水肥一體化智慧系統設計及實現研究.pdf

2021年 1期 智能裝備與系統 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 水肥一體化智慧系統設計及實現研究 倪 紅 武城縣 農業(yè)農 村 局 山 東 德 州 253000 二 十 一 世紀 以 來 隨著 互 聯 網的 普 及 人 們 的 衣 食 住 用行 無 一不 與 之 相 關 同 時 推 動 通 信技術 人工智能等 新 型 科 學技術的發(fā)展 從 日常 生 活 到 生產 發(fā)展 都與 智 慧 聯 系到 一 起 而 作為 在 我 國 最 早 出現的 生產 方 式 農業(yè)發(fā) 展一 直 以 來 備 受關注 2016年 黨 的 十 三 五 全 國農業(yè) 農 村 信 息化 發(fā)展 規(guī)劃 國 家 信 息化 發(fā)展 戰(zhàn) 略 綱 要 等 政 策 綱 領性文 件明確 指 出 信 息化 成 為 農業(yè)現代 化 的 制 高 點 加 快 農業(yè) 農 村 信 息化 的發(fā)展 培育 和 建設 智 慧 農 業(yè) 互 聯 網農業(yè)等 新 興 產 業(yè) 1 當 前 如 何 結 合 數 字 信 息 技 術 已 成 為 智 慧 農業(yè)發(fā)展 和 質 量 提 升 的 關 鍵環(huán)節(jié) 實現農 業(yè) 作 物 種 植 過程 中 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 設計 對 推 動 我 國智 慧 新 農業(yè)發(fā)展 具 有 重要 意義 1水肥一體化智慧系統的設計概述 1 1相 關 概 念 的 理 解 1 水肥 一 體 化 技術是 集 灌溉 和 施肥 為 一 體 的農業(yè) 新 技術 為 解決 農 田 作 物 種 植 過程 耗費 大 量 人 力 物 力 的 問題 利 用 新 科 技 手段 進行 設計 得 到 的農 田水肥 一 體 化 系統 水肥 一 體 化 系統 是 根據 壓 力 系統 或 地形自 然 落 差 將可 溶 性 固 體 或液 體 肥料 根據 土壤養(yǎng) 分 含 量和 作 物 種 類 所 需 肥料 的 規(guī) 則 和 特征 對 肥料 和 灌溉水 進行 組合 2 2 對 肥料 和 灌溉水 的 控 制 是 依靠 管道系統 為 解決 農 田灌溉 過程因 水 量 或 者 化 肥 量 失衡導致 作 物 減 產 的 問 題 水肥 一 體 化 智 慧 系統 通過 可 控 制 的 管道系統 供給 水 使 肥料融 合 之 后 再 次 通過 管道和 滴頭 進行 滴灌 實現 均 勻 定 時和 定 量地 滋潤 作 物 3 水肥 一 體 化 智 慧 系統可 調 控 最 佳水肥 比 例 培育 生 長區(qū) 始 終 疏 松 主 要 根 系 土壤 保 持 適 當 的 含水 量 并 根據 不同 作 物 所 需 肥料 的特點 土壤環(huán)境 和 養(yǎng) 分 的 含 量 情況 給 予 作 物 在成 長期 所 需 要的 水 和 肥料 系統 按 生 長 期 進行 需 求 設計 以 水肥 最 佳 比 例 直接供給 作 物 1 2農 田水肥 一 體 化 系統 的現 狀 分 析 1 農 田水肥 一 體 化缺 乏 具 體 的 專 業(yè)的 標 準 系統 社 會 在 不 斷 地 發(fā)展 世 界 科 學技術 水 平 也 在 不 斷 地 進 步 與 高 科 技技術 水 平 相適 應的 新 農業(yè) 也 應 該 不 斷 更 新 但 是 就 目前 而 言 我 國的農 田水肥 一 體 化 系統 并 沒 有 一 套 完 善 具 體 的應用 標 準 同 時 不同 性 質 的農業(yè)機構 所 應用 的農 田水肥 一 體 化 系統 所包 含內容 也 不 盡 相 同 所 以 應 摘 要 作 為 人 口大 國 我 國的農業(yè)發(fā)展 始終 是重 中 之重 科 學技術的 不斷 發(fā)展 也 為 農業(yè)生 產 開 辟 了一 條 智 慧 的 道 路 通 過 對農 田水肥 一 體 化 現 狀 分 析 從 智能 監(jiān)控 智 慧評估 等方面進行研究 設計 農 田水肥 一 體 化 智 慧系統 實 現 水肥 一 體 化系統 的 創(chuàng) 新 發(fā)展 同時以山 東 省德州市武城縣 農業(yè)發(fā)展 為 例 探 究 符合北 方農 田水肥 一 體 化 智 慧系統 的 設計 方 案 實 現 小麥 玉米 棉花 等 北 方 常見 農業(yè)作物的 種植 過 程 更加 智能 對 推 動 我 國農 田水肥 一 體 化 發(fā)展 以及 智 慧 新 農業(yè)發(fā)展 具有 重要 意 義 關鍵詞 水肥 一 體 化系統 智能 監(jiān)控 數字 信 息 技術 中圖分類號 TP277 文獻標志碼 A 文章編號 2096 9902 2021 01 0006 03 Abstract Asacountrywithalargepopulation Chinahasalwaysgivenprioritytoagriculturaldevelopment andthecon tinuousdevelopmentofscienceandtechnologyhaspavedaroadforsmartagriculturalproduction Throughtheanalysisofthe currentsituationoftheintegrationofwaterandfertilizerinfarmland theintelligentsystemoftheintegrationofwaterandfer tilizerinfarmlandisdesignedfromtheaspectsofintelligentmonitoringandsmartevaluation soastorealizetheinnovative developmentoftheintegratedsystemofwaterandfertilizer Atthesametime takingtheagriculturaldevelopmentofWucheng County DezhouCityofShandongProvinceasanexample thispaperexploresthedesignplaninlinewiththesmartsystemof theintegrationofwaterandfertilizerinnorthernChina soastorealizeamoreintelligentplantingprocessofcommonagricul turalcropsinthenorth suchaswheat corn cottonandsoon whichisofgreatsignificanceforpromotingthedevelopmentof waterandfertilizerintegrationandsmartnewagricultureinourcountry Keywords integratedwaterandfertilizersystem intelligentmonitoring digitalinformationtechnology 作者簡介 倪紅 1980 女 本 科 農 藝 師 研究方向 農業(yè) 科 學發(fā)展 6 2021年 1期 智能裝備與系統 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 用范 圍 及 標 準 也都 有 所 不同 缺 少 統 一的 標 準 直接 影響 到 農 田水肥 一 體 化 系統 應用 產生 的 質 量 效果 2 系統 應用范 圍 受限 管 理 人 員 缺 乏專 業(yè) 素質 由 于農 田水肥 一 體 化 系統 發(fā)展 時 間 短 具 備 專 業(yè) 資質 的 維 護 人 員 更 是少之 又 少 有很 多 管 理 人 員 都 是 沒 有經 過 系 統 的 培 訓 就 上 崗 的 3 有 一 些 農業(yè)機構 水肥 一 體 化 系統 應 用之 初 就缺 乏專 業(yè)人 才 后 續(xù) 針 對農 田水肥 一 體 化 系統 應用 及 維護 的 相 關 人 員 進行的 培 訓 考 核更加無 法 達到 要 求 管 理 人 員 對智能 化 環(huán)境 不了 解 對 水肥 一 體 化 系統 不 熟悉 都會 導致 應用 效果 下降 有 的 甚至導致 系統 對 肥 料 和 灌溉水 的 控 制 失 準 失 效 最 終 造成 水肥 一 體 化 系統 應用 水 平 偏 低 使 用者 心里 也 缺 乏 公 信 力 1 3水肥 一 體 化 智 慧 系統 優(yōu) 勢 1 施肥 效果 快 養(yǎng) 分利 用率 高 通過 應用 水肥 一 體 化 智 慧 系統 可以 實現實 時數 據 監(jiān) 控 作 物 表 層 干 燥 度 減 少 施肥 造成 干 燥 作 物 揮 發(fā) 性 的 損 失 應用 管道 閥門 系統 緩慢 溶解 最 終 可以 避免 肥 效 變 慢 的 弊端 2 通過 水肥 一 體 化 技術 肥料 的 利 用率大 幅 提 高 傳 統系統經 驗 是 依 據 全 國范 圍內 的農 作 物 進行 配 比 水肥 比 例 進行 灌溉 的 而 水肥 一 體 化 智 慧 系統 中 的 水肥 比 例 是 依 據 大 數 據 智能 算 法 最 終 得 出 這樣 一 來 可以 更 好地 實現智能 化 配 比 灌溉水 分和 肥料 提 升 作 物 產 量 的同 時 避免 肥料 的 過 度 浪 費 3 水肥 一 體 化 技術 通過 人 為定 量 控 制 滿 足 了 作 物 在 關 鍵 生 長期 間 吃飽喝 足 的 需 要 根 除 了 所 有 缺 乏 癥 在 生產中 可以達到 作 物 產 量和 質 量 良 好 的 目 標 同 時 大 幅 度 節(jié)水 設 施灌溉 比 傳 統 方 式 節(jié)水 多 50 其 中 點 滴灌 溉 最 省 水 2 農田信息監(jiān)測系統評估 2 1相 關 技術 支持 的研究 在 如 今 這樣 一 個 信 息 爆炸 的 時 代 每 天僅 一 個 人 獲 取到 的信 息就 不 計其 數 但是 這 些 毫 無規(guī) 律 的信 息 是 怎 樣 進行 分類 最 后傳 遞 到 每 一 個 人的 呢 首先 面 對 海 量 信 息 資 源 依靠 人 力 進行 分類 處理 是 很難 實現的 這 時 就 需 要一 個 龐 大的電 子 信 息 系統 來 提 供 幫 助 在 科 學技術 水 平高 速 發(fā)展的 今天 始 終 走 在 科 技發(fā)展 前 列 的 計算 機 網絡技術 是電 子 信 息 系統 的重要技術 支持 4 正 是 由 于 計算 機網絡技術的 推 動 作 用 電 子 信 息 技術 迭 代 更 替 取 得 迅猛 發(fā)展 電 子 信 息 系統 被 廣 泛 應用于各行各業(yè) 也 為 其 帶來 了技術 水 平 的不 斷 更 新 所 以 在 農 田水肥 一 體 化 智 慧 系統 中 少不了 計算 機網絡技術的 支持 2 2本 地 環(huán)境 監(jiān) 控 在 農 田 管 理 系統 的 操 作 畫 面上 顯 示 系統 構 成圖 作 物 栽 培環(huán)境 氣象 信 息 土壤環(huán)境 信 息 以及 各 灌溉區(qū)施肥 灌溉 運 行信 息 等 同 時 通過 添 加 農 田 種 植 參 考資料 用于 指 導 農 田水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 監(jiān) 控 指 標 設 置 定 期 更 新 數 據 系統 應用 最 新 的農業(yè) 科 技研究進展 來保 障 農業(yè) 生產 利 用現代 科 學技術 手段 記錄 當 日 各 個時 段 的 灌溉 量 施肥 的 狀 況 等 設 置現 場 警報 在 發(fā) 生 故障 和 緊急 情 況 時 會 自動 發(fā)出 警報 并 將 警報 信 息 發(fā) 送給相 關 管 理 人 員 的 手 機 嚴 重 警報 通過 電 話 通 知 防 止 了 故障 和 事故 擴 大 造成 的 經 濟損 失 此 外 系統 還 會 記錄 所 有 發(fā) 布 的 警報 信 息 管 理 者 收 到 報警 信 息 后 如 果 不能 及時在 現 場 處 理 后 期 可以 通過 手 機 警報記錄找負責 人 詢 問 責 任 2 3遠 程 智能 監(jiān) 控 農 田水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 監(jiān)視 管 理 是 支持 遠 程 功 能的 主 要 包括 遠 程 監(jiān)視 器 遠 程設 備的 診斷 和 維護 使 用 手 機 訪 問 遠 程 智能 監(jiān) 控 管 理 模 塊 使 用 平 板 電 腦訪 問 遠 程 智能 監(jiān) 控 管 理 模 塊 四 個 部 分 管 理 者 手 持 手 機 平 板 電 腦 等 移 動 設 備 接入遠 程 智能 監(jiān) 控 管 理 模 塊 5 自動 提交 數 據 包括 栽 培環(huán)境 氣象 信 息 土壤環(huán)境 信 息 以及 各 灌溉 區(qū)施肥灌溉 運 行信 息 通過 應用 水肥 一 體 化 智 慧 系統 可 以 實現實 時數 據 監(jiān) 控 作 物 表 層 干 燥 度 減 少 施肥 造成 干 燥 作 物 揮 發(fā) 性 的 損 失 應用 管道 閥門 系統 緩慢 溶解 最 終 可以 避免 肥 效 變 慢 的 弊端 同 時 設 置 無 線 網絡 手 機 或 平 板 電 腦 連接 到 園 區(qū) 網絡 后 才 可以 查詢 水肥 一 體 化 管 理 系統 的 操 作 記錄 顯 示 系統 構 成圖 顯 示 各 灌溉區(qū)施肥灌 溉 運 行信 息 防 止 信 息 泄 露 為 遠 程 監(jiān) 控 提 供 安 全 保 障 水肥 一 體 化 技術 依 照 相 關 農 田 種 植 參 考資料 用于 指 導 農 田水肥 一 體 化 智能 系統 的 監(jiān) 控 指 標 人 為定 量 控 制 滿 足 了 作 物 在 生 長 關 鍵期 的 需 要 在 生產中 可以達到 作 物 產 量和 質 量 良 好 的 目 標 3水肥一體化智慧系統 3 1水肥 一 體 化 智 慧 系統 的構 成 目前 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 組 成 主 要是基于 物 聯 網 智 慧 農業(yè)的基 礎 經 過 科 學技術的 迭 代 升 級演 變 產生 的 如 圖 1所示 其 中 主 要 由給 水 施肥 管道 設 備 和 智能 控 制 系統 傳感 器和 感 知 采 集系統 無 線 和有 線 網絡 系統 應用層 服 務 系統 四 個模 塊 組 成 的 四 大 模 塊 依 托 相 應的 部 件 如 壓 力 泵 水 泵 施肥 泵 管道和 電 磁閥 等智能 控 制 器 實現 數 據 獲 取 數 據傳 輸 以及 發(fā)出 指 令 如 土壤 溫濕 度等 數 據 的 存 儲 和 處理 及 發(fā) 送 指 令 至控 制 器 進行 施肥灌 溉 管 理 6 3 2智 慧 系統 中 各 部 分 的 功 能研究 1 關 于 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 數 據 獲 取 部 分 依靠 傳感 器 感 知 和數 據采 集系統可以 實現實 時數 據 獲 取 作 物 表 層 干 燥 度 減 少 施肥 造成 干 燥 作 物 揮 發(fā) 性 的 損 失 通過 7 2021年 1期 智能裝備與系統 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 分 析 銨 狀態(tài) 和 尿 素 狀態(tài) 數 據 智能 控 制 氮 肥 這樣 一 來 既 可以 減 少 地表 揮 發(fā) 性 的 損 失 也 可以 節(jié) 約氮 肥 實現 環(huán)境 保 護 2 通過 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 數 據 分 析 技術 實現 肥料 的 利 用率大 幅 提 高 傳 統 水灌溉 施肥 系統 缺 乏 及時 有 效 地 判 斷 無 法實現 肥料 的 最 大 利 用率 水肥 一 體 化 智 慧 系統可以 實現 比 傳 統 施肥節(jié) 省 50 到 70 的 肥料 以 山 東 省 德 州 市 武城縣 農業(yè)發(fā)展 為 例 如 果 應用 符 合 北 方 農 田 實 際 的 水肥 一 體 化 智 慧 系統 可以 實現 小 麥 玉米 棉花 等 北 方 常 見 的農業(yè) 作 物 的種 植 過程 更加 智能 應用 水肥 一 體 化 智 慧 系統 讓 農業(yè)農 村 走 向 更加 智能 化 的 道 路 3 通過 動 態(tài) 控 制 指 令 滿 足 作 物 在 關 鍵 生 長期 間 的 養(yǎng) 分 需 要 依 據作 物 生 長 特點 設 置 程 序 如 小 麥 玉米 棉 花 等 北 方 常 見 的農業(yè) 作 物 易 出現 水肥 缺 乏 癥 依靠 程 序 指 令 定 量 定 時 進行 可以在 生產中 實現 作 物 產 量和 質 量 良 好 的 目 標 水肥 自動 灌溉 系統 程 序 設計 時 要 根據 不同 作 物或 果 樹 的種 類確 定 最 佳 的 土壤含水 量 范 圍 假 設 某 一 作 物 的 最 佳土壤含水 量 范 圍 為 15 20 含水 量變量 為 X 土壤 傳感 器 標 號 為 I 灌溉 時 間 為 D 7 水肥 自動 灌 溉 程 序 設計流程 圖 如 圖 2所示 當 用 戶 在 農 田 管 理 系統 的 操 作 畫 面上 顯 示 系統 構 成圖 作 物 栽 培環(huán)境 氣象 信 息 土壤環(huán)境 信 息 以及 各 灌溉區(qū)施肥灌溉 運 行信 息 3 3 水肥 一 體 化 智 慧 系統 廣 泛 應用的重要 意義 水肥 一 體 化 智 慧 系統 提 升 農業(yè)智能 化 水 平 現 階 段 我 國農業(yè)農 村 生產 種 類 繁 多 農業(yè)技術發(fā)展 日 新 月異 傳 統 農業(yè) 陷 入無 法 依靠 天 然 農 作 物 生存 的 惡 性處 境 更無 力 支 撐 自 身 發(fā)展 同 時 傳 統 農業(yè) 設 備 設 施 老 化 嚴 重 已 經 無 法 適 應 當 前 科 技提 升 社 會 進 步 和 行業(yè)發(fā)展的 具 體 情況 然 而 對于 水肥 一 體 化 智 慧 系統 來 說 更 容 易 提 升 技 術 更 新 換 代 速 率 互 聯 網信 息 技術 背 景下 出現的行業(yè)特 征 如 技術進 步 快 產 品 生 命周 期 短 升 級 頻 繁 等特點 由 于 傳 統 農 田灌溉 施肥 技術 存 在 弊端 而 產 品 結 合 市 場 必 須 要 經 常 出現 新 變 化 水肥 一 體 化 智 慧 系統 更 能 夠準 確 把 握 技術 和 行業(yè)發(fā)展 趨 勢 持 續(xù) 創(chuàng) 新 不 斷推 出 新 系統和 新 項 目 以 滿 足 現實 需 求 這 給 現代農業(yè)的發(fā)展 帶來 一 定 的 挑 戰(zhàn) 和 機 遇 4結束語 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的應用 給 具 體 負責監(jiān) 測 管 理 職 能 崗 位帶來 了 嚴 峻 的 挑 戰(zhàn) 相 關 機構實 施 監(jiān) 管 能 力 杜 絕 不 愿 管 不 會 管 的 情況 在 市 縣 局 農業(yè) 職 能 部 門 能 夠 發(fā) 揮 有 效 監(jiān) 管 的 作 用 下 對 未 來 水肥 一 體 化 智 慧 系統 的 廣 泛 應用 具 有 重要 意義 參考文獻 1 劉月姣 農業(yè) 部 編制 印 發(fā) 十三五 全 國農業(yè)農 村 信 息 化 發(fā)展 規(guī)劃 J 農 產 品 市 場 周 刊 2016 35 4 2 張萍 胡 應 坤 基 于 ZigBee和 OneNET云平臺 的智能農業(yè) 溫 控系統 J 物 聯 網技術 2021 11 01 25 28 3 裴煥杰 陶嬋 鄧昀 等 兩級決策模 型 下 的 多 網 融 合 農業(yè)物 聯 網智能 節(jié) 水 灌溉 系統 J 科 技 創(chuàng) 新 與應用 2021 01 120 122 4 徐茂 吳 昊 魏祥帥 基 于物 聯 網技術的 江蘇 設 施蔬菜 智能 化 生 產 J 長江蔬菜 2020 08 20 23 5 倪 新 華 殷躍軍 鐘 志 仁 等 基 于物 聯 網技術的 機 插稻硬地硬 盤育秧 智能 管 控系統 J 農業(yè)裝備技術 2018 44 04 31 33 6 蔡長 青 侯首印 張楨 等 溫室 智能 灌溉 水肥 一 體 化監(jiān)控系統 J 江蘇 農業(yè) 科 學 2017 45 10 164 166 7 李志 軍 張 文 祥 杜 麗 等 基 于物 聯 網的智能農業(yè) 監(jiān)控系統 設 計 J 內蒙古 農業(yè) 大 學學 報 自 然 科 學 版 2021 42 02 93 98 圖 2 水肥自 動 灌溉 程 序 設計 流 程 圖 圖 1水肥 一 體 化 智 慧系統 結構 8