水肥气灌溉智能控制技术研究

基金项目：国家“十三五”重点研发计划项目（2017YFD0201504）；浙江省基础公益研究计划项目（LGN20F030001）；2023年度浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2023R486006）

*通信作者：毛峙文（1989-），女，硕士，讲师。研究方向为智慧农业、智能控制技术。

DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.07.004

摘" 要：针对传统农业灌溉效率低、浪费多等问题，根据农作物生长需求，综合应用传感器技术、智能控制技术、计算机网络技术和恒压变频技术等，设计高效的水肥气灌溉智能控制系统。通过传感器、检测仪对天气、土壤等实时数据采集，结合农作物各生长期的营养需求，智能控制系统进行综合采集、分析和处理，进而实现灌溉控制的智能决策与精准灌溉。该系统能够满足水肥气灌溉所需的高精密监测系统和动态过程中表现出来的性能，能够为智慧农业发展提供有效的技术支撑。

关键词：水肥气灌溉；传感器技术；实时数据采集；智能控制；智慧农业

中图分类号：S275" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）07-0013-04

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and high waste of traditional agricultural irrigation， an efficient intelligent control system for water， fertilizer and gas irrigation was designed according to the needs of crop growth， and the sensor technology， intelligent control technology， computer network technology and constant voltage frequency conversion technology were comprehensively applied. Through the real-time data collection of weather and soil by sensors and detectors， based on the nutritional needs of crops in each growth period， this intelligent control system carries out comprehensive collection， analysis and processing， so as to realize intelligent decision-making and precise irrigation of irrigation control. This system can meet the control precision and dynamic performance required by the water， fertilizer and gas irrigation system， and provide strong technical support for the development of smart agriculture.

Keywords： water， fertilizer and gas irrigation; sensor technology; real-time data acquisition; intelligent control; smart agriculture

近年来，国家特别关注对于智慧农业领域的发展要求，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》（“十三五”规划）明确地表明，智能农业的发展是强化改进农业生产链的关键点，也是提高绿色农业的生产效率的主要手段之一。2018年，国家广泛实施乡村振兴战略，提出实施智能化土地、森林和水利保护项目，进一步提高农作物机械国产化水平。2023年，中央一号文件中强调了两点：一要加强农业基础设施建设，其中包括了要加强耕地保护和用途管控，加强高标准农田建设，加强水利基础设施建设，这3项加强为农业基础设施建设提供了严格的标准；二要强化农业科技和装备支撑，推动农业关键核心技术攻关，推进农业绿色发展。加快农业投入品减量增效技术推广应用，推进水肥一体化，建立健全秸秆、农膜、农药包装废弃物和畜禽粪污等农业废弃物收集利用处理相关的制度与体系。智能控水技术、肥料和气灌溉系统是进一步发展智慧农业的核心系统。水肥气灌溉智能控制技术的研究主要对水分、肥料、供氧等农作物需求实现精准且智能的管理与控制、有效提高农业资源的利用率及促进智慧农业的发展都具有重要意义。

随着对农业灌溉节水的相关技术水平、方法的逐步提高和增多及理论知识的深入研究，节水高效农业技术越来越注重信息化和精确度，以满足现代农业对灌溉系统的高要求。智能控水、肥料和气灌的技术研究是结合了氧气供应、化肥和灌溉技术，从开始的农作物播种到最后成熟的每一个阶段，结合当地的气候条件，再根据农作物营养需求，准确地补充有机水分、肥料、气体。这不仅提供足够且有效的氧气，还将大大提高作物用水及肥料的使用效率，促进农作物的生理生长，实现作物的增产提质增收。智能灌溉系统将有效地提高节水灌溉自动化程度，满足实际灌溉控制需求，有效节约水肥取水量，同时在时间、运输、就业和燃料方面也可以大量地节省。

1" 水肥气灌溉智能系统的构成

智能控制灌溉系统整体由水分、肥料、氧气供给一体化模块、数据采集模块、灌溉控制模块和信息检测模块组成，系统工作原理图如图1所示。水分、肥料、氧气供给一体化模块由蓄水设施、输水管网、智能恒压供水系统和排水装置等构成，为系统提供水分、肥料和氧气；数据采集模块由各种传感器，压力表、流量表等构成，动态采集更新灌溉数据，实时监测作物与灌溉状况；灌溉控制模块由变频控制系统、变频吸肥泵、增氧泵、离心变频泵、气液混合泵和电磁阀等构成，根据灌溉设定值和实时灌溉数据实现水肥气流动状态的智能控制。

注：1.电磁阀；2.安全阀；3.气液分离罐；4.排气阀；5.压力表；6.手动阀；7.气液混合泵；8.增氧罐；9.氧传感器；10.真空泵；11.压力表；12.恒压供水系统；13.离心变频泵；14.蓄水设施；15.母液罐；16.过滤器；17.变频控制系统；18.变频吸肥泵；19.增氧泵；20.单向阀；21.文丘里管；22.流量计；23.EC传感器；24.pH传感器。

图1" 水肥气灌溉原理图

通常，衡量土壤水的重要指标是土壤的pH和EC值。所以，智能灌溉系统以EC传感器和pH传感器的反馈信号为灌溉控制主要依据，根据收集到的反馈信号建立有效的EC/pH数学分析，形成一套具有实际意义的决策体系进行合理的科学灌溉。土壤电导率EC是检测土壤中水溶性盐的指标，可判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的因素。土壤pH是反映土壤酸碱的强弱。智能灌溉控制系统收到这2个反馈信号，然后结合作物所需要水的量度，通过泵阀、变频器执行机构实现水的灌溉。研究发现，EC值与灌溉肥液浓度存在线性相关性，EC值是用来测量溶液中可溶性盐浓度的，高浓度的可溶性盐类会使植物受到损伤或造成植株根系的死亡。酸碱度pH也是灌溉过程肥液变化的重要监测指标，与pH有关的问题中最常见的是由于pH过高或过低而引起的营养缺乏或毒害。在目前的农业生产中，过量施肥是普遍现象。虽然国家一直在强调减少化肥使用量，提倡科学种植，但是土壤中依旧积聚了太多的盐分，土壤盐分已经开始严重地影响作物的正常生长。所以，我们必须重视土壤PH/EC值这个指标。

2" 智能灌溉各功能模块的单元分析

智能灌溉控制系统中信息检测模块、数据采集模块、控制器之间为有线或无线通信连接，灌溉控制器执行灌溉控制决策子系统的灌溉决策方案（图2）。

图2" 智能灌溉控制系统结构图

2.1" 水肥气供给模块

水分、肥料、氧气供给一体化模块由蓄水设施、输水管网、智能恒压供水系统和排水装置等构成，为整个灌溉控制系统提供水分、肥料和氧气。其中，水、肥、气分别由水质优化技术、养分利用和盐分控制技术、微纳米氧泡结合产生，对其基本物理性质进行了研究与分析。为了改善提供农作物所需水的化学成分，务必确保所需水中的化学微量元素、无机盐浓度和有机化合物成分，由此满足作物正常生长，而不至于因过分的超标或不足，造成作物死亡。化学氧化技术是添加有机物质氧化剂、催化剂等，使无机物质被有效地氧化，从而实现废水、废气处理；物理处理技术主要依靠紫外线光照消毒法和高温热力消毒法来杀死灌溉水中的微生物。通过各种传感器收集的作物生长信息，并结合土壤条件和气候条件下作物生长周期，对养分使用和肥料盐度控制技术建立了计算作物所需养分的决策模型，从而确保水和肥料的使用量与需要匹配的作物相符合，避免过度营养流失的部分对环境的影响。

微纳米氧气泡发生装置（如图3所示）首先选择一个适合的水泵和气泵，使水和空气分别通过2个泵阀进入到装置内，对空气进行加压，使其与水溶解，然后通过改变节流孔孔径释放气液的方式将溶解的空气以微纳米氧气泡的形式提供，通过叶轮的旋转速度，将空气溶解在水中。水肥气一体化供应系统将肥料、灌溉水和微纳米氧气泡转化为营养液，通过灌溉系统中的各种施肥设备实时监测EC（电导率）和pH，其为农作物最终提供适当的营养浓度，既保证供水含氧量，又保证水肥灌溉效果。

图3" 微纳米氧气泡发生装置技术

2.2" 信息监测模块

信息监测模块将数据采集模块采集的数据信息和决策执行模块所执行的灌溉决策信息通过显示模块进行展示，对决策执行模块所执行的灌溉决策信息进行修改设定的设置模块。信息监测设备实现作物生长状态的实时监测，存储各种灌溉决策方案，并能将数据采集模块所采集的信息进行比对，找出适用于当前数据采集模块所采集信息的对应灌溉决策方案，由决策信息执行模块执行当前设定的灌溉决策信息，最终控制灌溉设备的控制器，实现准确、合理的水肥灌溉，大大提高灌溉效率和效果。

2.3" 数据采集模块

数据采集模块中的信息采集器包括氧传感器、土壤湿度传感器、EC传感器、pH传感器和压力表等结构，实现对土壤养分、温度、有机质和含水率的采集，传送信息数据至信息监测模块和决策系统。氧传感器是由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，用以检测气管中氧的浓度是否达到土壤所需的指标；土壤湿度传感器主要用来测量土壤含水量；EC传感器（电导率）在水质监测中，电导率是反映水质质量的重要指标之一。当水的电导率值越高，导电性就越好。pH传感器用来对营养液进行测量，检验营养液的氢离子浓度，然后转换成可输出信号。

2.4" 灌溉控制模块

灌溉控制器主要包括变频控制系统（变频肥料泵和离心变频泵）、通风泵、气液混合泵和开关等，根据灌溉组设定数值和实时灌溉数据进行比较，达到对水、肥、气流状态智能控制的目的。针对具体植物状况、灌溉要求、环境条件等调整灌溉控制方案，并反馈至灌溉控制系统通过执行机构实现水肥灌溉。

3" 智能灌溉控制技术

智能灌溉系统以提高农田需水、需肥等信息诊断与控制灌溉的智能化水平为目标，通过PLC控制技术、单片机控制技术、计算机网络技术、供水融合技术与农业节水技术，开发水、肥料和空气智能灌溉系统，将其运用于现代智慧农业，有效提高灌溉效率，使水肥灌溉的效益最大化。

3.1" PLC控制技术

可编程控制器运行稳定，抗干扰能力强，PLC控制器可以接收来自现场采集站的数据，同时对接收到的信号进行处理，发送驱动信号。通过变频调速装置在供水系统中的PLC控制技术相互作用，不仅可以节省能源、压力、流量控制等其他多方面的效果，还改革了传统人工控制阀门的方式以此来改变农作物所需的水量。通过现场PLC控制和联网可以实现恒压供水控制、自动除沙过滤控制、自动施肥控制。变频调速装置在调速性能好、节能效果明显、控制精度高、维护成本低及适用范围广等方面都优于其他任何一种交流调速方式，其具有欠电压保护、过电压保护、过负载保护、过热保护、瞬间停电保护和瞬时过电流保护等多种保护功能，故能使系统运行安全可靠，变频器是目前最好的软起动设备。恒压供水系统具有先进的技术特点：自动化高、高效节能、功能齐全和保护完善。

3.2" 单片机控制技术

系统以传感器实测土壤水分经模数转换后的数据作为输入信号，经模块通信和运算处理后，输出灌溉参数实时控制灌溉电磁阀、水泵、肥泵等。高性能单片机实现灌溉系统的基本控制功能，对实时的天气、土壤、作物需求等传感器采集到的信息进行数据分析，由执行控制器输出灌溉信号，并直接让发出操控指令的计算机进行记录和存储传送到的信息与灌溉信号，同时人机交互模块显示出状态信息。

3.3" 计算机网络技术

通过主要工作站接收模拟检测信号，如压力、流量等，然后通过模拟转换装置进行处理，通过电缆传给监控计算机，并通过网卡传给计算机进行显示、设定压差值、计算不同泵房的流量并进行自动换算累加。计算机网络技术可实现网上浏览和网上发布，保证上位管理系统正常运行。

3.4" 供水融合技术

智能灌溉控制系统分为上位管理层、调度监控层、现场采集层，通过融合控制实现层层关联达到精准控制。

1）上位管理层：上位管理系统由网络版组态软件、服务器、集线器和网卡等组成，能够实现网上浏览和网上发布。

2）调度监控层：主要为自动化监控系统，自动化监控能够在中央控制室实时展示整个灌溉系统的生产和运行情况，并记录、分析、故障检测等。自动监控系统由监控计算机、大屏幕显示系统及总线控制卡组成。监控计算机通过现场连接数据收集工作站，接收每个数据收集站的数据，在紧急情况（如警报等）下，上位机系统可以为数据收集站发出适当的操作命令。与此同时，使用软件开发的监控应用软件，可以使人们实时和动态地了解灌溉系统的实际运作情况，也可以存储灌溉设备数据、统计分析、数据显示、打印和记录等。

3）现场采集层：由压力传感器、电磁流量器、差压传感器、电磁阀、变频器、PLC和除沙过滤器组成，通过接收调度监控层的操作命令进行工作。

3.5" 智能灌溉控制技术

微纳米气泡增氧装置（图4）中，气液混合泵在吸水的同时进行吸气，泵的叶片高速旋转时会将气泡切割分化，泵内压力较高，使得空气和水充分混合，形成高浓度溶气水。气液分离罐的作用是将气液混合泵形成的高浓度溶气水中的大颗粒气泡与水体分离开来，避免因较多大颗粒气泡存在而使得管路出现冲击、振动等不稳定现象。排气阀的作用主要是配合气液分离罐将水气混合物中未溶解的大颗粒气泡排出。溶氧传感器用来实时显示和检测增氧罐中水的溶氧值，微型泵主要为溶氧值检测提供一个相对流动的环境，使得溶氧传感器的检测更加准确。水气应用装置以水路作为主体管路，设置旁路可用于增氧应用或者施肥混合等，配备有主水泵、增氧泵、流量计、EC和pH传感器、排气阀及压力表等。

图4" 智能灌溉控制装置结构示意图

4" 结束语

传统灌溉技术存在水肥利用率低、管理水平落后等问题。智能控制水、肥料和气灌技术的研究正成为不仅是国内甚至延伸到国外灌溉技术研究和理论知识研究都有望取得农业科学领域突破的一个热点，为水、肥、气智能精准灌溉系统提供有力支撑。

利用智能水肥气灌溉控制技术，人们可以通过手机或相关仪器对农作物进行浇水、施肥等一系列养殖管理来实现不出门就可操作，同时，科技工作者通过检测系统反馈得来的作物状态和环境情况，对作物生长状况了解并判断，帮助使用者进行远程智能控制和合理的水肥处理。科学地调控灌溉水中养分浓度和含量指标，不仅节约水资源、促进农业现代化发展，还可实现增产增收和环境保护。

近年来，集中推进建设高标准农田灌溉体系，改善农业生产用水条件，提高水资源支撑保障能力。大力度去建立一套完备的农作设施、科学的管理方式、高效率的用水习惯、保持生态良好的农业用水体系，注重大数据技术、“互联网＋”、“AI+”与智能算法和云技术算法相结合，以此进一步提高农业用水效率和节水效益，助推农业绿色高效发展。

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