淺談智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

113 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備 2020年第11期 淺談智能灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用 孫 鴻 王 婧 安帥霖 韓子鑫 吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院 吉林長(zhǎng)春 130022 摘要 水肥即肥料按照農(nóng)作物在不同氣候條件及生長(zhǎng)階 段等因素對(duì)養(yǎng)分的需求進(jìn)行定量調(diào)配的肥水混合液 控 制水肥進(jìn)入田間的過(guò)程即為灌溉施肥決策系統(tǒng) 傳統(tǒng)灌 溉施肥采用一體化結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 不能模塊化拆裝水箱及輸 水管路 給灌溉施肥決策系統(tǒng)的拆裝及調(diào)試帶來(lái)諸多不 便 同時(shí)傳統(tǒng)灌溉施肥決策系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)對(duì)氣象環(huán)境與 土壤情況進(jìn)行監(jiān)測(cè) 需要人工操作 無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉施 肥的實(shí)時(shí)控制 關(guān)鍵詞 智能 灌溉施肥 系統(tǒng) 1 技術(shù)背景分析 我國(guó)是農(nóng)業(yè)種植大國(guó) 但水資源存量嚴(yán)重匱乏 其 總量?jī)H占世界的6 每年我國(guó)有超過(guò)300億m 的水資源 用于農(nóng)業(yè)灌溉 其中35 為無(wú)效灌溉 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 化肥在農(nóng)作生長(zhǎng)階段為作物提供必 要的生長(zhǎng)元素 能夠極大限度的提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn) 量 但同時(shí)也存在化肥使用量高利用率低的問(wèn)題 使用 化肥過(guò)量會(huì)造成能源和資源的雙重浪費(fèi) 過(guò)度施用化肥 易造成土壤鹽漬化 有害重金屬沉積 土壤微生物生態(tài) 循環(huán)破壞等問(wèn)題 從而導(dǎo)致土地固結(jié)土壤肥力下降 作 物中重金屬含量超標(biāo)危害人體健康 作物抗病蟲(chóng)害能力 下降致使農(nóng)作物減產(chǎn) 未被作物吸收的化肥滲到地下或 隨雨水流失會(huì)對(duì)地下水及河流造成污染 導(dǎo)致地下水亞 硝酸鹽含量超標(biāo)危害人體健康 河流水體富養(yǎng)導(dǎo)致藻類 泛濫破壞生態(tài)環(huán)境 綜上所述 節(jié)水的核心是提高灌溉用水的利用率 化肥的投入的核心是作物對(duì)肥料的吸收率 固水肥已成 為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素 而對(duì)農(nóng)作物施以精準(zhǔn)灌 溉則是其關(guān)鍵要素的核心 基于我國(guó)國(guó)情 智能灌溉施 肥機(jī)水肥決策系統(tǒng)是提升我國(guó)農(nóng)業(yè)用水用肥綜合利用率 的發(fā)展趨勢(shì) 智能灌溉施肥機(jī)水肥決策系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī) 技術(shù) 通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 5G 自動(dòng)化技術(shù)等高新技 術(shù)與地理學(xué) 農(nóng)學(xué) 生態(tài)學(xué) 植物生理學(xué) 土壤學(xué)等基 礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來(lái) 實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)農(nóng)作 物 土壤的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng) 發(fā)育狀 況 病蟲(chóng)害 水肥狀況以及相應(yīng)的環(huán)境進(jìn)行定期信息獲 取 達(dá)到合理利用農(nóng)業(yè)資源 降低水資源浪費(fèi) 改善化 肥利用率 提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量的目的 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水肥即肥料按照農(nóng)作物在不同氣候條件及生長(zhǎng)階段 等因素對(duì)養(yǎng)分的需求進(jìn)行定量調(diào)配的肥水混合液 控制 水肥進(jìn)入田間的過(guò)程即為灌溉施肥決策系統(tǒng) 傳統(tǒng)灌溉 施肥采用一體化結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 不能模塊化拆裝水箱及輸水 管路 給灌溉施肥決策系統(tǒng)的拆裝及調(diào)試帶來(lái)諸多不便 同時(shí)傳統(tǒng)灌溉施肥決策系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)對(duì)氣象環(huán)境與土壤情 況進(jìn)行監(jiān)測(cè) 需要人工操作 無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉施肥的實(shí)時(shí) 控制 介于傳統(tǒng)灌溉施肥決策系統(tǒng)存在諸多不足 本文在 此基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了智能灌溉施肥機(jī)水肥決策系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)節(jié)約水 資源 提高肥料利用率 利用計(jì)算機(jī)技術(shù) 通訊和網(wǎng)絡(luò)技 術(shù) 5G 自動(dòng)化等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象環(huán)境 土壤情況 作物長(zhǎng)勢(shì)等數(shù)據(jù)對(duì)灌溉施肥作出精準(zhǔn)的決策與控制 農(nóng)戶 可以通過(guò)計(jì)算機(jī) 手機(jī)等多種方式對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱并 根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自定義控制 智能灌溉施肥系統(tǒng)主要由三部分組成 信息監(jiān)測(cè)系 統(tǒng) 灌溉施肥系統(tǒng) 智能決策系統(tǒng) 信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò) 安裝土壤水分傳感器 流量計(jì) 水位計(jì) 溫度傳感器和 氣象監(jiān)測(cè)模塊 實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集與監(jiān) 測(cè) 灌溉施肥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵 閘門(mén) 電磁閥等啟動(dòng) 閉合的控制 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌溉水肥的啟?？刂?智能決策 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)田間信息 工況狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分 析 并結(jié)合未來(lái)降雨量 農(nóng)作物耗水規(guī)律 土壤水肥特 征等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) 做出科學(xué)的灌溉決策 智能灌 溉施肥系統(tǒng)總體框架如圖1所示 圖1 智能灌溉施肥系統(tǒng)總體框架 3 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用 2020年春季 在吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)工 程實(shí)驗(yàn)室對(duì)智能灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行安裝測(cè)試及應(yīng)用 通 過(guò)處理1僅用清水滴灌與處理2肥水混合液滴灌進(jìn)行對(duì)比 試驗(yàn) 圖2所示為幼苗移栽后15天生菜長(zhǎng)勢(shì) 圖3所示為 幼苗移栽后35天生菜長(zhǎng)勢(shì) 觀察圖2 3可明顯發(fā)現(xiàn)處理 114 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備 2020年第11期 2組生菜長(zhǎng)勢(shì)明顯好于處理1組 圖2 幼苗移栽后15天生菜長(zhǎng)勢(shì) 圖3 幼苗移栽后35天生菜長(zhǎng)勢(shì) 通過(guò)對(duì)兩個(gè)時(shí)期處理1 處理2生菜的平均葉綠素含 量 植株平均鮮重 植株平均莖粗 植株平均葉面積進(jìn)行 測(cè)量 分別得出柱狀圖4 圖5 圖6 圖7 通過(guò)對(duì)比不難 發(fā)現(xiàn)智能灌溉施肥系統(tǒng)能夠有效提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量 圖4 平均葉綠素含量 SPAD 圖5 植株平均鮮重 g 圖6 植株平均莖粗 mm 圖7 植株平均葉面積 cm 2 采用智能灌溉施肥系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了灌溉施肥的全程自動(dòng) 化 智能化 使精準(zhǔn)肥水管理成為現(xiàn)實(shí) 采用智能灌溉 施肥系統(tǒng)的滴灌對(duì)比傳統(tǒng)灌溉方式可節(jié)水約70 以上 智 能灌溉施肥系統(tǒng)通過(guò)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 智能決策系統(tǒng)可以 精確控制灌溉施肥系統(tǒng)的水肥混合液濃度 以達(dá)到作物 在不同生長(zhǎng)階段 不同溫濕環(huán)境下對(duì)水肥的需求 4 結(jié)論與展望 設(shè)計(jì)的智能灌溉施肥系統(tǒng)將傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)與智能 控制技術(shù) 信息技術(shù)相結(jié)合 包括信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 灌溉 施肥系統(tǒng) 智能決策系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能灌溉施肥系統(tǒng) 的現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程查看 操作 控制和維護(hù) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)田 間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)直觀顯示及智能決策 提高了水肥控制的 精準(zhǔn)度 同時(shí)可進(jìn)行數(shù)個(gè)灌溉系統(tǒng)的集中操作和管理 節(jié)省人工 由測(cè)試的表現(xiàn)上看 系統(tǒng)可以節(jié)省大量的人 力 物力 肥料及水資源等 通過(guò)精準(zhǔn)灌溉 科學(xué)規(guī)范 化施肥 提高了水肥利用率 降低了化肥施用量 有利 于提高作物質(zhì)量及產(chǎn)量 提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益 參考文獻(xiàn) 1 楊萬(wàn)龍 張賢瑞 劉春來(lái) 等 溫室滴灌施肥智能化控制系統(tǒng) 研制 J 節(jié)水灌溉 2004 5 27 30 2 齊述華 李子忠 龔元石 應(yīng)用農(nóng)田水量平衡原理計(jì)算三種 蔬菜的需水量和作物系數(shù) J 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2 0 0 2 1 71 76 3 段新潁 劉影 做好農(nóng)藥化肥減量助推農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展 J 基 層農(nóng)技推廣 2018 6 12 64 66 4 蘭俊 推進(jìn)化肥農(nóng)藥減量的實(shí)踐探索 J 農(nóng)民致富之友 2018 19 169 5 夏 元 東 淺 析 土 壤 污 染 的 防 范 與 治 理 J 南 方 農(nóng) 業(yè) 2018 12 20 187 188 6 陳小彬 水肥一體化技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用調(diào)查 D 福建 農(nóng)林大學(xué) 2014 7 王 永 濤 吳 艷 英 李 家 春 等 基 于GPRSDTU的 農(nóng) 業(yè) 灌 溉 施肥智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究 J 中國(guó)農(nóng)村水利水電 2013 12 93 97 8 周興平 新疆灌區(qū)節(jié)水灌溉常見(jiàn)渠道防滲技術(shù) J 吉林農(nóng) 業(yè) 2016 5 89 9 丁濤 混凝土襯砌渠道防凍脹技術(shù)在節(jié)水改造中的應(yīng)用 J 水利科技與經(jīng)濟(jì) 2015 21 3 111 114