基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探討_于省元.pdf

18 農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)管理 2025 5 Nongchang Jingji Guanli 作者簡(jiǎn)介 于省元 1967 男 研究員 碩士 黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 課題 北大荒集團(tuán) 玉米水肥一體化智能管控技術(shù)研究與示范 課題 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng) 在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探討 于省元 黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 摘要 水肥一體化技術(shù)作為緩解農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵路徑 其效能受制于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的感知滯后 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的突破性發(fā)展為解決這一矛盾提供了新機(jī)遇 通過(guò)多維度環(huán)境感知與自適應(yīng)控制算法的深度融 合 有望重構(gòu)水肥耦合的時(shí)空匹配精度 因此 本文基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi) 探討 以期建立面向玉米種植的智能水肥管理系統(tǒng)理論框架 為智慧農(nóng)業(yè)的工程化應(yīng)用提供技術(shù)范式 關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 水肥一體化 智慧農(nóng)業(yè) 玉米種植 一 水肥一體化系統(tǒng)的基本原理 一 水肥耦合機(jī)制的物理與化學(xué)基礎(chǔ) 水肥耦合的核心在于通過(guò)水分運(yùn)移實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的 精準(zhǔn)輸送與作物吸收的動(dòng)態(tài)平衡 化學(xué)過(guò)程的復(fù)雜 性體現(xiàn)在離子間的相互作用 作物根系優(yōu)先吸收銨 態(tài)氮 硝態(tài)氮等有效養(yǎng)分 但鈣 鎂等陽(yáng)離子會(huì)通過(guò) 競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)抑制關(guān)鍵元素的吸收效率 1 如在玉米生 長(zhǎng)關(guān)鍵期 鉀元素對(duì)莖稈強(qiáng)度至關(guān)重要 但過(guò)量施用 會(huì)與土壤中的鈣離子結(jié)合形成難溶化合物 不僅降 低肥效 還可能堵塞灌溉系統(tǒng)孔隙 現(xiàn)代系統(tǒng)通過(guò)動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)土壤溶液的電化學(xué)特性 智能調(diào)節(jié)氮肥形態(tài) 與離子比例 確保養(yǎng)分以最適狀態(tài)到達(dá)根系表面 二 水肥精準(zhǔn)配比與控制技術(shù) 精準(zhǔn)配比技術(shù)通過(guò)建立作物需求與供給的實(shí) 時(shí)響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制 系統(tǒng)依據(jù)作物生長(zhǎng)階段 的生理特征動(dòng)態(tài)調(diào)整營(yíng)養(yǎng)配方 如玉米拔節(jié)期需強(qiáng) 化鉀元素供應(yīng)以增強(qiáng)抗倒伏能力 而灌漿期則側(cè)重 磷元素補(bǔ)充以促進(jìn)籽粒飽滿 2 控制系統(tǒng)的核心在 于多參數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié) 電導(dǎo)率傳感器實(shí)時(shí)反饋溶液濃 度 驅(qū)動(dòng)比例閥調(diào)整母液注入量 酸堿度探頭監(jiān)測(cè) pH 值變化 自動(dòng)注入緩沖劑維持養(yǎng)分離子活性 先 進(jìn)的控制算法能夠預(yù)測(cè)土壤水分運(yùn)移速度 提前調(diào) 節(jié)注肥參數(shù)以抵消系統(tǒng)響應(yīng)延遲 確保根系區(qū)域始 終處于最佳水肥狀態(tài) 三 系統(tǒng)集成與自動(dòng)化控制 自動(dòng)化控制系統(tǒng)通過(guò)多級(jí)協(xié)同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管 理 執(zhí)行單元由智能泵組 文丘里混肥裝置和電磁閥 陣列構(gòu)成 其中混肥裝置利用流體動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn) 肥料溶液的均勻混合 其精度可達(dá)每立方米溶液誤 差不超過(guò)一勺標(biāo)準(zhǔn)量 控制中樞采用自適應(yīng)算法 綜 合土壤濕度 葉片溫度 光照強(qiáng)度等多源數(shù)據(jù)生成決 策指令 例如在高溫強(qiáng)光條件下自動(dòng)縮短灌溉間隔 以防止作物蒸騰過(guò)量 3 云端管理平臺(tái)構(gòu)建虛擬農(nóng) 田模型 通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分析歷史數(shù)據(jù) 優(yōu)化灌溉策略 并預(yù)測(cè)設(shè)備維護(hù)周期 系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)保障了運(yùn)行 可靠性 雙路傳感器交叉校驗(yàn)防止數(shù)據(jù)失真 應(yīng)急電 源系統(tǒng)確保突發(fā)斷電時(shí)仍能完成灌溉周期 二 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水肥一體化中的應(yīng)用 一 傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)采集 物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)如同農(nóng)田的 神經(jīng)系統(tǒng) 通 過(guò)多維度感知設(shè)備實(shí)時(shí)捕獲環(huán)境信息 土壤剖面部 署的溫濕度傳感器可探測(cè)不同深度的水分動(dòng)態(tài) 根 系層傳感器則專用于監(jiān)測(cè)養(yǎng)分濃度梯度 冠層上方 架設(shè)的光照強(qiáng)度探頭與葉片表面接觸式傳感器協(xié) 同工作 完整描繪作物生長(zhǎng)微環(huán)境 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 的突破解決了傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的局限性 如將土壤電 導(dǎo)率數(shù)據(jù)與根系熱成像結(jié)合 能精準(zhǔn)判斷養(yǎng)分吸收 19 三大一航母 建設(shè) 活性區(qū)域 為防止傳感器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真 網(wǎng)絡(luò) 采用冗余設(shè)計(jì) 每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)配置主備雙傳感器 當(dāng) 檢測(cè)到數(shù)據(jù)偏差超過(guò)閾值時(shí)自動(dòng)切換至備用設(shè)備 二 數(shù)據(jù)傳輸與通信技術(shù)的選擇 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的選擇需平衡傳輸距離 能耗 與抗干擾能力 在開(kāi)闊農(nóng)田場(chǎng)景 采用具有強(qiáng)穿透 性的低頻無(wú)線電波技術(shù) 其信號(hào)可穿越茂密玉米植 株實(shí)現(xiàn)半徑覆蓋 而在設(shè)施大棚內(nèi) 則切換為高精 度 Wi Fi 定位技術(shù) 通過(guò)多接入點(diǎn)協(xié)同提升定位精 度 創(chuàng)新性的自適應(yīng)協(xié)議棧設(shè)計(jì)解決了異構(gòu)設(shè)備互 聯(lián)難題 當(dāng)田間網(wǎng)關(guān)檢測(cè)到局部網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí) 自動(dòng) 將數(shù)據(jù)流切換至鄰近節(jié)點(diǎn)的空閑信道 針對(duì)極端天 氣的通信保障方案采用天地一體傳輸模式 晴天使 用低功耗地面網(wǎng)絡(luò) 暴雨天氣則啟用搭載北斗短報(bào) 文功能的應(yīng)急終端 確保關(guān)鍵農(nóng)情信息不丟失 三 數(shù)據(jù)分析與決策優(yōu)化算法 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)如同農(nóng)田的 智能大腦 通過(guò)機(jī) 器學(xué)習(xí)模型將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行策略 時(shí)空關(guān) 聯(lián)分析算法可識(shí)別土壤濕度與施肥效果的隱性聯(lián) 系 如發(fā)現(xiàn)某區(qū)域在特定光照強(qiáng)度下鉀元素吸 收率顯著提升 從而動(dòng)態(tài)調(diào)整該區(qū)域的施肥方案 深度學(xué)習(xí)模型通過(guò)訓(xùn)練歷史數(shù)據(jù)建立玉米各生長(zhǎng) 期的需水需肥特征庫(kù) 當(dāng)監(jiān)測(cè)到葉片夾角變化時(shí) 自動(dòng)匹配相似生長(zhǎng)模式并提前調(diào)整灌溉參數(shù) 決策 優(yōu)化創(chuàng)新體現(xiàn)在多目標(biāo)權(quán)衡機(jī)制 在干旱季節(jié)自動(dòng) 啟動(dòng)節(jié)水優(yōu)先模式 適當(dāng)放寬施肥精度以保障作物 存活 而在豐水期則切換為品質(zhì)優(yōu)化模式 通過(guò)精 細(xì)調(diào)控提升籽粒蛋白質(zhì)含量 三 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在玉米 種植中的應(yīng)用 一 精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施與優(yōu)化 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)感知土壤水分動(dòng)態(tài) 實(shí)現(xiàn) 玉米全生育期的按需供水 田間部署的剖面濕度傳 感器可探測(cè)根系層土壤含水狀態(tài) 當(dāng)監(jiān)測(cè)到特定深 度土層濕度低于作物需求閾值時(shí) 系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)滴 灌裝置啟動(dòng) 灌溉策略的優(yōu)化體現(xiàn)在兩方面 一是 根據(jù)玉米生長(zhǎng)階段調(diào)整供水優(yōu)先級(jí) 二是結(jié)合氣象 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)灌溉時(shí)間 創(chuàng)新點(diǎn)在于引入蒸騰 效率模型 通過(guò)莖流計(jì)監(jiān)測(cè)植株水分消耗速率 使 灌溉量精確匹配作物實(shí)際需求 二 高效施肥的精準(zhǔn)化管理 系統(tǒng)依據(jù)玉米生理特性與土壤肥力空間差異 實(shí)施變量施肥 在施肥決策端 基于葉片光譜傳感 器獲取的葉綠素含量數(shù)據(jù) 結(jié)合根系層土壤養(yǎng)分檢 測(cè)結(jié)果 智能算法可動(dòng)態(tài)計(jì)算氮磷鉀需求比例 施 肥操作的精準(zhǔn)性通過(guò)雙重保障實(shí)現(xiàn) 一是采用文丘 里比例混合器 確保母液與灌溉水的混合均勻度誤 差小于一勺肥料的標(biāo)準(zhǔn)量 二是通過(guò)電磁閥陣列控 制 使施肥量隨植株密度梯度變化 田邊稀疏區(qū) 域減少流量 中心密植區(qū)增加供給 三 病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與防治 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建起病蟲(chóng)害早期預(yù)警與精準(zhǔn)防 控體系 冠層高清攝像頭結(jié)合紅外熱成像技術(shù) 可 捕捉葉片病斑 蟲(chóng)卵附著等初期癥狀 圖像識(shí)別算 法能在病害顯癥前 48 小時(shí)發(fā)出預(yù)警 環(huán)境傳感器 網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)田間微氣候 當(dāng)空氣濕度持續(xù) 高于病害暴發(fā)臨界值時(shí) 自動(dòng)調(diào)整灌溉策略以改善 通風(fēng)條件 防治執(zhí)行環(huán)節(jié)采用靶向施藥技術(shù) 無(wú)人 機(jī)搭載多光譜相機(jī)定位蟲(chóng)害集中區(qū)域后 變量噴霧 系統(tǒng)根據(jù)蟲(chóng)口密度自動(dòng)調(diào)節(jié)藥劑濃度 針對(duì)土傳病 害 系統(tǒng)通過(guò)注射式灌溉將生物菌劑直接輸送至根 系疫區(qū) 既提升防治效果 又避免有益菌群在葉面 的無(wú)效附著 參考文獻(xiàn) 王雯琦 梁曉彬 康燁 等 水肥一體化技術(shù)發(fā)展 現(xiàn)狀及未來(lái)展望 J 農(nóng)機(jī)使用與維修 2025 02 95 98 董婷 吳疆 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)水肥 自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)介 J 現(xiàn)代農(nóng)機(jī) 2024 04 7 9 王雪鵬 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) D 江西 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 2024 4 責(zé)任編輯 朱曉雨 1 2 3