智能水肥一体化关键技术的研究

韩卫华

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030031）

我国是一个农业大国，现代农业的发展核心就是智能化农业装备，配套相应的专业化、现代化农机设备。由于采用传统种植模式，智能化技术在农业装备的应用还不成熟，并且存在农业装备成本过高、稳定性不够高、智能性还需进一步提高等问题。因此，大力发展农业装备的智能化是推动现代农业发展的关键因素。

随着经济的发展与人口的持续增长，中国的水资源日趋不足，水资源总量仅为世界的6%，部分种植区基本上还是采用传统农业灌溉，浪费了大量的水资源，造成我国严重缺水。水是作物生存之源，是农业生产发展的必要条件。化肥不仅能提高土壤肥力，而且也是提高作物单位面积产量的关键因素，是作物增产高产的物质保证和基础。传统的粗放式灌溉施肥的方式，造成了水资源和肥料利用效率低的问题，引起了一系列环境污染、资源浪费和影响农产品质量安全等问题，从而限制了农业的可持续发展[1]。随着节水灌溉技术的发展，与其相结合的水肥一体化技术的应用引起了人们的关注。

我国在水肥一体化技术智能灌溉系统的研究起步较晚相对落后，缺乏相应的科学化、智能化、信息化管理[2]。尤其在山西省，虽然近几年掀起了温室大棚设施蔬菜建设高潮，各县都大力发展温室大棚设施生产，但由于配套服务跟不上，效益不明显。栽培所需的品种选择、技术培训缺乏有效的配套技术服务，造成产品产量低，影响农民种植积极性。温室大棚机械化作业水平低，自动控制技术装备水平偏低，工作环境差、效率低、劳动强度大，降低了山西温室大棚设施蔬菜竞争力。因此，推广应用智能水肥一体化技术就显得尤为重要。

水肥一体化技术正朝着精准农业和配方施肥方向发展。作物的需肥量和需水量必须依据作物全生长期的所需水肥量精准控制。有针对性地进行配方设计，合理地进行灌溉施肥，达到节水节肥、省工省力、增产增收的效果。

智能水肥一体化技术，是将施肥系统与灌溉系统完美结合，提高水分利用率和肥料利用率。结合物联网技术，通过对各种传感器的数据分析，达到精确控制施肥量、水量及施肥时间的目的，实现电脑端和手机端的远程自动化控制，从根本上改变传统农业结构，大力促进生态环境保护和建设[3-7]。因此，智能水肥一体化技术必将得到国家的大力支持和推广，发展前景十分广阔。

1 研究内容

水肥一体化技术的迅猛发展和物联网的广泛使用，急需研发一套智能化程度高、使用性强、操作简单的水肥控制系统。结合物联网技术，信息化物联网管理平台，通过土壤信息、环境信息的采集，远程监测控制，指导施肥灌溉作业，真正实现智能化、现代化农业管理。

在水肥一体化控制系统的研究基础上，将物联网技术融入到水肥一体化智能控制系统中，研发一种新型的智能精准配肥控制灌溉系统。该系统通过传感器采集土壤温湿度、空气温湿度、光照条件等环境信息和水肥中的pH 值、EC 值，采用无线传感网络软件上传到物联网云平台，对数据加工、处理，自动施肥灌溉控制系统做出智能化决策，实现智能化施肥灌溉控制，满足用户需求。

智能水肥一体化控制系统图见图1。

智能水肥一体机的主要功能包括：①根据土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器控制灌溉系统；②根据土壤氮磷钾、EC、pH 值传感器控制施肥系统，实时监测调节注肥总量和瞬时注肥量；③各类故障实时监测和报警功能。具有低液位保护，注肥泵、搅拌电机过载保护，过滤器堵塞保护，低流量保护等功能；④远程控制功能。实时监控环境信息和水肥信息，根据信息决策灌溉施肥任务，实现了对温室内农作物的精确灌溉与施肥的智能控制和管理，提高水肥利用率。

2 水肥一体化技术

水肥一体化控制系统是指根据不同农作物的生长环境，按需灌溉、按需供肥、水肥平衡的原则，配制适当浓度的肥液输送到灌溉系统，通过适合的灌溉设备输送给作物。

水肥一体化技术采用的灌溉系统大体分为喷灌和微灌，其设备主要由首部枢纽系统、水肥一体机、管道系统和自动控制系统所组成。

2.1 首部枢纽系统

首部枢纽系统主要包括过滤系统、水泵、变频控制柜、压力和流量监测设备、施肥设备和自动化控制设备。首部枢纽是全系统的控制中心。

过滤系统是水肥一体化应用的必备设备，防止井水中粗砂、细砂和一些化学物质堵塞滴头。满足节水灌溉的过滤要求最常用的模式有过滤器、叠片式过滤器、砂石过滤器等。井水优质水源灌溉，只需要配置离心加网式或离心加叠片过滤模式相结合。地表水过滤系统按经验设计时，多数设计为砂石过滤加网式过滤，或者砂石过滤加叠片过滤。自动反冲洗过滤器可使用时间、流量、压差等参数决定反冲洗任务的开启。

2.2 水肥一体机

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化是利用管道灌溉系统，将可溶性固体肥料或液体肥料溶解于水中，进行灌溉与施肥，均匀、准确地输送到作物根部土壤。根据作物生长各个阶段对水肥养分的需求进行设计，采用智能灌溉施肥技术，把水分和养分定量定时、按比例直接提供给作物。

水肥一体机通过传感检测技术、计算机技术、自动化控制技术，实现水肥供应的自动管理和分配。系统根据用户设定的空气、土壤的温湿度、EC 值、pH 值、施肥比例、施肥时间、灌溉时间、自动反冲洗时间等，通过数据库管理系统的处理，控制一套适时适量比例肥注的水肥灌溉系统，自动完成施肥任务，实现对灌溉、施肥的定时、定量控制。因此，水肥一体机的应用，既能提高作物产量，又能节水节肥、省力省时，为实现现代化农业迈进了一步。

2.3 灌溉管路系统

管径根据流量设置，将处理过的水按照要求输送到灌水单元。

2.4 自动控制系统

通过自动采集作物环境气候信息、土壤的温湿度、作物生长信息，水肥的pH 值和EC 值，采用无线或有线传输技术，结合当地作物的需水和灌溉轮灌情况制定自动开启水泵、阀门，实现无人职守自动灌溉，预防人为误操作。

3 智能水肥一体化技术

智能水肥控制技术是基于水肥一体化的工作原理，采用先进的灌溉技术，结合物联网远程控制、土壤气象墒情监测等技术，向着精准农业方向发展，融合信息化技术，建立一套完备的农作物智能服务体系，实现了对农作物生长环境的实时监控、水肥灌溉远程控制、农业数据采集分析等功能，实现农作物全周期的标准化作业。

随着信息化技术的普及，物联网技术的发展给人类发展和社会经济带来了前所未有的机遇，我国物联网技术领域的研究取得显著的成果。目前，我国正在从传统农业向现代化智慧农业转型，我国物联网技术在农业上的应用还处于研究起步阶段，物联网技术能够大大提升农机的智能性。

物联网的主要功能是基于互联网的所有事物的互联，实现物品与物品之间的信息交换和通讯。物联网就是把各种传感器、信息处理器和无线网络融合成一个有机整体，对目标进行精准感知、自动控制、数据分析与决策的智能管理。物联网的体系结构分为3 层，依次是感知层、传输层和应用层。感知层主要是利用部署在种植园内的传感器精准感知环境信息、土壤墒情信息、作物信息、电磁阀状态等信息，采集的数据信息汇总分析转换为数字信息，通过信息传输层传输给应用管理层，经过接受、存储数据的分析，采用最优化方案形成操作指令，控制指令经过无线通讯网络传回感知层，驱动操作执行装置控制相应的灌溉与施肥设备采取相应的灌溉与施肥操作，确保精准施肥，提高水肥利用率[8]。

农业物联网和水肥一体化技术的结合，采集土壤的温湿度、氮磷钾成分、空气的温湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度等信息，对土壤环境气候信息进行处理，为农作物成长的情况提供数据，实现智能化管理。基于精准农业，通过传感器精准采集影响植物生长的水、肥、气、热、光等环境信息，并结合植物生理生长信息的实时监测，传感器采集的数据通过节点，以无线形式传输到监测站主机，监测站主机将监测结果发送到数据中心，以便用户远程监控，为用户提供高效、经济、方便的温室农业环境数据采集途径[9]。

因此，智能施肥一体机就是无线通信技术、传感器技术、信息处理技术、农业自动化和信息化进程的不断深入。依据农作物需水需肥规律及当地灌溉量，确定灌水次数、灌水时期、一次灌水时间、定额和整个生育期的灌溉总量。根据农作物的需肥规律、地块的肥力水平及目标产量确定总施肥量、氮磷钾养分的比例及基肥与追肥的比例，设计科学的灌溉、施肥方案。依照所需设定输入参数包括过滤时间、反冲洗时间、EC 值、pH 值、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、投料量、搅拌时间、投料时间、施肥流速等。环境信息采集模块通过土壤信息采集传感器包括土壤温湿度、pH 值、EC值，环境信息传感器包括空气温湿度、光照度，二氧化碳传感器，通过的采集的数据进行处理分析，计算出科学的灌溉量和灌溉时间，并且将控制信息传送到阀门，进而实现智能的施肥和灌溉[10-12]。根据农作物生长的营养需要、土壤湿度等信息，实现水肥均匀化搅拌，同时精准地实现灌溉施肥的时间和使用量。因此，可以解决灌溉施肥中肥料溶解不充分、不均匀的问题，除此之外还提高了精准施肥，降低了化肥的浪费和沉淀堵塞问题的发生，较大程度上降低了人力成本。

物联网技术在水肥一体机的实现，有利于对温室内农作物的定时、适量、均匀、精确地灌溉与施肥，提高水肥利用率，同时有效地控制了污染。因此，物联网技术的支持使得现代农业向精细化、智能化方向发展。

4 结语

将物联网技术融入到水肥一体化智能灌溉系统中，设计出一种新型的水肥一体化智能灌溉系统，大大提升了灌溉系统的智能性、可靠性和经济性。智能水肥一体机全面提升农田水分生产效率和化肥利用率，对发展现代节水型农业、转变农业发展方式、促进农业可持续发展起到重要作用。

水肥一体化智能灌溉系统涉及物联网技术和水肥一体化技术，而国内的水肥一体化智能灌溉系统目前处于快速发展阶段，尚未成熟。国内现有的物联网技术在农业系统还都处于完善阶段，服务形式还比较简单，技术上还缺少多参数传感器融合技术的应用。因此，需要大力推进物联网在农业领域的研究，促进我国设施农业的智能化发展。

在今后的工作中，应该结合园艺技术要求制定出不同施肥方案。通过系统推荐的施肥方案优化氮、磷、钾配肥比。在将物联网技术运用到水肥一体化智能灌溉系统的基础上不断深入，并将农业数字化管理技术与现代温室大棚栽培工艺相融合，进一步提高水肥一体化灌溉系统的智能化。同时，将智能设施、智能装备、智能系统、种植需求相结合，以期提高水肥利用率、提高农作物产量、减少环境污染、提高农业现代化设施科技含量。