水肥一体化技术及智能浇灌设备＊

慕嘉伟，黄炳霖，徐梦颖，杨瑞，查志华

水肥一体化技术及智能浇灌设备＊

慕嘉伟，黄炳霖，徐梦颖，杨瑞，查志华

（石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

水肥一体化技术依靠浇灌工具的动力，把掺有肥料的水运输至植物的根系处，这种技术可以提高水资源和肥料的利用程度，并均匀施撒肥料，相比于传统农业灌溉施肥的方式造成的土壤环境污染程度低。对于各种农作物的肥料需求特点和所处土壤墒度，将掺有肥料的灌溉用水经由浇灌设备，把均匀混合的液体运输至农作物的根系土壤处，使水肥的利用率最大化。

水肥一体化；农业生产；精准施肥；劳动力

近20年来，中国的科技、经济水平有了较大的提高，工业和服务业发展迅速，大量劳动人口流向这些产业，导致农村劳动力缺失，使用不成熟的机械化生产使得农业生产成本提高，农业生产水平发展变慢。对于这个亟待解决的问题，研发提高农业生产效率、减少劳动力投入的新兴技术就显得尤为重要。

1 水肥一体化设备工作机理及组成

智能水肥一体化设备由光能和农业电网控制互补模块、水肥比例控制模块和智能浇灌控制模块构成[1]。智能水肥一体化浇灌设备由水源、水泵装置、管网、喷头及智能控制设备构成。此设备的工作原理：当光伏发电供电的节水控制湿度传感器感知到当前土壤环境的湿度低于适宜植物生长的阈值时，光伏发电智能灌溉设备即启动，为植物供水[2]。当光伏发电供能不足时，水泵的功率会下降，管网中的水压传感器将感知到水压下降，降低到设置的最小水压时，浇灌设备由电网控制互补模块接入农业电网，启动水泵，保证设备供水[3]。在浇灌时，控制设备的传感器感知土壤墒度，随时调整水肥浓度，达到智能水肥一体化浇灌的目的。在土壤环境湿度达到适宜农作物生长的区间时，喷头处的阀门将闭合，同时控制设备关闭水泵。设备的设计原则如下。

1.1 基于农作物生长条件和土壤墒度

此设备的设计包含水源、水泵、供能系统、管网和喷头。由传感器感知土壤度参数并依据农作物适宜生长所需的水肥浓度，调整浇灌设备参数[4]。此智能浇灌设备能够精确控制水肥比例，并依据不同植物的生长需求随时改变设置。

1.2 经济实用

相比于由外国进口的智能浇灌设备，本文设计的智能浇灌设备具有操作简便、安装维修便捷的特点，并满足中国温室种植农业大棚的结构特点，提高了设备的普适性，使用国产元件的制造成本降低。

2 水肥一体化设备

本文根据当前国内外小型移动智能浇灌设备的设计原理，在光能浇灌设备的基础上设计了新型的智能水肥一体化浇灌设备。此浇灌设备能在光能供电浇灌设备存在的情况下进行扩展，达到同时节约电能、水资源和肥料的目的。此浇灌设备既符合中国小型温室农业种植大棚的特点，又能提高节水浇灌技术的推广速度，是能够实现多种浇灌方式的通用浇灌设备。

对于目前的光能供电灌溉设备的缺点，提出了光能发电与农业电网互补供电的方法。设计了智能水肥一体浇灌设备的构成，并依据不同的的地理条件设计了一种光能发电和农业电网互补供电的智能浇灌平台，在保证光能发电充分利用的情况下，保证了浇灌设备在光能发电不足的情况下正常工作[5]。创新和改进之处：对于光能供电智能浇灌设备供能不稳定的情况，提出了设计光能发电与农业电网智能切换的给水浇灌设备的想法，解决普通光能供电浇灌设备因光照改变而导致的不能持续工作的问题。

3 智能浇灌设备组成

本文提出的智能水肥一体化浇灌设备，能够满足水肥比例精确配置和智能浇灌的需求。由于此设备受实地条件的影响，浇灌设备依旧有能够改进和提升的部分，包含以下几部分：①此浇灌设备使用的配肥装置能够实现精准配置水肥比例的目的，但消耗的能源较多。接下来要使用实验得到的数据，设计水肥比例配置更完善设备。②外国进口的浇灌设备普遍操作复杂，为了避免这个问题，要设计出交互友好、操作简洁、功能丰富的操作界面，来满足不同地理条件和农作物浇灌需求。③此浇灌设备能够满足智能浇灌的需求，但仅有控制系统做出智能决策，在出现超出控制系统决策能力的情况时，无法进行负反馈调节，可能导致损失的产生。因此，在接下来的设计中，除了增加无线通信模块外，还要增加远程手动关闭系统的方式。

4 存在的问题

综上所述，从外国进口的智能浇灌设备运输成本高、操作本土化程度低、安装维修复杂，且需要专业的技术人员，导致购置价格较高。国内的温室农业种植规模与外国相比有较大差异，不符合中国农业生产特点，进口设备不能得到充分利用，造成了设备资源的浪费，引进的国外智能灌溉系统系统精密、设备昂贵、操作模式复杂。在进行设备的维护保养时，需要花费大量的时间，影响浇灌工作的进行。但中国的智能浇灌设备普遍设计不够精密，关键器件的规格不够全面、普适性差、设备的传感器的精度较低、水肥施用量难以控制，无法达到水肥浓度精确配置和智能控制的目的。市场上很多的浇灌设备都是利用液肥与水混合，经由浇灌管道网络运输至植物根系处，导致施撒肥不够均匀，且难以精准把握肥料的浓度[6-7]。国内的智能灌溉设备也采用变频调速技术和文丘里管，但是目前系统的浓度波动、性能不完善[8-9]。当前中国很多智能浇灌设备均处于实验提出阶段，未能推广到广大农民的手中[10]。研发水肥一体化精准配比技术、生产制造符合中国农业生产特点和满足农民劳动生产需要的小型移动智能浇灌设备对当代中国农业发展有巨大的意义。

5 总结

目前，中国进口的外国智能浇灌设备设计复杂且耗资巨大，使用方法复杂。国内的温室种植大棚相比于国外规模要小，设备的设计不符合中国的农业生产方式，导致购置的设备不能充分利用。中国的智能浇灌系统普遍结构简单，流体压差测量装置规格不够全面，普适性不足，设备的环境数据测量精确度较低，每株植物得到的水肥量差别较大，难以达到按需施肥的智能分配效果。市场上很多的浇灌设备是都是利用液肥和水混合，经由浇灌管道网络运输至植物根系处，导致施撒肥不够均匀，且难以精准把握肥料的浓度。由此可见，研发水肥一体化的精准配置技术并研发符合中国农业生产特点和市场消费需要的小型移动精准灌溉系统，对中国当代农业的进步具有巨大的意义。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技术在农业工程实验实践中的应用［J］.现代职业教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在农业工程DSP技术中的实践研究［J］.现代职业教育，2019（4）：94-95.

［3］周杰，王申，田敏.信息化模式在农业工程DSP技术实践中的应用［J］.天工，2019（4）：46-47.

［4］卢毅，周杰，万连城.一种无线传感器网络二维目标覆盖的改进方法［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，杨景文，马良，等.基于物联网的水肥一体化技术［J］.资源节约与环保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.视频技术在农业工程实践中的应用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，马良，杨景文，等.物联网技术在水肥一体化中的应用［J］.南方农机，2018，49（19）：4，7.

［8］刘宝，向丽，周杰.农业物联网技术与水肥一体化技术［J］.农村经济与科技，2018，29（23）：64-65.

［9］万毅，刘宝，周杰.基于WSN的农业信息研究绪论［J］.科技与创新，2018（23）：88-89.

［10］向丽，刘宝，周杰.基于物联网的高效滴灌施肥系统［J］.南方农机，2018，49（19）：83，87.

S224.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.041

2095－6835（2019）17－0091－02

慕嘉伟（1998—），男，河南焦作人，本科，研究方向为电子信息工程。

查志华（1978—），女，江苏涟水人，研究生，研究方向为电子信息工程。

国家自然科学基金项目（编号：61662063）；促进与美大地区科研合作与高层次人才培养项目“基于智能优化控制的滴灌施肥技术研究”；石河子大学混合式教学改革专项（编号：BL2017032）；石河子大学研究生教育教学改革项目（编号：2019Y-JGFF03）

〔编辑：张思楠〕