水肥协同智能管理技术在设施农业上的应用.pdf

现 代 农 业 科 技 2018 年 第6 期 农 业 工 程 学 摘 要 介 绍 了 水 肥 协 同 智 能 管 理 技 术 在 设 施 农 业 上 的 应 用 现 状、 关 键 技 术 及 重 要 意 义, 并 指 出 了 存 在 的 问 题, 以 期 为 水 肥 协 同 智 能 管 理 技 术 的 应 用 与 推 广 提 供 参 考。 关 键 词 水 肥 协 同； 智 能 管 理； 应 用 现 状； 技 术 关 键； 意 义； 问 题 中 图 分 类 号 S126；TP391 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1007-5739201806-0165-01 水肥协同智能管理技术在设施农业上的应用 卢 义 珮 浙 江 省 嘉 兴 市 秀 洲 区 农 业 种 植 业 推 广 总 站, 浙 江 嘉 兴 314000 近 年 来, 随 着“ 物 联 网” 技 术 的 发 展, 智 慧 农 业、 精 准 农 业、 物 联 网 技 术 在 现 代 农 业 中 的 应 用 逐 步 深 入。 在 监 测 农 作 物 灌 溉 情 况、 土 壤 空 气 变 更 及 收 集 温 度、 湿 度、 风 力、 有 关 土 地 的 湿 度、 氮 浓 缩 量 和 土 壤pH 值 等 方 面, 智 能 化 管 理 技 术 正 在 发 挥 越 来 越 大 的 作 用。 应 用 智 能 化 的 管 理 手 段 灌 溉 施 肥 提 高 植 物 生 产 力, 是 农 业 技 术 人 员 不 断 研 究 和 推 广 的 内 容。 1 发 展 及 应 用 现 状 水 肥 协 同 智 能 管 理 是 近 几 年 提 出 的 田 间 水 肥 管 理 的 新 概 念, 其 核 心 是 用 可 掌 控 的 智 能 化 管 理 手 段 影 响 植 物 生 长 的 两 大 环 境 因 素“ 水” 和“ 肥” 之 间 的 有 机 联 系, 利 用 其 协 同 效 应, 提 高 作 物 生 产 力 和 水 肥 利 用 效 率。 水 肥 一 体 化 技 术 系 统 的 应 用 和 推 广 对 保 护 人 类 赖 以 生 存 的 生 态 环 境 具 有 重 要 的 意 义。 目 前, 在 设 施 环 境 条 件 下, 不 合 理 的 施 肥 既 增 加 了 生 产 成 本, 又 对 土 壤 和 水 体 造 成 严 重 污 染, 而 不 合 理 灌 溉 导 致 肥 料 流 失、 增 加 病 虫 害 发 生 几 率。 只 有 将 水 肥 协 同 技 术 等 科 学 智 能 的 方 法 在 农 业 生 产 中 推 广 应 用, 才 能 真 正 发 挥 物 联 网 技 术 的 作 用, 实 现 科 学 监 测、 科 学 种 植, 提 高 农 业 综 合 效 益, 促 进 现 代 农 业 转 型 升 级。 当 前, 我 国 进 入 了 信 息 化 与 现 代 农 业 融 合 发 展 时 期。 二 维 码 识 读 设 备、 射 频 识 别RFID 装 置、 红 外 感 应、 激 光 扫 描 器 等 信 息 传 感 设 备 等, 将 现 代 信 息 技 术 用 于 改 造 传 统 农 业, 是 实 现 农 业 现 代 化 的 重 要 途 径。 水 肥 协 同 智 能 管 理 技 术 是 物 联 网 技 术 在 农 业 生 产 管 理 中 的 具 体 应 用, 即 运 用 各 类 传 感 器、RFID、 视 觉 采 集 终 端 等 感 知 设 备, 广 泛 采 集 农 作 物 种 植 区 内 的 现 场 信 息； 通 过 建 立 数 据 传 输 和 格 式 转 换 方 法, 充 分 利 用 无 线 传 感 器 网、 互 联 网 和 电 信 网 等 多 种 现 代 信 息 传 输 通 道, 实 现 农 业 信 息 的 多 尺 度、 可 靠 传 输； 然 后 融 合、 处 理 获 取 的 农 业 信 息, 并 通 过 智 能 化 操 作 终 端 实 现 农 业 最 优 化 控 制 及 智 能 化 生 产 管 理, 进 而 实 现 集 约、 优 质、 高 产、 高 效、 生 态 和 安 全 的 农 业 目 标 [1-3] 。 另 外, 农 业 生 产 的 现 实 说 明, 我 国 亟 须 通 过 发 展 农 业 物 联 网 技 术 提 高 农 业 自 动 化 水 平, 提 高 生 产 效 率、 节 约 资 源, 减 少 劳 动 力 需 求 量。 2 关 键 技 术 该 技 术 主 要 是 结 合 物 联 网 技 术, 实 时 掌 握 大 棚 内 的 温 湿 度, 以 及 耕 作 层 土 壤 的 水 分 和 肥 力 情 况, 并 根 据 采 集 到 的 信 息 数 据 做 出 相 应 的 管 理 操 作, 使 灌 溉 和 施 肥 实 现 智 能 化 管 理, 实 现 精 准 供 水 肥, 提 高 肥 料 利 用 率； 节 工 节 肥, 并 大 大 减 轻 面 源 污 染。 主 要 研 究 内 容 包 括 大 棚 种 植 现 场 数 据 采 集 如 温 湿 度、 土 壤 水 分 等, 种 植 区 生 产 现 场 视 频 采 集、 生 产 过 程 监 控, 生 产 过 程 中 的 数 据 分 析, 手 机 监 控、 数 据 收 集, 远 程 灌 溉, 统 一 控 制 操 作。 2 . 1 建 成 水 肥 协 同 智 能 管 理 系 统 购 置 电 脑 控 制 台、 数 据 存 储 服 务 器、 机 柜 以 及 显 示 终 端, 包 括 操 作 台、 拼 接 显 示 屏 等 设 施 设 备, 调 试 完 善 整 个 现 场 监 控 及 数 据 监 测 平 台, 提 升 整 个 种 植 生 产 区 的 微 滴 灌 溉 系 统 并 配 备 电 磁 水 阀。 2 . 2 运 用 物 联 网 传 感 技 术 进 行 传 感 数 据 采 集 及 实 时 监 测 通 过 传 感 设 备 实 时 采 集 种 植 大 棚 内 的 空 气 温 湿 度、 光 照、 土 壤 水 分、 土 壤 温 度、 棚 外 温 度 与 风 速 等 数 据； 将 数 据 通 过 网 络 传 输 到 管 理 平 台, 由 管 理 平 台 对 数 据 进 行 分 析 处 理, 然 后 由 技 术 人 员 根 据 采 集 分 析 后 的 数 据 制 定 相 应 的 调 控 处 置 方 案。 2 . 3 通 过 电 脑 集 中 远 程 控 制 及 智 能 手 机 远 程 监 控 所 有 的 设 施 大 棚 统 一 安 装 电 动 灌 溉 系 统、 电 动 卷 帘 机、 排 风 机 等 机 电 设 备, 可 在 控 制 室 实 现 远 程 控 制 功 能。 技 术 人 员 可 以 通 过 智 能 手 机 登 录 该 控 制 系 统 实 时 监 测 生 产 区 传 感 器 传 输 的 数 据, 按 采 集 的 数 据 分 析 结 果, 制 定 出 容 量 配 方 配 制 水 肥 溶 液； 在 控 制 室 登 录 电 脑 控 制 系 统, 设 定 好 控 制 操 作 逻 辑, 即 可 实 现 远 程 开 启 或 关 闭 电 磁 水 阀 等 大 棚 机 电 设 备 [4] 。 3 水 肥 一 体 化 技 术 的 重 要 意 义 1 水 肥 协 同 智 能 管 理 技 术 的 基 础 是 拥 有 一 套 完 整 的 大 棚 生 产 周 期 各 个 关 键 期 对 水 肥 需 求 标 准 量 的 数 据 库, 然 后 据 此 对 大 棚 生 产 环 境 温、 湿、 肥 综 合 数 据 采 集 对 比 分 析, 制 定 施 肥 灌 溉 方 案, 由 控 制 室 控 制 滴 灌 系 统 在 灌 溉 的 同 时 将 肥 料 配 成 肥 液 一 起 输 送 到 作 物 根 部 的 土 壤, 可 以 适 时 补 充 大 棚 作 物 不 同 生 长 阶 段 对 肥 料 数 量 与 种 类 的 需 求。 2 水 肥 协 同 灌 溉 技 术 是 大 棚 根 系 调 控 的 最 佳 手 段。 通 过 微 灌 系 统 将 所 需 水、 肥 直 接 输 送 到 大 棚 作 物 根 系 土 壤, 既 可 充 分 保 证 养 分、 水 分 的 有 效 供 给, 又 能 促 进 根 系 的 快 速 吸 收 [5] 。 水 肥 协 同 灌 溉 时, 水 肥 溶 液 在 土 壤 中 的 均 匀 分 布 使 其 中 的 养 分 也 高 度 均 匀 分 布, 且 湿 润 范 围 仅 限 于 根 系 集 中 的 区 域, 大 大 提 高 了 根 系 对 水 分 和 养 分 的 吸 收 效 率 及 肥 料 和 水 的 利 用 率。 3 水 肥 协 同 智 能 管 理 技 术 由 电 脑 控 制 具 有 加 肥 装 置 的 微 滴 灌 系 统, 具 有 省 水、 省 肥、 省 工、 提 高 生 产 能 力 的 优 点。 可 以 减 少 肥 料 和 水 的 供 应 量, 提 高 养 分 的 有 效 性, 增 强 大 棚 作 物 对 养 分 的 吸 收； 阻 止 盐 分 对 大 棚 作 物 根 系 和 叶 片 的 伤 害； 减 少 土 壤 板 结、 杂 草 侵 扰、 水 肥 流 失 及 肥 料 对 地 下 水 的 下 转 第167 页 收 稿 日 期 2017-12-25 165 上 接 第163 页 的 现 象, 导 致 直 流 电 动 机 过 热, 影 响 谷 物 测 产 系 统 的 运 行, 造 成 试 验 数 据 不 准 确。 冲 量 式 谷 物 质 量 流 量 传 感 器 较 称 重 式 谷 物 质 量 流 量 传 感 器 更 具 优 势, 安 装 相 对 方 便、 简 单, 并 且 无 需 对 谷 物 联 合 收 割 机 粮 仓 进 行 物 理 结 构 的 改 造。 冲 量 式 谷 物 质 量 流 量 传 感 器 在 进 行 田 间 试 验 时, 出 现 的 问 题 是 谷 物 含 水 量 对 数 据 的 影 响。 谷 物 的 物 理 特 性 会 影 响 冲 量 式 谷 物 质 量 流 量 传 感 器 采 集 数 据 的 精 确 度, 谷 物 含 水 量 发 生 变 化 会 改 变 谷 物 籽 粒 撞 击 冲 量 传 感 器 冲 量 板 作 用 力 的 大 小。 因 此, 谷 物 含 水 量 对 谷 物 测 产 系 统 影 响 较 大, 谷 物 含 水 量 越 高, 测 产 系 统 的 精 准 度 越 低。 3 结 语 综 上 所 述, 冲 量 式 传 感 器 价 格 低 廉、 安 装 简 单, 不 需 要 对 谷 物 联 合 收 割 机 的 粮 仓 进 行 结 构 改 造, 且 运 行 较 稳 定, 更 有 利 于 谷 物 测 产 系 统 的 推 广。 4 参 考 文 献 [1] 陈 巡 洲. 冲 量 式 谷 物 流 量 传 感 器 研 究[D]. 上 海 上 海 交 通 大 学,2009. [2] 吴 庆 波. 谷 物 联 合 收 割 机 适 用 性 影 响 因 素 及 分 析[J]. 农 产 品 加 工,2013 1064-68. [3] 丛 秉 华. 冲 量 式 谷 物 测 产 传 感 器 及 试 验 台 研 制[D]. 南 京 南 京 农 业 大 学,2013. [4] 李 伟. 联 合 收 获 机 产 量 分 布 信 息 获 取 技 术 研 究[D]. 北 京 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院,20012. [5] 丁 永 前. 固 体 颗 粒 料 质 量 流 量 检 测 方 法 的 研 究[D]. 南 京 南 京 农 业 大 学,2009. [6] 周 俊. 冲 量 式 谷 物 智 能 测 产 系 统 设 计[C]// 中 国 农 业 机 械 学 会2006 年 学 术 年 会. 中 国 农 业 机 械 学 会2006 年 学 术 年 会 论 文 集. 镇 江 中 国 农 业 机 械 学 会,2006. [7] 马 朝 兴. 联 合 收 割 机 谷 物 流 量 传 感 器 的 现 状 与 分 析[J]. 农 机 化 研 究, 2008774-77. 上 接 第164 页 2 . 4 药 箱 的 设 计 盛 装 药 液 的 药 箱 要 求 密 封 性 好、 强 度 高、 不 易 破 裂 且 经 济 性 好。 本 设 计 综 合 考 虑 以 上 特 点, 选 择 了 耐 腐 蚀、 强 度 大、 寿 命 长 的 聚 乙 烯 药 箱, 药 箱 的 额 定 容 量 为800L。 2 . 5 静 电 喷 雾 系 统 的 设 计 基 于 感 应 充 电 的 静 电 吸 附 机 采 棉 喷 雾 机, 感 应 电 极 设 在 喷 雾 胶 管 进 水 口 处, 雾 化 喷 头 采 用 非 静 电 喷 头, 可 通 过 选 用 市 场 上 各 种 系 列 喷 头, 实 现 多 种 特 殊 喷 雾 要 求, 通 用 性 好。 相 比 现 有 感 应 充 电 式 静 电 喷 雾 机 选 用 嵌 入 电 极 静 电 喷 头 先 雾 化 再 荷 电 的 方 法, 具 有 结 构 简 单、 容 易 控 制 的 优 点。 根 据 机 械 传 动 系 统 负 载 特 性 分 析, 设 计 静 电 喷 雾 机 机 械 传 动 系 统, 进 行 机 械 执 行 元 件 的 设 计 计 算 与 选 用； 核 心 工 作 部 件 喷 头 应 该 具 有 良 好 的 防 滴 漏 功 能, 以 及 输 送 装 置、 静 电 充 电 装 置 的 绝 缘 配 置 功 能。 3 结 语 本 文 主 要 论 述 设 计 了 一 种 与 拖 拉 机 配 套、 适 用 于 喷 洒 棉 花 脱 叶 催 熟 剂 的 机 采 棉 静 电 喷 雾 机, 通 过 对 该 喷 雾 机 的 整 体 方 案 设 计、 主 要 组 成 系 统 概 述 以 及 工 作 原 理 说 明, 表 明 该 机 具 有 结 构 简 单、 喷 施 效 率 高、 喷 雾 喷 洒 均 匀 性 好、 农 药 使 用 效 率 高 等 优 点, 可 以 满 足 机 采 棉 催 熟 脱 叶 剂 的 各 种 喷 洒 作 业 要 求, 减 少 雾 滴 飘 移 与 喷 洒 药 剂 对 环 境 的 污 染。 目 前, 国 外 静 电 喷 雾 机 械 存 在 成 本 高、 维 护 不 便 等 不 足, 国 内 尚 无 成 熟 的 大 型 静 电 喷 雾 机 械。 因 此, 该 项 目 研 发 的 感 应 充 电 式 机 采 棉 静 电 吸 附 喷 雾 机 械 有 较 大 的 市 场 潜 力。 4 参 考 文 献 [1] 曹 阳, 严 玉 萍, 冯 振 秀, 等. 棉 花 机 械 采 收 脱 叶 剂 应 用 试 验 及 提 高 脱 叶 效 果 途 径 分 析[J]. 作 物 杂 志,20124144-147. [2] 田 晓 莉, 李 召 虎, 段 留 生, 等. 棉 花 化 学 催 熟 与 脱 叶 技 术[J]. 中 国 棉 花, 200614-6. [3] 余 泳 昌, 王 保 华. 静 电 喷 雾 技 术 综 述[J]. 农 业 与 技 术,20044190- 193. [4] 王 科 元, 陈 永 成, 李 华. 农 药 静 电 喷 雾 技 术 的 发 展[J]. 农 机 化 研 究, 2006750-52. [5] 金 晗 辉, 王 军 锋, 王 泽, 等. 静 电 喷 雾 研 究 与 应 用 综 述[J]. 江 苏 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版,1999318-21. 上 接 第165 页 污 染 等； 最 主 要 的 是 可 以 及 时 补 充 作 物 对 肥 料 的 需 求。 4 存 在 的 问 题 一 是 由 于 添 置 整 套 水 肥 协 同 智 能 管 理 系 统 设 备 对 于 一 般 的 农 业 生 产 经 营 主 体 是 一 笔 较 大 的 支 出, 造 成 推 广 速 度 受 影 响。 二 是 目 前 一 些 农 业 主 体 只 注 重 灌 溉 工 程 建 设 和 设 备 配 备、 添 置, 却 忽 视 整 套 技 术 的 衔 接 应 用, 最 终 因 使 用 技 术 存 在 短 板 而 很 难 真 正 实 现 水 肥 协 同 智 能 管 理。 三 是 水 肥 协 同 使 用 的 肥 料 对 溶 解 度 和 纯 度 要 求 很 高, 目 前 市 场 上 许 多 水 溶 性 肥 料 达 不 到 要 求, 且 部 分 水 溶 性 肥 料 因 溶 解 慢、 杂 质 多 而 经 常 堵 塞 滴 头, 严 重 影 响 微 灌 效 率。 四 是 由 于 农 业 主 体 技 术 力 量 缺 乏, 导 致 一 些 微 滴 灌 溉 系 统 设 计 不 合 理、 安 装 粗 放, 使 用 后 缺 乏 必 要 的 设 施 维 护, 影 响 系 统 的 正 常 应 用。 5 参 考 文 献 [1] 郑 纪 业, 阮 怀 军, 封 文 杰, 等. 农 业 物 联 网 体 系 结 构 与 应 用 领 域 研 究 进 展[J]. 中 国 农 业 科 学,2017,504657-668. [2] 雷 莹 莹, 楚 燕. 关 于 农 业 物 联 网 发 展 的 思 考[J]. 创 新 科 技,201610 85-87. [3] 张 成 良. 基 于ZigBee 的 远 程 田 间 监 控 系 统 设 计 与 研 究[D]. 泰 安 山 东 农 业 大 学,2016. [4] 左 梁. 信 息 化 与 农 业 现 代 化 融 合 的 重 要 切 入 点 农 业 物 联 网[C]// 第 十 五 届 中 国 科 协 年 会 第10 分 会 场 信 息 化 与 农 业 现 代 化 研 讨 会 论 文 集. 贵 阳 中 国 科 学 技 术 协 会、 贵 州 省 人 民 政 府,20135. [5] 徐 辉 胜, 郑 重. 棉 田 滴 灌 水 肥 监 测 与 智 能 管 理 技 术 示 范 与 应 用[J]. 农 业 技 术 与 装 备,20081147-48. 学,2013. [2] 安 徽 省 人 民 政 府 办 公 厅. 安 徽 省 人 民 政 府 办 公 厅 印 发 关 于 易 地 扶 贫 搬 迁 工 程 实 施 意 见 等 五 个 脱 贫 攻 坚 配 套 文 件 的 通 知 皖 政 办﹝2016﹞ 5 号[A/OL].2016-01-26[2017-12-25].http// ta/DocHtml/1/2016/6/24/3841718366726.html. [3] 中 共 六 安 市 委、 六 安 市 人 民 政 府 关 于 坚 决 打 赢 脱 贫 攻 战 的 决 定[A/ OL].2016-08-24[2017-12-25].http// 3 62071. [4] 淮 南 市 人 民 政 府 办 公 室 关 于 加 快 水 利 扶 贫 工 程 建 设 的 实 施 意 见[A/ OL].2016-04-05[2017-12-25].http// 12696573.html. [5] 刘 智 超, 孙 辉. 浅 议 精 准 化 水 利 扶 贫 的 实 现 途 径[J]. 中 国 水 利,2015 2336-38. [6] 姚 富 强. 精 准 化 水 利 扶 贫 的 实 现 途 径[J]. 乡 村 科 技,20162994-95. [7] 欧 阳 锋, 雷 波. 水 利 扶 贫 工 作 新 形 势 与 应 对 策 略[J]. 中 国 水 利,2017 458-60. [8] 欧 阳 锋. 新 时 期 水 利 扶 贫 工 作 面 临 的 新 形 势 及 应 对 措 施 分 析[C]// 中 国 水 利 学 会2016 学 术 年 会 论 文 集 下 册. 北 京 中 国 水 利 学 会,2016. 王 言 云 六 安 市 水 利 建 设 扶 贫 工 程 发 展 措 施 167