水肥一體化裝備的智能控制關鍵技術研究

趙 華

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

由于我省水資源有限，并且在時間和空間上分布不均衡，因此在一些地方，干旱和缺水問題非常突出。即使水源豐富的地區，由于沒有合理利用，水資源浪費現象也比較嚴重。近年來，隨著化肥的過度消耗，化肥的利用率大幅度下降，尤其是在大多數糧食作物中，化肥的利用率只有35.2%。過去多年，由于農民為了追求高效益，用于灌溉、施肥、施藥的投入占到設施農業種植產業總投入的30%以上，生產資料的投入較普通露地種植高，化肥的過度使用導致水和土壤的污染也日趨嚴重，更造成了土壤的板結、鹽分積累和鹽漬化程度加深，嚴重阻礙著農業的可持續發展。

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[1]。水肥一體化設備能夠有效減少農業生產中水資源的浪費和肥料的過量使用，提高農作物的品質和產量，降低資源的消耗，減少環境污染。它是推動農業可持續發展的重要技術之一，對于實現高效、節水、環保的農業生產具有重要意義。

1 水肥一體化技術現狀

水肥一體化技術在國際上的應用和發展水平相對較高。許多國家和地區都在積極推動水肥一體化技術的研發和應用，以提高農業生產的效率和可持續性。一些發達國家，如美國、荷蘭、以色列等，在水肥一體化技術方面處于領先地位。這些國家在農業科技和工程方面投入了大量的研發，形成了成熟的水肥一體化技術體系，通過先進的傳感器技術、自動控制系統和數據分析平臺，實現了精確的水肥供應和管理，提高了農作物的產量和質量。

在發展中國家，水肥一體化技術的應用程度相對較低，但也在逐步推廣和普及。一些國家，如中國、印度、巴西等，正面臨著人口增長和農業生產的需求增加的壓力，因此越來越重視節約資源和提高農業效益的技術創新。水肥一體化技術被視為提高農業生產效率和可持續發展的重要途徑，這些國家也在加大相關技術的研發和應用力度。

隨著水肥一體化技術的進一步推廣，山西省的水肥一體化技術和智能灌溉系統的研究取得了長足的進步。這些項目的實現，需要更加先進的科學化、智能化和信息化的管理方式。近年來，山西省各縣都在大力發展設施農業大棚種植產業，水肥一體化技術和智能灌溉系統的推廣，為當地的農業帶來了巨大的經濟和社會價值，促進了當地的經濟增長。智能水肥一體化技術的普及和應用對于我們來說非常重要。

2 設計依據及研究內容

2.1 設計依據

水肥一體化設備是一種集成了水肥供應和管理功能的技術裝備。它通過控制水和肥料的供應，實現對植物的精準灌溉和營養管理，以提高農作物的生長質量和產量。

水肥一體化設備通常包括以下幾個主要組成部分：液肥供應系統：包括液肥儲罐、肥料溶液配制裝置、肥料供給泵等。通過控制肥料溶液的配比和供應量，實現對植物的營養供應。水源供應系統：包括水泵、水儲罐、水管等。通過控制水的供應量和灌溉方式，實現對植物的灌溉管理。控制系統：包括液肥供應和水源供應的控制器、傳感器等。通過監測土壤濕度、植物營養狀況等參數，控制水肥供應的時間、量和頻率，實現精準的水肥管理。監測系統：包括土壤濕度傳感器、pH傳感器、EC（電導率）傳感器等。通過實時監測土壤環境的參數，提供決策依據，調整水肥供應的策略。

采用水肥一體化智能控制技術，可以有效地整合施肥、灌溉等多個環節，極大地提升水資源和肥料資源的使用效果。通過傳感器感知土壤的水分和養分情況，將這些數據傳輸給控制器。控制器根據預設的參數和作物的需求，計算出應該供給的水和肥料的量，控制執行器開啟或關閉相應的閥門，將水肥溶液送入灌溉系統，實現精準的水肥供給。這項技術不僅可以提高農作物的產量和質量，還可以減少浪費和環境污染。因而，我們開始了一項針對水肥一體化的研究，以期望通過結合物聯網技術的智能化灌溉系統，大幅提升水肥的使用率，讓農民在家中就可以獲得更加精確的施肥和灌溉服務。

2.2 研究內容

通過引入先進的技術，我們推出了一種全面升級的水肥一體化裝備智能控制系統。使用定制的微型電動閥和電遠傳浮子流量計替代手動球閥精準控制水肥的流量，可以通過控制EC/PH平衡來實時監測和調整土壤肥力和養分含量。我們還提供了一種更先進、更實惠、更安全、更可靠的混肥腔，可以更快速地將四種肥料和水分完美地融為一體。為了保證營養物質的均勻混合，我們使用PLC技術進行精確的調節，同時使得營養物質的濃度保持在適當的范圍。我們的操作界面非常友好，可以提前調整灌溉和施肥的參數，同時也可以使用物聯網技術進行遠程監測，以便更加精確地掌握土壤的狀況，從而更有效地進行施肥灌溉。這樣，我們就可以實現智慧型、高效率的農業管理。

3 關鍵技術及關鍵部件

3.1 關鍵技術

1）通過改進自動控制系統精確控制肥料配比，提高精度。

2）通過改進自動控制系統實時監控設備的工作狀態，具有故障與報警功能。

3）基于物聯網技術，實現遠程監控，對前端的環境信息和水肥信息進行監測，同時可以遠程操作相關設備（圖1）。

圖1 水肥一體化裝備智能控制系統連接示意圖

3.2 關鍵部件

3.2.1 定制了微型電動閥，結合電遠傳浮子流量計，進行肥料的輸送、計量和調節，精準控制水肥的流量。在水肥機上配置四套這樣的設備，可以將四種不同肥料按準確比例輸入工藝流程中進行混合。通過控制EC/PH平衡來實時監測和調整土壤肥力和養分含量。

3.2.2 混肥腔是一種無需任何運動部件的高效混合設備，能夠通過管道中固定混合單元體來改變液體在管道中的流動情況，從而實現液體與肥料之間的均勻混合。在水肥機中的應用，可以有效地防止肥料在液體中的不均勻沉淀，從而達到良好的混合效果。

3.2.3 物聯網的功能是指基于互聯網技術的一切萬物的交互，完成物體與物體相互之間的信息交換和通訊。物聯網是把各類感應器、數據處理器和無線網絡融入成一種有機系統，對目標實施精確認知、自控、數據分析與決定的智慧管理。物聯網的結構包括三層，分別是感覺層、傳播層和使用層。感覺層一般是使用布置在栽培園內的感應器精確了解周圍環境訊息、土地墑情訊息、農作物訊息、電磁閥狀況等信息內容，收集的各類統計信息匯總分析轉化為數值資訊，通過統計信息傳遞層發送給應用管理層，經由接收、儲存數據信息的解析，采用最優化方案形成操作指令，控制指令經過無線通信網絡傳回感知層，驅動操作執行裝置進行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[4]。

3.3 水肥一體化裝備智能控制系統實現的主要功能

1）通過使用土壤和空氣溫濕度傳感器來調節灌溉系統。

2）通過安裝PID閉環精準自動調節流量，根據土壤氮磷鉀、EC、PH傳感器對土壤中的營養物質進行精確的監測[2]，并通過控制EC、ph等參數來調整施肥的總體量以及瞬間的補充量，從而達到對營養物質的準確吸收。

3）采用物聯網技術實現遠程控制功能。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[1]。

4）對多種故障進行實時監控并發出預警。它還提供了多種防御措施，包括：低液位保護功能；攪拌電機、注肥泵過載保護；低流量保護功能；過濾器堵塞保護[3]。

4 發展前景

水肥一體化智能控制設備是一種集水肥管理于一體的農業設備，它能夠實現水肥的精確供給和管理。水肥一體化設備的發展前景非常廣闊，具有以下幾個方面的潛在優勢和發展趨勢：

1）提高農作物產量和質量：可以根據作物的需求和土壤狀況，精確調節水肥供應，提供最佳的生長環境。通過合理的水肥管理，可以提高農作物的養分利用率和生長效率，進而提高產量和質量。

2）節約資源和環保：設備可以實現水肥的精確供給，避免過度施肥和浪費水資源。通過智能監測和控制系統，可以根據植物的需求和土壤狀況，精確計算和供給水肥，減少肥料和水的浪費，降低環境污染和土壤侵蝕的風險。

3）自動化和智能化：采用先進的傳感器和控制系統，可以實現自動化和智能化的操作。農民可以通過手機、電腦等設備遠程監控和控制設備的運行，提高工作效率和管理水平。

4）數據化管理和精準農業：可以實現數據化管理，通過收集和分析相關數據，幫助農民進行決策和優化農業生產。結合其他智能農業技術，如遠程遙感和農業機器人等，可以實現精準農業的目標，提高農業生產的效率和可持續發展。

5）適應不同農業模式：具有一定的靈活性和適應性，可以適用于不同的農業模式，如大田種植、溫室種植、蔬菜種植等。它可以根據不同作物和土壤的需求，靈活調整水肥供應，滿足不同農作物的生長需求。

綜上所述，水肥一體化設備具有廣闊的發展前景。隨著技術的不斷進步和應用的推廣，相信水肥一體化設備將在農業領域發揮越來越重要的作用，為農業生產的可持續發展做出積極貢獻。

5 結語

目前，水肥一體化裝備在農業領域的應用越來越廣泛。它可以通過實時監測土壤濕度、溫度、養分含量等參數，來精確計算和控制水肥的供應量，避免過度施肥和浪費水資源。這不僅可以提高農作物的養分利用率，還可以減少環境污染和土壤侵蝕的風險。設備的使用可以減輕農民的勞動負擔。傳統的人工施肥和澆水需要大量的人力和時間，而智能水肥一體化設備可以自動完成這些工作，減少人工成本和勞動強度。農民可以通過手機或電腦等設備遠程監控和控制水肥一體化設備的運行，提高工作效率。

盡管溫室大棚水肥一體化設備在農業生產中具有很大優勢，在實際應用中仍面臨一些挑戰。例如，設備的成本較高，需要專業的技術支持和維護；操作人員需要具備相關的技能和知識；設備的適應性和穩定性還需要進一步提升。隨著技術的不斷進步和經驗的積累，溫室大棚水肥一體化設備的使用現狀將繼續發展和完善。

總體而言，智能水肥一體化技術的應用正朝著更加可持續的方向發展，不僅可以顯著改善農作物的收獲率與品質，還可以大大降低水資源的消耗，保護我們的生態系統。隨著技術的進一步發展和普及，相信智能水肥一體化設備的應用會越來越廣泛。