水肥一体化智慧系统设计及实现研究

2021-03-22倪红

智慧农业导刊 2021年1期

倪红

（武城县农业农村局，山东德州 253000）

二十一世纪以来，随着互联网的普及，人们的衣食住用行无一不与之相关，同时推动通信技术、人工智能等新型科学技术的发展。从日常生活到生产发展都与“智慧”联系到一起，而作为在我国最早出现的生产方式，农业发展一直以来备受关注。2016年党的《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》《国家信息化发展战略纲要》等政策纲领性文件明确指出“信息化成为农业现代化的制高点”，加快农业、农村信息化的发展，培育和建设智慧农业、互联网农业等新兴产业[1]。当前，如何结合数字信息技术已成为智慧农业发展和质量提升的关键环节。实现农业作物种植过程中水肥一体化智慧系统的设计，对推动我国智慧新农业发展具有重要意义。

1 水肥一体化智慧系统的设计概述

1.1 相关概念的理解

（1）水肥一体化技术是集灌溉和施肥为一体的农业新技术。为解决农田作物种植过程耗费大量人力物力的问题，利用新科技手段进行设计，得到的农田水肥一体化系统。水肥一体化系统是根据压力系统（或地形自然落差），将可溶性固体或液体肥料根据土壤养分含量和作物种类所需肥料的规则和特征，对肥料和灌溉水进行组合[2]。

（2）对肥料和灌溉水的控制是依靠管道系统。为解决农田灌溉过程因水量或者化肥量失衡导致作物减产的问题，水肥一体化智慧系统通过可控制的管道系统供给水，使肥料融合之后再次通过管道和滴头进行滴灌，实现均匀、定时和定量地滋润作物。

（3）水肥一体化智慧系统可调控最佳水肥比例。培育生长区，始终疏松主要根系土壤，保持适当的含水量，并根据不同作物所需肥料的特点、土壤环境和养分的含量情况，给予作物在成长期所需要的水和肥料。系统按生长期进行需求设计，以水肥最佳比例直接供给作物。

1.2 农田水肥一体化系统的现状分析

（1）农田水肥一体化缺乏具体的、专业的标准系统。社会在不断地发展，世界科学技术水平也在不断地进步，与高科技技术水平相适应的新农业也应该不断更新。但是就目前而言，我国的农田水肥一体化系统并没有一套完善、具体的应用标准。同时不同性质的农业机构所应用的农田水肥一体化系统所包含内容也不尽相同，所以应用范围及标准也都有所不同，缺少统一的标准，直接影响到农田水肥一体化系统应用产生的质量效果。

（2）系统应用范围受限，管理人员缺乏专业素质。由于农田水肥一体化系统发展时间短，具备专业资质的维护人员更是少之又少，有很多管理人员都是没有经过系统的培训就上岗的[3]。有一些农业机构水肥一体化系统应用之初就缺乏专业人才，后续针对农田水肥一体化系统应用及维护的相关人员进行的培训、考核更加无法达到要求。管理人员对智能化环境不了解、对水肥一体化系统不熟悉都会导致应用效果下降，有的甚至导致系统对肥料和灌溉水的控制失准、失效，最终造成水肥一体化系统应用水平偏低，使用者心里也缺乏公信力。

1.3 水肥一体化智慧系统优势

（1）施肥效果快，养分利用率高。通过应用水肥一体化智慧系统，可以实现实时数据监控作物表层干燥度，减少施肥造成干燥作物挥发性的损失。应用管道阀门系统缓慢溶解，最终可以避免肥效变慢的弊端。

（2）通过水肥一体化技术，肥料的利用率大幅提高。传统系统经验是依据全国范围内的农作物进行配比水肥比例进行灌溉的。而水肥一体化智慧系统中的水肥比例是依据大数据智能算法最终得出，这样一来可以更好地实现智能化配比灌溉水分和肥料，提升作物产量的同时避免肥料的过度浪费。

（3）水肥一体化技术通过人为定量控制，满足了作物在关键生长期间“吃饱喝足”的需要，根除了所有缺乏症，在生产中可以达到作物产量和质量良好的目标。同时大幅度节水，设施灌溉比传统方式节水多50%，其中点滴灌溉最省水。

2 农田信息监测系统评估

2.1 相关技术支持的研究

在如今这样一个“信息爆炸的时代”，每天仅一个人获取到的信息就不计其数，但是这些毫无规律的信息是怎样进行分类最后传递到每一个人的呢？首先，面对海量信息资源依靠人力进行分类处理是很难实现的，这时就需要一个庞大的电子信息系统来提供帮助。在科学技术水平高速发展的今天，始终走在科技发展前列的计算机网络技术，是电子信息系统的重要技术支持[4]。正是由于计算机网络技术的推动作用，电子信息技术迭代更替，取得迅猛发展。电子信息系统被广泛应用于各行各业，也为其带来了技术水平的不断更新。所以，在农田水肥一体化智慧系统中少不了计算机网络技术的支持。

2.2 本地环境监控

在农田管理系统的操作画面上，显示系统构成图、作物栽培环境、气象信息、土壤环境信息以及各灌溉区施肥灌溉运行信息等。同时通过添加农田种植参考资料，用于指导农田水肥一体化智慧系统的监控指标。设置定期更新数据系统，应用最新的农业科技研究进展来保障农业生产。

利用现代科学技术手段，记录当日各个时段的灌溉量、施肥的状况等。设置现场警报，在发生故障和紧急情况时，会自动发出警报，并将警报信息发送给相关管理人员的手机。严重警报通过电话通知，防止了故障和事故扩大造成的经济损失。此外，系统还会记录所有发布的警报信息，管理者收到报警信息后，如果不能及时在现场处理，后期可以通过手机警报记录找负责人询问责任。

2.3 远程智能监控

农田水肥一体化智慧系统的监视管理是支持远程功能的，主要包括：远程监视器、远程设备的诊断和维护、使用手机访问远程智能监控管理模块、使用平板电脑访问远程智能监控管理模块四个部分。管理者手持手机、平板电脑等移动设备接入远程智能监控管理模块[5]。自动提交数据包括栽培环境、气象信息、土壤环境信息以及各灌溉区施肥灌溉运行信息。通过应用水肥一体化智慧系统，可以实现实时数据监控作物表层干燥度，减少施肥造成干燥作物挥发性的损失。应用管道阀门系统缓慢溶解，最终可以避免肥效变慢的弊端。同时设置无线网络手机或平板电脑连接到园区网络后，才可以查询水肥一体化管理系统的操作记录，显示系统构成图，显示各灌溉区施肥灌溉运行信息。防止信息泄露，为远程监控提供安全保障。水肥一体化技术依照相关农田种植参考资料，用于指导农田水肥一体化智能系统的监控指标。人为定量控制，满足了作物在生长关键期的需要，在生产中可以达到作物产量和质量良好的目标。

3 水肥一体化智慧系统

3.1 水肥一体化智慧系统的构成

目前水肥一体化智慧系统的组成主要是基于物联网智慧农业的基础，经过科学技术的迭代升级演变产生的。如图1所示，其中主要由给水、施肥、管道设备和智能控制系统、传感器和感知采集系统、无线和有线网络系统、应用层服务系统四个模块组成的。四大模块依托相应的部件如压力泵、水泵、施肥泵、管道和电磁阀等智能控制器，实现数据获取、数据传输以及发出指令，如土壤温湿度等数据的存储和处理及发送指令至控制器进行施肥灌溉管理[6]。

图1 水肥一体化智慧系统结构

3.2 智慧系统中各部分的功能研究

（1）关于水肥一体化智慧系统的数据获取部分，依靠传感器感知和数据采集系统可以实现实时数据获取作物表层干燥度，减少施肥造成干燥作物挥发性的损失。通过分析铵状态和尿素状态数据智能控制氮肥，这样一来既可以减少地表挥发性的损失，也可以节约氮肥实现环境保护。

（2）通过水肥一体化智慧系统的数据分析技术，实现肥料的利用率大幅提高。传统水灌溉、施肥系统缺乏及时有效地判断，无法实现肥料的最大利用率，水肥一体化智慧系统可以实现比传统施肥节省50%到70%的肥料。以山东省德州市武城县农业发展为例，如果应用符合北方农田实际的水肥一体化智慧系统，可以实现小麦、玉米、棉花等北方常见的农业作物的种植过程更加智能，应用水肥一体化智慧系统让农业农村走向更加智能化的道路。

（3）通过动态控制指令，满足作物在关键生长期间的养分需要。依据作物生长特点设置程序，如小麦、玉米、棉花等北方常见的农业作物易出现水肥缺乏症，依靠程序指令定量定时进行，可以在生产中实现作物产量和质量良好的目标。水肥自动灌溉系统程序设计时要根据不同作物或果树的种类确定最佳的土壤含水量范围，假设某一作物的最佳土壤含水量范围为15%～20%，含水量变量为X，土壤传感器标号为I，灌溉时间为D[7]。水肥自动灌溉程序设计流程图如图2所示，当用户在农田管理系统的操作画面上，显示系统构成图、作物栽培环境、气象信息、土壤环境信息以及各灌溉区施肥灌溉运行信息。

图2 水肥自动灌溉程序设计流程图

3.3 水肥一体化智慧系统广泛应用的重要意义

水肥一体化智慧系统提升农业智能化水平。现阶段我国农业农村生产种类繁多，农业技术发展日新月异，传统农业陷入无法依靠天然农作物生存的恶性处境，更无力支撑自身发展。同时，传统农业设备设施老化严重，已经无法适应当前科技提升、社会进步和行业发展的具体情况。然而对于水肥一体化智慧系统来说，更容易提升技术更新换代速率。互联网信息技术背景下出现的行业特征，如技术进步快、产品生命周期短、升级频繁等特点。由于传统农田灌溉、施肥技术存在弊端，而产品结合市场必须要经常出现新变化。水肥一体化智慧系统更能够准确把握技术和行业发展趋势，持续创新，不断推出新系统和新项目，以满足现实需求，这给现代农业的发展带来一定的挑战和机遇。