水肥氣灌溉智能控制技術研究

基金項目：國家“十三五”重點研發計劃項目（2017YFD0201504）；浙江省基礎公益研究計劃項目（LGN20F030001）；2023年度浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃（2023R486006）

*通信作者：毛峙文（1989-），女，碩士，講師。研究方向為智慧農業、智能控制技術。

DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.07.004

摘" 要：針對傳統農業灌溉效率低、浪費多等問題，根據農作物生長需求，綜合應用傳感器技術、智能控制技術、計算機網絡技術和恒壓變頻技術等，設計高效的水肥氣灌溉智能控制系統。通過傳感器、檢測儀對天氣、土壤等實時數據采集，結合農作物各生長期的營養需求，智能控制系統進行綜合采集、分析和處理，進而實現灌溉控制的智能決策與精準灌溉。該系統能夠滿足水肥氣灌溉所需的高精密監測系統和動態過程中表現出來的性能，能夠為智慧農業發展提供有效的技術支撐。

關鍵詞：水肥氣灌溉；傳感器技術；實時數據采集；智能控制；智慧農業

中圖分類號：S275" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）07-0013-04

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and high waste of traditional agricultural irrigation， an efficient intelligent control system for water， fertilizer and gas irrigation was designed according to the needs of crop growth， and the sensor technology， intelligent control technology， computer network technology and constant voltage frequency conversion technology were comprehensively applied. Through the real-time data collection of weather and soil by sensors and detectors， based on the nutritional needs of crops in each growth period， this intelligent control system carries out comprehensive collection， analysis and processing， so as to realize intelligent decision-making and precise irrigation of irrigation control. This system can meet the control precision and dynamic performance required by the water， fertilizer and gas irrigation system， and provide strong technical support for the development of smart agriculture.

Keywords： water， fertilizer and gas irrigation; sensor technology; real-time data acquisition; intelligent control; smart agriculture

近年來，國家特別關注對于智慧農業領域的發展要求，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》（“十三五”規劃）明確地表明，智能農業的發展是強化改進農業生產鏈的關鍵點，也是提高綠色農業的生產效率的主要手段之一。2018年，國家廣泛實施鄉村振興戰略，提出實施智能化土地、森林和水利保護項目，進一步提高農作物機械國產化水平。2023年，中央一號文件中強調了兩點：一要加強農業基礎設施建設，其中包括了要加強耕地保護和用途管控，加強高標準農田建設，加強水利基礎設施建設，這3項加強為農業基礎設施建設提供了嚴格的標準；二要強化農業科技和裝備支撐，推動農業關鍵核心技術攻關，推進農業綠色發展。加快農業投入品減量增效技術推廣應用，推進水肥一體化，建立健全秸稈、農膜、農藥包裝廢棄物和畜禽糞污等農業廢棄物收集利用處理相關的制度與體系。智能控水技術、肥料和氣灌溉系統是進一步發展智慧農業的核心系統。水肥氣灌溉智能控制技術的研究主要對水分、肥料、供氧等農作物需求實現精準且智能的管理與控制、有效提高農業資源的利用率及促進智慧農業的發展都具有重要意義。

隨著對農業灌溉節水的相關技術水平、方法的逐步提高和增多及理論知識的深入研究，節水高效農業技術越來越注重信息化和精確度，以滿足現代農業對灌溉系統的高要求。智能控水、肥料和氣灌的技術研究是結合了氧氣供應、化肥和灌溉技術，從開始的農作物播種到最后成熟的每一個階段，結合當地的氣候條件，再根據農作物營養需求，準確地補充有機水分、肥料、氣體。這不僅提供足夠且有效的氧氣，還將大大提高作物用水及肥料的使用效率，促進農作物的生理生長，實現作物的增產提質增收。智能灌溉系統將有效地提高節水灌溉自動化程度，滿足實際灌溉控制需求，有效節約水肥取水量，同時在時間、運輸、就業和燃料方面也可以大量地節省。

1" 水肥氣灌溉智能系統的構成

智能控制灌溉系統整體由水分、肥料、氧氣供給一體化模塊、數據采集模塊、灌溉控制模塊和信息檢測模塊組成，系統工作原理圖如圖1所示。水分、肥料、氧氣供給一體化模塊由蓄水設施、輸水管網、智能恒壓供水系統和排水裝置等構成，為系統提供水分、肥料和氧氣；數據采集模塊由各種傳感器，壓力表、流量表等構成，動態采集更新灌溉數據，實時監測作物與灌溉狀況；灌溉控制模塊由變頻控制系統、變頻吸肥泵、增氧泵、離心變頻泵、氣液混合泵和電磁閥等構成，根據灌溉設定值和實時灌溉數據實現水肥氣流動狀態的智能控制。

注：1.電磁閥；2.安全閥；3.氣液分離罐；4.排氣閥；5.壓力表；6.手動閥；7.氣液混合泵；8.增氧罐；9.氧傳感器；10.真空泵；11.壓力表；12.恒壓供水系統；13.離心變頻泵；14.蓄水設施；15.母液罐；16.過濾器；17.變頻控制系統；18.變頻吸肥泵；19.增氧泵；20.單向閥；21.文丘里管；22.流量計；23.EC傳感器；24.pH傳感器。

圖1" 水肥氣灌溉原理圖

通常，衡量土壤水的重要指標是土壤的pH和EC值。所以，智能灌溉系統以EC傳感器和pH傳感器的反饋信號為灌溉控制主要依據，根據收集到的反饋信號建立有效的EC/pH數學分析，形成一套具有實際意義的決策體系進行合理的科學灌溉。土壤電導率EC是檢測土壤中水溶性鹽的指標，可判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長的因素。土壤pH是反映土壤酸堿的強弱。智能灌溉控制系統收到這2個反饋信號，然后結合作物所需要水的量度，通過泵閥、變頻器執行機構實現水的灌溉。研究發現，EC值與灌溉肥液濃度存在線性相關性，EC值是用來測量溶液中可溶性鹽濃度的，高濃度的可溶性鹽類會使植物受到損傷或造成植株根系的死亡。酸堿度pH也是灌溉過程肥液變化的重要監測指標，與pH有關的問題中最常見的是由于pH過高或過低而引起的營養缺乏或毒害。在目前的農業生產中，過量施肥是普遍現象。雖然國家一直在強調減少化肥使用量，提倡科學種植，但是土壤中依舊積聚了太多的鹽分，土壤鹽分已經開始嚴重地影響作物的正常生長。所以，我們必須重視土壤PH/EC值這個指標。

2" 智能灌溉各功能模塊的單元分析

智能灌溉控制系統中信息檢測模塊、數據采集模塊、控制器之間為有線或無線通信連接，灌溉控制器執行灌溉控制決策子系統的灌溉決策方案（圖2）。

圖2" 智能灌溉控制系統結構圖

2.1" 水肥氣供給模塊

水分、肥料、氧氣供給一體化模塊由蓄水設施、輸水管網、智能恒壓供水系統和排水裝置等構成，為整個灌溉控制系統提供水分、肥料和氧氣。其中，水、肥、氣分別由水質優化技術、養分利用和鹽分控制技術、微納米氧泡結合產生，對其基本物理性質進行了研究與分析。為了改善提供農作物所需水的化學成分，務必確保所需水中的化學微量元素、無機鹽濃度和有機化合物成分，由此滿足作物正常生長，而不至于因過分的超標或不足，造成作物死亡。化學氧化技術是添加有機物質氧化劑、催化劑等，使無機物質被有效地氧化，從而實現廢水、廢氣處理；物理處理技術主要依靠紫外線光照消毒法和高溫熱力消毒法來殺死灌溉水中的微生物。通過各種傳感器收集的作物生長信息，并結合土壤條件和氣候條件下作物生長周期，對養分使用和肥料鹽度控制技術建立了計算作物所需養分的決策模型，從而確保水和肥料的使用量與需要匹配的作物相符合，避免過度營養流失的部分對環境的影響。

微納米氧氣泡發生裝置（如圖3所示）首先選擇一個適合的水泵和氣泵，使水和空氣分別通過2個泵閥進入到裝置內，對空氣進行加壓，使其與水溶解，然后通過改變節流孔孔徑釋放氣液的方式將溶解的空氣以微納米氧氣泡的形式提供，通過葉輪的旋轉速度，將空氣溶解在水中。水肥氣一體化供應系統將肥料、灌溉水和微納米氧氣泡轉化為營養液，通過灌溉系統中的各種施肥設備實時監測EC（電導率）和pH，其為農作物最終提供適當的營養濃度，既保證供水含氧量，又保證水肥灌溉效果。

圖3" 微納米氧氣泡發生裝置技術

2.2" 信息監測模塊

信息監測模塊將數據采集模塊采集的數據信息和決策執行模塊所執行的灌溉決策信息通過顯示模塊進行展示，對決策執行模塊所執行的灌溉決策信息進行修改設定的設置模塊。信息監測設備實現作物生長狀態的實時監測，存儲各種灌溉決策方案，并能將數據采集模塊所采集的信息進行比對，找出適用于當前數據采集模塊所采集信息的對應灌溉決策方案，由決策信息執行模塊執行當前設定的灌溉決策信息，最終控制灌溉設備的控制器，實現準確、合理的水肥灌溉，大大提高灌溉效率和效果。

2.3" 數據采集模塊

數據采集模塊中的信息采集器包括氧傳感器、土壤濕度傳感器、EC傳感器、pH傳感器和壓力表等結構，實現對土壤養分、溫度、有機質和含水率的采集，傳送信息數據至信息監測模塊和決策系統。氧傳感器是由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，用以檢測氣管中氧的濃度是否達到土壤所需的指標；土壤濕度傳感器主要用來測量土壤含水量；EC傳感器（電導率）在水質監測中，電導率是反映水質質量的重要指標之一。當水的電導率值越高，導電性就越好。pH傳感器用來對營養液進行測量，檢驗營養液的氫離子濃度，然后轉換成可輸出信號。

2.4" 灌溉控制模塊

灌溉控制器主要包括變頻控制系統（變頻肥料泵和離心變頻泵）、通風泵、氣液混合泵和開關等，根據灌溉組設定數值和實時灌溉數據進行比較，達到對水、肥、氣流狀態智能控制的目的。針對具體植物狀況、灌溉要求、環境條件等調整灌溉控制方案，并反饋至灌溉控制系統通過執行機構實現水肥灌溉。

3" 智能灌溉控制技術

智能灌溉系統以提高農田需水、需肥等信息診斷與控制灌溉的智能化水平為目標，通過PLC控制技術、單片機控制技術、計算機網絡技術、供水融合技術與農業節水技術，開發水、肥料和空氣智能灌溉系統，將其運用于現代智慧農業，有效提高灌溉效率，使水肥灌溉的效益最大化。

3.1" PLC控制技術

可編程控制器運行穩定，抗干擾能力強，PLC控制器可以接收來自現場采集站的數據，同時對接收到的信號進行處理，發送驅動信號。通過變頻調速裝置在供水系統中的PLC控制技術相互作用，不僅可以節省能源、壓力、流量控制等其他多方面的效果，還改革了傳統人工控制閥門的方式以此來改變農作物所需的水量。通過現場PLC控制和聯網可以實現恒壓供水控制、自動除沙過濾控制、自動施肥控制。變頻調速裝置在調速性能好、節能效果明顯、控制精度高、維護成本低及適用范圍廣等方面都優于其他任何一種交流調速方式，其具有欠電壓保護、過電壓保護、過負載保護、過熱保護、瞬間停電保護和瞬時過電流保護等多種保護功能，故能使系統運行安全可靠，變頻器是目前最好的軟起動設備。恒壓供水系統具有先進的技術特點：自動化高、高效節能、功能齊全和保護完善。

3.2" 單片機控制技術

系統以傳感器實測土壤水分經模數轉換后的數據作為輸入信號，經模塊通信和運算處理后，輸出灌溉參數實時控制灌溉電磁閥、水泵、肥泵等。高性能單片機實現灌溉系統的基本控制功能，對實時的天氣、土壤、作物需求等傳感器采集到的信息進行數據分析，由執行控制器輸出灌溉信號，并直接讓發出操控指令的計算機進行記錄和存儲傳送到的信息與灌溉信號，同時人機交互模塊顯示出狀態信息。

3.3" 計算機網絡技術

通過主要工作站接收模擬檢測信號，如壓力、流量等，然后通過模擬轉換裝置進行處理，通過電纜傳給監控計算機，并通過網卡傳給計算機進行顯示、設定壓差值、計算不同泵房的流量并進行自動換算累加。計算機網絡技術可實現網上瀏覽和網上發布，保證上位管理系統正常運行。

3.4" 供水融合技術

智能灌溉控制系統分為上位管理層、調度監控層、現場采集層，通過融合控制實現層層關聯達到精準控制。

1）上位管理層：上位管理系統由網絡版組態軟件、服務器、集線器和網卡等組成，能夠實現網上瀏覽和網上發布。

2）調度監控層：主要為自動化監控系統，自動化監控能夠在中央控制室實時展示整個灌溉系統的生產和運行情況，并記錄、分析、故障檢測等。自動監控系統由監控計算機、大屏幕顯示系統及總線控制卡組成。監控計算機通過現場連接數據收集工作站，接收每個數據收集站的數據，在緊急情況（如警報等）下，上位機系統可以為數據收集站發出適當的操作命令。與此同時，使用軟件開發的監控應用軟件，可以使人們實時和動態地了解灌溉系統的實際運作情況，也可以存儲灌溉設備數據、統計分析、數據顯示、打印和記錄等。

3）現場采集層：由壓力傳感器、電磁流量器、差壓傳感器、電磁閥、變頻器、PLC和除沙過濾器組成，通過接收調度監控層的操作命令進行工作。

3.5" 智能灌溉控制技術

微納米氣泡增氧裝置（圖4）中，氣液混合泵在吸水的同時進行吸氣，泵的葉片高速旋轉時會將氣泡切割分化，泵內壓力較高，使得空氣和水充分混合，形成高濃度溶氣水。氣液分離罐的作用是將氣液混合泵形成的高濃度溶氣水中的大顆粒氣泡與水體分離開來，避免因較多大顆粒氣泡存在而使得管路出現沖擊、振動等不穩定現象。排氣閥的作用主要是配合氣液分離罐將水氣混合物中未溶解的大顆粒氣泡排出。溶氧傳感器用來實時顯示和檢測增氧罐中水的溶氧值，微型泵主要為溶氧值檢測提供一個相對流動的環境，使得溶氧傳感器的檢測更加準確。水氣應用裝置以水路作為主體管路，設置旁路可用于增氧應用或者施肥混合等，配備有主水泵、增氧泵、流量計、EC和pH傳感器、排氣閥及壓力表等。

圖4" 智能灌溉控制裝置結構示意圖

4" 結束語

傳統灌溉技術存在水肥利用率低、管理水平落后等問題。智能控制水、肥料和氣灌技術的研究正成為不僅是國內甚至延伸到國外灌溉技術研究和理論知識研究都有望取得農業科學領域突破的一個熱點，為水、肥、氣智能精準灌溉系統提供有力支撐。

利用智能水肥氣灌溉控制技術，人們可以通過手機或相關儀器對農作物進行澆水、施肥等一系列養殖管理來實現不出門就可操作，同時，科技工作者通過檢測系統反饋得來的作物狀態和環境情況，對作物生長狀況了解并判斷，幫助使用者進行遠程智能控制和合理的水肥處理。科學地調控灌溉水中養分濃度和含量指標，不僅節約水資源、促進農業現代化發展，還可實現增產增收和環境保護。

近年來，集中推進建設高標準農田灌溉體系，改善農業生產用水條件，提高水資源支撐保障能力。大力度去建立一套完備的農作設施、科學的管理方式、高效率的用水習慣、保持生態良好的農業用水體系，注重大數據技術、“互聯網＋”、“AI+”與智能算法和云技術算法相結合，以此進一步提高農業用水效率和節水效益，助推農業綠色高效發展。

參考文獻：

[1] 鄧升，邵光成，卜昊，等.蘇北平原區渠道防滲工程評價和方案優選方法[J].排罐技術工程學報，2014，32（3）：225-230.

[2] 謝佩軍，張育斌.阻尼累加離散灰色預測的Smith預估智能灌溉系統[J].中國農機化學報，2022，43（8）：158-165.

[3] 孫小春，孫小迎.基于單片機的小型智能灌溉系統設計[J].湖北農業科學，2022，59（21）：171-173.

[4] 牛冠錚.基于單片機控制的農業智能灌溉系統中傳感器應用研究[J.]現代化農業，2021（4）：71-72.

[5] 康晉.基于STC89C52單片機的農業智能灌溉系統設計[J].農業經濟與科技，2022，31（12）：197-198.

[6] 張秋艷.基于單片機的智能節水灌溉系統設計[J].榆林學院學報，2017，27（6）：32-33.

[7] 王新華，楊學坤，蔣曉.節水灌溉自動控制技術的研究現狀與發展趨勢[J].農業開發與裝備，2014（12）：80-81.

[8] 李曉花.農業節水灌溉智能控制系統設計[J].水利規劃與設計，2014（3）：79-81.

[9] 于振良，劉淑艷，騰云.設施農業節水灌溉技術現狀與進展[J].吉林蔬菜，2008（6）：90-92.

[10] 王運圣.節水灌溉和控制技術研究[M].北京：中國農業科學技術出版社，2017.