水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 何青海 鄭磊 褚幼輝 竇青青 慈文亮 孫宜田 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院 濟(jì)南市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點實驗室 濟(jì)南市 金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司 山東臨沭 摘要 為分析當(dāng)前水肥一體化系統(tǒng)首部存在的問題及探索其發(fā)展方向 首先 以施肥機(jī)和灌溉系統(tǒng)匹配方式為依據(jù) 對系 統(tǒng)首部進(jìn)行分類 闡明支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部和主管路肥料預(yù)混式系統(tǒng)首部的結(jié)構(gòu)和原理 其次 總結(jié)常見的施肥機(jī) 控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式 分析單機(jī)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)的控制方式和控制邏輯 以及各種控制方式的優(yōu)缺點 第三 對 目前新興的水肥一體化 新技術(shù) 裝備 進(jìn)行總結(jié) 闡述水肥一體化與傳統(tǒng)技術(shù)裝備融合的過程中出現(xiàn)的新技術(shù) 新裝備 第四 指出系統(tǒng)首部存在的主要問題 主要論證首部控制系統(tǒng)的控制邏輯難以農(nóng)藝管理相適應(yīng) 難以按相應(yīng)閾值自動啟停 等短板問題 以及土壤與作物生理信息原位在線檢測技術(shù) 按不同作物的需水需肥規(guī)律進(jìn)行水肥決策等難點問題 最后 探討系統(tǒng)首部的發(fā)展方向 終端型設(shè)備向小型化便攜式發(fā)展 控制中心型系統(tǒng)首部與邊緣計算的智能網(wǎng)關(guān)相結(jié)合 智能控 制系統(tǒng)應(yīng)與具體種植模式和莊稼結(jié)合精細(xì)化設(shè)計 從而實現(xiàn)無人化管理 關(guān)鍵詞 水肥一體化系統(tǒng)首部 旁通式施肥機(jī) 預(yù)混式施肥機(jī) 單機(jī)控制 云端控制 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 文章編號 何青海 鄭磊 褚幼輝 竇青青 慈文亮 孫宜田 水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金項目 山東省重點研發(fā)計劃 山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃 山東省自然科學(xué)基金 第一作者 何青海 男 年生 山東東營人 博士 工程師 研究方向為農(nóng)業(yè)信息感知與水肥一體化技術(shù) 通訊作者 孫宜田 男 年生 山東滕州人 博士 高級工程師 研究方向為農(nóng)業(yè)裝備智能化技術(shù) 引言 據(jù)統(tǒng)計 我國用約占世界 的淡水資源和 的 耕地以及 左右的化肥 生產(chǎn)出了占世界 的農(nóng) 產(chǎn)品 養(yǎng)活了世界近 的人口 然而大水漫灌 和過量施肥導(dǎo)致了水肥資源浪費 水體污染 土壤酸化 等問題 嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn) 水肥一體化技術(shù)與傳統(tǒng)灌溉和施肥模式相比 實 現(xiàn)了水肥管理的革命性轉(zhuǎn)變 即渠道輸水向管道輸水 轉(zhuǎn)變 澆地向澆莊稼轉(zhuǎn)變 土壤施肥向作物施肥轉(zhuǎn)變 水肥分開向水肥一體轉(zhuǎn)變 為推進(jìn)水肥一體化技術(shù) 的發(fā) 展 國 家 近 年 來 相 繼 出 臺 了 一 系 列 政 策 其 中 年農(nóng)業(yè)部辦公廳連續(xù)印發(fā)了 推進(jìn)水肥一體化實 施方案 年 對中國水肥一體化的發(fā)展 做出了戰(zhàn)略部署 著力推進(jìn)水肥一體化技術(shù)的本土化 輕型化和產(chǎn)業(yè)化 年中央 號文件指出加快開發(fā) 種類齊全 系列配套 性能可靠的節(jié)水灌溉技術(shù)和產(chǎn) 品 大力普及噴灌 滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù) 加大水肥一 體化等農(nóng)藝節(jié)水推廣力度 水肥一體化系統(tǒng)首部 以下簡稱系統(tǒng)首部 又稱 灌溉首部 是水肥一體化裝備的主體核心設(shè)備 主要包 括增壓設(shè)備 過濾裝置 施肥裝置 量測和控制設(shè)備等 本文主要分析國內(nèi)外常見系統(tǒng)首部的發(fā)展現(xiàn)狀 不包 括過濾裝置與河水處理設(shè)備 重點分析其結(jié)構(gòu) 原 理 控制方式以及新興技術(shù)與裝備等應(yīng)用現(xiàn)狀 指出存 在問題 探討其發(fā)展方向 為水肥一體化系統(tǒng)及相關(guān)設(shè) 備的發(fā)展提供了良好借鑒 系統(tǒng)首部發(fā)展現(xiàn)狀 水肥一體化系統(tǒng) 國外水肥一體化技術(shù)發(fā)展得較早 在發(fā)達(dá)國家早 已大量投入到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中 我國自 年 由墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備 逐漸開始應(yīng)用該技術(shù) 但一直 未在全國大面積推廣應(yīng)用 近年來 隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展 國家政策和經(jīng)費的大力支持 水肥一體化的研究 與應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的發(fā)展 目前對水肥一體化技 第 卷 第 期 年 月 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 第 期 何青海 等 水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 術(shù)及其配套裝備也有不同的認(rèn)識和分類 趙春江等 論述了中國水肥一體化裝備的特點 從設(shè)備的肥料通 道 回液模式 水肥配比方式 控制決策 設(shè)備運行方 式 肥料形式以及管理規(guī)模等方面對水肥一體化裝備 進(jìn)行了分類 如表 所示 表 水肥一體化系統(tǒng)及設(shè)備的分類 序號 分類方式 分類 用戶認(rèn)識 傳統(tǒng)水肥一體化技術(shù) 現(xiàn)代水肥一體化技術(shù) 設(shè)備肥料通道 單通道水肥一體化設(shè)備 多通道水肥一體化設(shè)備 回液是否處理 開放式水肥一體化設(shè)備 封閉式水肥一體化設(shè)備 肥料和水源的配比方式 機(jī)械注入式 自動配肥式 智能配肥式 灌溉施肥機(jī)的控制決策 經(jīng)驗決策法 時序控制法 環(huán)境參數(shù)法 模型決策法 灌溉施肥的運行方式 固定式施肥機(jī) 移動式施肥機(jī) 肥料形式 無機(jī)水肥一體化系統(tǒng) 有機(jī)水肥一體化系統(tǒng) 管理規(guī)模 單機(jī)或小規(guī)模管理系統(tǒng) 大規(guī)模管理系統(tǒng) 系統(tǒng)首部 整個系統(tǒng)首部的核心是施肥機(jī) 國內(nèi)外市場上不 同灌溉施肥機(jī)生產(chǎn)廠家的型號各不相同 如以色列 的 和 荷蘭的 意 大 利 的 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心 中國農(nóng)業(yè)大 學(xué) 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院等施肥機(jī)生產(chǎn)企業(yè) 和研究機(jī)構(gòu)均根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象推出了 不同種類的施肥機(jī) 按照機(jī)身外形和運行特點大致 可分為兩類 一類是混合腔式混肥 一類是開放桶式 混肥 國內(nèi)簡稱為管混式施肥機(jī)和罐混式施肥機(jī) 施肥機(jī)結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)首部的總體的組合方式 可 根據(jù)施肥機(jī)與灌溉主管路的連接方式 分為支管路 注肥旁通式系統(tǒng)首部 管混式 和主管路肥料預(yù)混式 系統(tǒng)首部 罐混式 支管路注肥旁通式 支管路注肥旁通式系統(tǒng)首部結(jié)構(gòu)如圖 所示 優(yōu) 點在于主管路流量大 適合大規(guī)模種植或大田作物的 水肥一體化作業(yè) 由于該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 國外的入門級機(jī)型以及國內(nèi)的大多設(shè)備均采用該種結(jié) 構(gòu) 如 系列 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院 研制的果園水肥藥一體化系統(tǒng) 國內(nèi)其他企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)也設(shè)計了各自的支管路 注肥旁通式系統(tǒng)首部 方金虎等 設(shè)計了一種 控 制施肥裝置 能夠?qū)崟r 動態(tài)的采集農(nóng)業(yè)信息 實現(xiàn)農(nóng) 業(yè)田的智能灌溉 智能施肥與智能噴霧等自動控制 藺 素麗等 設(shè)計了一種注入式比例調(diào)節(jié)自動施肥機(jī) 能 夠?qū)崿F(xiàn)自動補水 自動混肥 自動施肥 且施肥濃度和 流量穩(wěn)定 可調(diào) 自動化程度高 李堅等 設(shè)計了一種 基于吸肥器的小型灌溉施肥機(jī) 建立了小型水肥一體 灌溉機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)了肥料和水的兩次混合 達(dá)到 提高混肥效率 減少水肥混合時間的目的 王利源等設(shè) 計了包含井房控制終端 田間控制終端 氣象站監(jiān)測終 端和系統(tǒng)平臺的高效的水肥一體化自動控制系統(tǒng) 詹 宇等設(shè)計了一個基于 的果園水肥一體化控制系 統(tǒng) 通過支持 通訊協(xié)議的壓力傳感器 液位傳 感器 值傳感器 值傳感器和土壤濕度傳感器 來檢測系統(tǒng)運行參數(shù)和土壤濕度 李繼學(xué)等通過改變 主管道長度和射流泵間距對吸肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并分 析每條射流泵吸肥量 吸肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后 每條射流泵 的吸肥量趨于相同 綜上所述 支管路注肥旁通式系 統(tǒng)首部結(jié)構(gòu)簡單 省去了混合罐 攪拌器等設(shè)備 節(jié)約 了設(shè)備成本 但提升了控制難度 在管路直徑較大的情 況下 容易產(chǎn)生混合不均勻的情況 可在主管路中加入 混合腔提高均勻性 但該問題的研究較少 圖 支管路注肥旁通式水肥一體化裝備 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 主管路肥料預(yù)混式 主管路肥料預(yù)混式系統(tǒng)首部如圖 所示 最明顯 的特征在于有一個混合灌 能夠更精準(zhǔn)地控制營養(yǎng)液 的濃度和 值 該種結(jié)構(gòu)適用于對營養(yǎng)液濃度要求較 高的作物 特別是設(shè)施栽培 常見的產(chǎn)品有 系 列 系列 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的日光溫室 封閉室栽培水肥智能調(diào)控系統(tǒng)等 國內(nèi)的相關(guān)院校和科研院所同樣做了大量的研究 何青海等采用主管路肥料預(yù)混式結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種智能 水肥藥一體化系統(tǒng) 該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)獨立灌溉 還 能實現(xiàn)灌溉施肥 灌溉施藥及水肥藥一體化 施戰(zhàn)備 設(shè)計了一種灌溉施肥機(jī) 采用主管路肥料預(yù)混式結(jié)構(gòu) 由混合灌 灌溉管路 回流去路 灌溉泵 流量計 過濾器 等組成 結(jié)構(gòu)緊湊 灌溉施肥兩用 王麗光等 設(shè)計了一 種主管路肥料預(yù)混式水肥一體化施肥機(jī) 包括控制系 統(tǒng) 主管路系統(tǒng) 注肥系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)和漫液系統(tǒng) 實現(xiàn) 了按需配置水肥 田莉等 設(shè)計了一款三通道旁路吸 肥式水肥一體化自動施肥機(jī) 其中混肥系統(tǒng)基于射流器 并聯(lián) 實現(xiàn)對多種單元素液肥的獨立吸取 李愷等 通 過 軟件對設(shè)計管路進(jìn)行仿真 提出優(yōu)化設(shè)計 方案 選擇合適水泵 以供給文丘里管合適的流量和壓 力 提升設(shè)備吸肥效率和穩(wěn)定性 綜上所述 主管路肥 料預(yù)混式灌溉首部增設(shè)了混合罐 部分系統(tǒng)首部配備了 攪拌裝置 降低了對肥液濃度的控制難度 適用灌溉區(qū) 域較小和對肥液濃度敏感的作物 但是對于不同作物的 不同濃度定量化控制的研究較少 圖 主管路肥料預(yù)混式水肥一體化裝備 系統(tǒng)首部的控制方式 施肥機(jī) 又稱灌溉施肥機(jī) 水肥一體機(jī) 是系統(tǒng)首部 核心 根據(jù)施肥機(jī)對水泵 電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方式 可分為單體灌溉施肥機(jī)和大規(guī)模水肥一體化裝備 其應(yīng) 用場合和控制方式也各有特點 主要有 種控制方式 單機(jī)控制系統(tǒng)首部 單機(jī)控制系統(tǒng)首部主要是面向小面積地塊或單體 溫室大棚的作物 種植作物的種類單一 需肥規(guī)律簡 單 結(jié)合環(huán)境參數(shù) 根據(jù)作物不同的生長階段實時控制 水肥一體化的適量 自動 智能灌溉施肥 在中國市面上常見的施肥機(jī)多為單體灌溉施肥 機(jī) 大多國外設(shè)備的通信協(xié)議自成體系不對外開放 很 難與國內(nèi)的其它設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng) 國內(nèi)對單體灌溉施肥 機(jī)的研究已較為成熟 該類設(shè)備應(yīng)用廣泛 寧玉偉 等 研制了基于單片機(jī)控制的定量灌溉系統(tǒng) 可實現(xiàn) 自動與手動 種灌溉模式的切換 并可對電磁閥啟閉 時間進(jìn)行設(shè)定 李偉等采用 控制技術(shù) 進(jìn)行了自 動化灌溉施肥系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā) 為將 技術(shù)引入到 灌溉施肥控制系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了借鑒 么麗麗 等 設(shè)計了基于 和 的灌溉施肥模糊控制 系統(tǒng) 實現(xiàn)自動灌溉施肥 俞衛(wèi)東等 設(shè)計了一種基 于 的智能灌溉施肥機(jī) 能實現(xiàn)不同營養(yǎng)液濃度 不同灌溉模式的自動控制 張慧等 設(shè)計了一種基于 和 的水肥一體化系統(tǒng) 同時使用變頻器達(dá) 到恒壓灌溉的目的 孟莎莎等 利用傳感器采集數(shù)據(jù) 控制農(nóng)田按需灌溉 按量施肥 實現(xiàn)自動灌溉施肥和監(jiān) 控管理 曾文果等 基于可編程控制器設(shè)計的柑橘根 部灌溉施肥控制系統(tǒng) 可以實現(xiàn)全自動的根部灌溉和 施肥 李帥帥等 建立了描述二次混肥特性的數(shù)學(xué) 模型 設(shè)計開發(fā)了一套具有二次混肥特性的以 單片機(jī)為主控的營養(yǎng)液 值控制系統(tǒng) 黃 語燕等 設(shè)計的水肥一體化施肥系統(tǒng)能根據(jù)不同作 物需求設(shè)置施肥 灌溉策略 且能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域灌溉 不同區(qū)域水肥參數(shù)可單獨設(shè)置 自動完成水肥一體化 灌溉 成金海等 使用以 為主控芯片的集 成板卡實時采集農(nóng)田溫濕度數(shù)據(jù) 光照強度 定期采集 土壤的 值和電導(dǎo)率 并模擬水肥系統(tǒng)的啟動和報 警狀態(tài) 李繼學(xué)等設(shè)計了一套水肥一體化遠(yuǎn)程自動控 制系統(tǒng) 通過觸摸屏對施肥機(jī)實現(xiàn)本地控制 借助手機(jī) 或電腦網(wǎng)站可以遠(yuǎn)距離控制施肥機(jī)完成相關(guān)指 令 目前單機(jī)控制系統(tǒng)首部占據(jù)了主流市場 該類控 第 期 何青海 等 水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 制方式能實現(xiàn)基本的邏輯控制和自動化功能 對于采 用工業(yè)觸摸屏 的控制系統(tǒng) 能夠通過組態(tài)軟件 實現(xiàn)簡單的配方操作 滿足常規(guī)的灌溉施肥需求 圖 單體灌溉施肥控制系統(tǒng) 大規(guī)模水肥一體化裝備 大規(guī)模水肥一體化裝備主要是針對大面積的多種 作物生產(chǎn)而開發(fā)的大規(guī)模灌溉施肥智能管理系統(tǒng) 多 用于農(nóng)業(yè)園區(qū)和大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的水肥管理 一 般需要做配肥站 儲肥罐和多個分區(qū)監(jiān)測站 灌溉施 肥智能管理系統(tǒng)可設(shè)定作物種類 啟動程序自動實現(xiàn) 不同作物的肥料配比 溶解 混勻和輸送等 基于不同 作物生長規(guī)律和環(huán)境條件融合的灌溉施肥決策模型 實現(xiàn)整個農(nóng)業(yè)園區(qū)或生產(chǎn)基地水肥綜合管理 國外大規(guī)模水肥一體化已得到廣泛的應(yīng)用 但僅 有部分產(chǎn)品進(jìn)口到中國 以色列的 控制網(wǎng)是其 中的代表 近年來該項技術(shù)成為國內(nèi)研究的熱點 鄧 曉棟等 設(shè)計了基于 的水肥一體化智能灌溉 系統(tǒng) 用戶在服務(wù)器端控制水池 肥料池或者混合池電 磁閥的打開 進(jìn)而用滴灌的方式對農(nóng)田進(jìn)行水或者水 肥的灌溉 江新蘭等 設(shè)計了基于兩線解碼技術(shù)和云 計算的設(shè)施農(nóng)業(yè)水肥一體化智能云灌溉系統(tǒng) 該系統(tǒng) 通過兩線解碼技術(shù) 確定設(shè)施農(nóng)業(yè)中不同環(huán)境條件下 作物生長的水肥需求和灌溉施肥制度 翟晶等 在設(shè) 施大棚條件下 對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化系統(tǒng) 在草莓種植上的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究 孔德志等 設(shè) 計了一種基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng) 運用物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 實現(xiàn)不同營養(yǎng)液濃度 不同 灌溉模式的灌溉施肥所需營養(yǎng)液的精準(zhǔn)調(diào)配 趙興杰 等 設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng) 完成 土肥信息采集 傳輸 分析 施肥灌溉方案設(shè)計及自動 控制 進(jìn)一步簡化操作程序 提高水肥利用效率 師志 剛等 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐 對水肥一體化智能灌溉 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及效益分析 該系統(tǒng)主要包括智慧平臺 田間灌溉控制系統(tǒng) 智能施肥系統(tǒng)等 個組成部分 李鳳芝等 按照傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 設(shè)計了 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)傳輸 應(yīng)用控制三部分 圖 網(wǎng)絡(luò)水肥一體化裝備控制系統(tǒng) 石瑩 設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化服務(wù) 云平臺 水肥一體機(jī)的設(shè)計 區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測采集設(shè) 備的設(shè)計 數(shù)據(jù)處理 分析及預(yù)測 張賓賓等給出了智 能水肥一體化云控制體系的概念 按照多層化 對象化 并行化 數(shù)據(jù)服務(wù)化思路 設(shè)計出一種具備云計算思想 與特點的智能水肥一體化控制體系框架 隨著信息技 術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 云計算 大數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用到水肥一 體化的控制系統(tǒng) 現(xiàn)場控制器的通訊功能 智能網(wǎng)關(guān)的計 算功能不斷提升 以云服務(wù)器 智能終端的控制模式已經(jīng) 有大規(guī)模的應(yīng)用 該類控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)多種信息的采 集與可視化管理 同時也為智能算法在水肥自動決策系統(tǒng) 中得以應(yīng)用 但目前成本較高 普通用戶難以應(yīng)用 系統(tǒng)首部的新結(jié)構(gòu) 水肥一體化系統(tǒng)終端設(shè)備的技術(shù)模式主要包括滴 灌式 循環(huán)式 噴灌 微噴灌式等 常規(guī)的技術(shù)模式 對系統(tǒng)首部的結(jié)構(gòu)影響不大 隨著水肥一體化技術(shù)的 發(fā)展多樣化 系統(tǒng)首部的結(jié)構(gòu)也有了新的變化 水肥機(jī) 傳統(tǒng)裝備 水肥機(jī) 噴灌溉類裝備 鄒露陽等 為研究豫北地區(qū)噴灌水肥一體化條 件下不同種植密度和施氮頻次對土壤水分 硝態(tài)氮含 量及冬小麥產(chǎn)量的影響 在傳統(tǒng)的噴灌機(jī)上配備水肥 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 機(jī) 發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)種植密度和施氮頻次為當(dāng)?shù)囟←溕?育期的最優(yōu)措施 高效灌溉技術(shù)的發(fā)展以及便宜的塑 料管道大量生產(chǎn) 水肥一體化技術(shù)應(yīng)用于各種農(nóng)田的 灌溉施肥中 而水肥一體化裝備也發(fā)展多樣化 從傳統(tǒng) 的與滴灌 噴灌等設(shè)備結(jié)合發(fā)展到與灑水車 噴霧機(jī)等 移動式灌溉施肥一體式裝備 滴灌機(jī)和噴灌機(jī)將傳統(tǒng) 滴灌系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)首部樞紐各項設(shè)備功能進(jìn)行集 成 無需拆卸和安裝 可獨立完成作業(yè) 在多種水源條 件下均可進(jìn)行灌溉作業(yè) 實現(xiàn)移動便攜式滴灌 適用范 圍廣泛 尤其適合應(yīng)急抗旱時使用 水肥機(jī) 移動式滴灌裝備 王雅云等 提出了適合丘陵山區(qū)的移動式滴灌 水肥一體化模式 即采用滴灌設(shè)備和移動式拖拉機(jī) 使 用增壓泵將注入施肥罐的肥液和水箱中的水從滴灌設(shè) 備按照水肥兼顧的原則滴灌到作物根部 以達(dá)到水肥 高效利用 趙亞麗等 對移動式滴灌在齊齊哈爾市 抗旱灌溉中的應(yīng)用與推廣進(jìn)行了研究 提出了適合丘 陵山區(qū)的移動式滴灌水肥一體化模式 即采用滴灌設(shè) 備和移動式拖拉機(jī) 使用增壓泵將注入施肥罐的肥液 和水箱中的水從滴灌設(shè)備按照水肥兼顧的原則滴灌到 作物根部 以達(dá)到水肥高效利用 水肥機(jī) 新技術(shù) 水肥機(jī) 信息檢測系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為當(dāng)今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)的熱點之 一 將水肥一體化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 水肥一體化系統(tǒng)及裝備按照環(huán)境參數(shù)及作 物的需水需肥規(guī)律 結(jié)合農(nóng)藝專家數(shù)據(jù)庫 給出合理的 水肥實施方案 使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉 施肥 噴藥 不再依靠農(nóng)民經(jīng)驗與感覺 陳滿等 設(shè)計了基于多 傳感器的變量施肥控制系統(tǒng) 結(jié)合采集的多源傳感信 息 實現(xiàn)實時變量施肥控制 高菊等 設(shè)計了一種基 于 的水肥一體化灌溉系統(tǒng) 采用 總線 提 供基于電力線的載波通訊 可以同時完成節(jié)點供電和 通訊功能 盧超等 設(shè)計了一種分布式無線自動澆 灌系統(tǒng) 采用 模塊進(jìn)行無線通信 構(gòu)成 一對 多 的通信網(wǎng)絡(luò) 水肥機(jī) 智能專家系統(tǒng) 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合是整個農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向 水 肥一體化技術(shù)及裝備也將走農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的道路 不同作物 不同生長周期的需水規(guī)律 需肥規(guī)律以智能專家系統(tǒng)的 方式與水肥一體化裝備結(jié)合 指導(dǎo) 裝備的自動運行 實現(xiàn)水肥一體化系統(tǒng)及裝備的自動化 并且先進(jìn)智能專 家系統(tǒng)帶有自學(xué)習(xí)功能 能夠自動更新系統(tǒng)專家數(shù)據(jù) 庫 從而擁有更廣泛的適用性和更高的可靠性 進(jìn)而推 進(jìn)水肥一體化系統(tǒng)向真正的智能化方向發(fā)展 吳景來等 將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到水肥一體化 控制設(shè)備 提高水肥一體化灌溉施肥機(jī)的水肥利用效 率 實現(xiàn)水肥一體化自動精準(zhǔn)灌溉施肥 王麗娟等 將模糊控制應(yīng)用于水肥一體化控制設(shè)備 設(shè)計二維模 糊控制系統(tǒng) 用 軟件對此系統(tǒng)進(jìn)行仿真 并和 傳統(tǒng)的 控制系統(tǒng)進(jìn)行對比 效果理想 李莉等 采用土壤水分傳感器對草莓果期基質(zhì)含水率進(jìn)行實時 監(jiān)測 通過對基質(zhì)含水率隨時間變化的規(guī)律分析 并結(jié) 合日平均溫度進(jìn)行 聚類分析 提出一種草莓 優(yōu)化灌溉策略 存在問題 綜上分析 水肥一體化系統(tǒng)首部硬件結(jié)構(gòu)較為完 善 控制系統(tǒng)中尚存在兩大類問題 短板問題 和 難 點問題 短板問題主要包括 控制邏輯的不優(yōu) 自動 化功能程度不高 難點問題主要包括 土壤與作物生理 信息檢測系統(tǒng)不完善 水肥智能決策系統(tǒng)缺失 短板問題 系統(tǒng)首部控制系統(tǒng)的控制邏輯難以與現(xiàn)代的灌溉 工藝相適應(yīng) 比如水肥一體化灌溉時 施肥會帶入大量 陽離子 而灌溉水在過濾后仍有泥沙顆粒 施肥與細(xì)小 泥沙顆粒相互作用加劇了滴頭堵塞問題 另外灌水均 勻度低的問題嚴(yán)重 尤其是在地勢落差較大的地區(qū) 灌 水均勻度低已成為微灌技術(shù)推廣的瓶頸 市場上的灌 溉首部尚沒有針對該問題的自動控制方案 目前常規(guī) 設(shè)備中的控制邏輯單一 難以滿足控制系統(tǒng)的需求 市場上常見水肥一體化裝備 自動化水平低 仍需 要人工手動操作 常規(guī)的自動控制技術(shù) 比如 通過設(shè)定 不同的土壤水分閾值自動啟停灌溉系統(tǒng) 通過設(shè)定不同 的 值的上下限自動關(guān)閉施肥系統(tǒng) 在目前技術(shù)條件 下不建議自動啟動施肥系統(tǒng) 等 該類技術(shù)是工業(yè)自動 化中的常規(guī)技術(shù) 然則在系統(tǒng)首部的控制系統(tǒng)中鮮有應(yīng) 用 建議相關(guān)技術(shù)人員將工業(yè)自動技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)工程 中來 提升水肥一體化系統(tǒng)首部的技術(shù)短板 難點問題 土壤與作物生理信息是水肥精準(zhǔn)施用的重要依 據(jù) 如不知土壤中的營養(yǎng)狀況 莊稼是不是 渴了 餓 了 水肥的精準(zhǔn)施用無從談起 土壤與作物生理信息 原位在線檢測技術(shù) 是制約水肥一體化發(fā)展的卡脖子 技術(shù) 信息的快速獲取是制約水肥一體化系統(tǒng)首部技 術(shù)水平的難點問題 如果莊稼 渴了 餓了 應(yīng)該提供多少水 多少 肥 眾多農(nóng)藝專家已經(jīng)針對不同的作物進(jìn)行了大量研 究 探明不同作物的需水需肥規(guī)律 但目前的系統(tǒng)首部 大多是依靠人力進(jìn)行判斷 缺少水肥智能決策系統(tǒng) 第 期 何青海 等 水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 如何根據(jù)環(huán)境信息參數(shù) 作物長勢與營養(yǎng)情況以及水 肥需求規(guī)律 開發(fā)水肥智能決策系統(tǒng) 進(jìn)行定時定量按 需灌溉施肥 是目前的技術(shù)難點 目前的一些研究已 經(jīng)將關(guān)注的焦點從土壤轉(zhuǎn)移到植物本體上來 通過光 譜技術(shù) 顯微技術(shù)等快速檢測植物的生命體征與營養(yǎng) 狀況 但該類技術(shù)的成本高 實時性差 對技術(shù)人員要 求較高 難以推廣應(yīng)用 系統(tǒng)首部發(fā)展趨勢 控制終端型系統(tǒng)首部 隨著電子與信息技術(shù)的發(fā)展 終端控制設(shè)備帶有 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能 同時網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備 網(wǎng)關(guān) 的邊緣計算 功能也越來越強 在不需要復(fù)計算的場合 如系統(tǒng)首 部電磁閥 水泵的控制 帶有邊緣計算功能的網(wǎng)關(guān)即可 實現(xiàn)基本的控制功能 如研華科技的物聯(lián)網(wǎng)智能終端 如需復(fù)雜計算 該設(shè)備將數(shù)據(jù)上 傳上云端 由云服務(wù)器負(fù)責(zé)計算 該模式一方面由網(wǎng) 關(guān)負(fù)責(zé)控制 減少了終端控制器 如單片機(jī) 等 投入 降低了成本 另一方面網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行了前期的數(shù) 據(jù)處理 減輕了云服務(wù)器的計算壓力 采用該模式的 系統(tǒng)首部設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單 投入少 是小型農(nóng)場和種植大 戶的首選 具有較大的發(fā)展?jié)摿?控制中心型系統(tǒng)首部 水肥一體化的目標(biāo)是解決莊稼的溫飽問題 讓莊 稼 吃好 喝好 有一個適宜的生長環(huán)境并能夠高產(chǎn) 高質(zhì) 針對大型農(nóng)場和規(guī)模化的合作社開發(fā)系統(tǒng)首部 控制系統(tǒng) 功能越來越全面 除了管理灌溉施肥的田間 作業(yè)外 實現(xiàn)了對整個園區(qū)的環(huán)境信息 作物信息 農(nóng) 機(jī)信息 人員信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)配 逐步形成了一 個以水肥施用為核心 以高產(chǎn)高質(zhì)為目標(biāo)的田園管理 系統(tǒng) 中心控制器也由常規(guī)的單片機(jī) 變成的計 算機(jī) 服務(wù)器 配置越來越好 功能越來越全 能夠全面 的滿足用戶對種植區(qū)域數(shù)字化管理的需求 也是目前 研究的重要方向之一 在操作系統(tǒng)方面 基于云服務(wù) 集成是該類系統(tǒng)首部的核心 操作界面也由常規(guī)的觸 控按鈕向虛擬場景轉(zhuǎn)變 未來的系統(tǒng)首部在操作上更 直觀 更便捷 系統(tǒng)首部智能化控制系統(tǒng)發(fā)展 目前市場上所謂的 智能化裝備 遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智 能的水平 只能稱其為 自動化的初級階段 距離全面 實現(xiàn)自動化還有很長的路要走 眾多生產(chǎn)廠家 把觸 摸屏 手機(jī) 電腦控制定義為智能化控制是不恰當(dāng)?shù)?本質(zhì)還是手動操作 與智能控制和自動控制有本質(zhì)的 區(qū)別 由田間信息采集系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)組成的水 肥一體化系統(tǒng)首部實現(xiàn)無需人手動操作 系統(tǒng)自動化 運行 是目前一個主要的發(fā)展方向 關(guān)于系統(tǒng)首部的智能技術(shù)提升方面 也不能太悲 觀 年中國灌溉發(fā)展大會上各種新裝備也陸續(xù)涌 現(xiàn) 如 雙控制系統(tǒng)的系統(tǒng)首部 可針對大田作物 設(shè)施 蔬菜等不同種植模式的選擇不同的控制模式 恒濃度 施肥系統(tǒng)首部 采用比例閥精準(zhǔn)控制肥液體濃度的施 肥系統(tǒng) 將恒定濃度營養(yǎng)液精準(zhǔn)施用 具有自動灌溉功 能的系統(tǒng)首部 可根據(jù)土壤水分自動啟停的灌溉系統(tǒng) 等等 特別是一些小企業(yè) 在系統(tǒng)首部控制系統(tǒng)上做 的諸多改進(jìn)可圈可點 雖然智能化技術(shù)的全面應(yīng)用仍 然遙遠(yuǎn) 但不遠(yuǎn)的前方有好多工作要做 結(jié)論 綜上所述 水肥一體化系統(tǒng)首部得到了廣泛的關(guān) 注和應(yīng)用 學(xué)者們對水肥一體化技術(shù)的理論研究和實 際意義方面做出了大量研究 特別是在控制系統(tǒng)方面 有了較大的變革 并且系統(tǒng)首部在與常規(guī)裝備的結(jié)合 過程中出現(xiàn)了很多新模式 新技術(shù) 新裝備 然而這些 已有的研究結(jié)論和新興的技術(shù)裝備尚處于起步階段 存在大量的短板問題和難點問題 對于系統(tǒng)首部存在 的問題和發(fā)展方向 筆者主要從控制系統(tǒng)方面提出了 一些建議和思考 希望在行業(yè)內(nèi)能起到拋磚引玉的作 用 為專家學(xué)者們今后的研究功能齊全 系統(tǒng)穩(wěn)定 農(nóng) 民愛用的產(chǎn)品提供些許借鑒 參 考 文 獻(xiàn) 趙春江 郭文忠 中國水肥一體化裝備的分類及發(fā)展方 向 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 高祥照 杜森 吳勇 等 水肥耦合是提高水肥利用效率的 戰(zhàn)略方向 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 高 祥 照 杜 森 鐘 永 紅 等 水肥一體化發(fā)展現(xiàn)狀與展 望 中國農(nóng)業(yè)信息 顧小小 闕寧磊 朱春燕 設(shè)施內(nèi)灌溉首部河水處理技術(shù) 及裝置設(shè)計應(yīng)用探索 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 潘敏睿 馬軍 王杰 等 水肥一體化技術(shù)發(fā)展概述 中 國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 王毅 鄧波 張麗 施肥機(jī)在水肥一體化系統(tǒng)中的研究現(xiàn) 狀及發(fā)展前景分析 灌溉排水學(xué)報 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 方金虎 景明 一種 控制施肥機(jī)裝置 中國專利 藺素麗 王立軍 劉佳元 等 一種注入式比例調(diào)節(jié)自動施 肥機(jī) 中國專利 李堅 劉云驥 王丹丹 等 日光溫室小型水肥一體灌溉機(jī) 設(shè)計及 其 控 制 模 型 的 建 立 節(jié) 水 灌 溉 施 戰(zhàn) 備 一種新型灌溉施肥機(jī) 中 國 專 利 王麗光 鄭 敏 志 水肥一體化施肥機(jī) 中 國 專 利 田莉 李家春 吳景來 等 旁路吸肥式水肥一體化自動 施肥機(jī) 的 設(shè) 計 與 試 驗 節(jié) 水 灌 溉 李愷 尹義蕾 何斌 等 基于 的在線式水肥 一體化施肥機(jī)管路優(yōu)化設(shè)計 節(jié)水灌溉 寧玉偉 李明剛 何玉靜 等 基于單片機(jī)控制的定量灌 溉系統(tǒng) 的 設(shè) 計 河 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 么麗麗 基于 和 的灌溉施肥模糊控制系統(tǒng)的設(shè) 計 太原 太原理工大學(xué) 俞衛(wèi)東 劉永華 孔德志 等 基于 的智能灌溉施肥 機(jī)的研制 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 張慧 基于 的自動化施肥灌溉系統(tǒng)設(shè)計 南通紡 織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 孟莎莎 基于 的灌溉施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 計算機(jī)與現(xiàn)代化 曾文果 蔣世雨 張永磊 等 基于 的柑橘根部灌溉 施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 科 技 李帥帥 李莉 穆永航 等 基于 控制器的營 養(yǎng)液 值調(diào)控系統(tǒng)研究 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 黃語燕 劉善文 陳永快 等 溫室基質(zhì)栽培水肥一體化 施肥系統(tǒng)的構(gòu)建 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 成金海 劉暢 陳昭璇 等 智能水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 鄧曉棟 張文清 翁紹捷 基于 的水肥一體化智能 灌溉 系 統(tǒng) 設(shè) 計 湖 北 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 江新蘭 楊邦杰 高萬林 等 基于兩線解碼技術(shù)的水肥 一體化云灌溉系統(tǒng)研究 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 翟晶 張淑玲 周鵬 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的草莓水肥一體化 應(yīng)用效果研究 耕作與栽培 孔德志 孫昌權(quán) 基于模糊控制的灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng) 用 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 趙興杰 楊彥 尹艷莉 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化技 術(shù)設(shè)計與應(yīng)用效果分析 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 師志剛 劉群昌 白美健 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化 智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計及效益分析 水資源與水工程學(xué)報 李鳳芝 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計與實 現(xiàn) 鄭州 鄭州大學(xué) 石瑩 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化服務(wù)云平臺 石 家莊 河北科技大學(xué) 韓云 張紅梅 宋月鵬 等 國內(nèi)外果園水肥一體化設(shè)備 研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 第 期 何青海 等 水肥一體化系統(tǒng)首部研究現(xiàn)狀與展望 鄒露陽 陳震 段福義 等 噴灌水肥與種植密度互作對 水氮利用效率和冬小麥產(chǎn)量的影響 排灌機(jī)械工程學(xué) 報 王雅云 張晁 丘陵山區(qū)移動式滴灌系統(tǒng)水肥一體化技術(shù) 研究 甘肅水利水電技術(shù) 趙亞麗 王長余 移動式滴灌在齊齊哈爾市抗旱灌溉中的 應(yīng)用 與 推 廣 黑龍江水利科技 陳滿 金誠謙 倪有亮 等 基于多傳感器的精準(zhǔn)變量施 肥控制系統(tǒng) 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 高菊玲 孫昌權(quán) 黃鋒 基于 的水肥一體化施肥機(jī) 傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研制 節(jié)水灌溉 盧超 潘宏利 盧進(jìn)軍 等 分布式無線自動澆灌系統(tǒng)的 設(shè)計 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 吳景來 李家春 陳躍威 等 模糊控制模型在水肥一體 化中的應(yīng)用研究 中國農(nóng)村水利水電 王麗娟 呂途 馬剛 等 基于模糊控制的水肥一體化控 制策略 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 李莉 王宏康 吳勇 等 基于 聚類算法的草莓 灌 溉 策 略 研 究 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報