求，在智能灌溉施肥系統上進行調整，以期設備能夠發揮其優越的性能。智能灌溉施肥系統在應用過程中，要根據實裝區域的氣候環境以及所植農作物品種的需求量進行使用，管理人員應當精準把控智能灌溉施肥系統的工作時間與工作頻率。除此之外，管理人員應當定期對智能灌溉施肥系統進行維護，確保智能灌溉施肥系統能夠長期保持優越性能。