基金項目：國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0201504）；浙江省基礎(chǔ)公益研究計劃項目（LGN20F030001）；2023年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃（2023R486006）

*通信作者：毛峙文（1989-），女，碩士，講師。研究方向為智慧農(nóng)業(yè)、智能控制技術(shù)。

DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.07.004

摘" 要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉效率低、浪費多等問題，根據(jù)農(nóng)作物生長需求，綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和恒壓變頻技術(shù)等，設(shè)計高效的水肥氣灌溉智能控制系統(tǒng)。通過傳感器、檢測儀對天氣、土壤等實時數(shù)據(jù)采集，結(jié)合農(nóng)作物各生長期的營養(yǎng)需求，智能控制系統(tǒng)進行綜合采集、分析和處理，進而實現(xiàn)灌溉控制的智能決策與精準(zhǔn)灌溉。該系統(tǒng)能夠滿足水肥氣灌溉所需的高精密監(jiān)測系統(tǒng)和動態(tài)過程中表現(xiàn)出來的性能，能夠為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水肥氣灌溉；傳感器技術(shù)；實時數(shù)據(jù)采集；智能控制；智慧農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S275" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：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

近年來，國家特別關(guān)注對于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展要求，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》（“十三五”規(guī)劃）明確地表明，智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展是強化改進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵點，也是提高綠色農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率的主要手段之一。2018年，國家廣泛實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，提出實施智能化土地、森林和水利保護項目，進一步提高農(nóng)作物機械國產(chǎn)化水平。2023年，中央一號文件中強調(diào)了兩點：一要加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中包括了要加強耕地保護和用途管控，加強高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，加強水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這3項加強為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)；二要強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，推動農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。加快農(nóng)業(yè)投入品減量增效技術(shù)推廣應(yīng)用，推進水肥一體化，建立健全秸稈、農(nóng)膜、農(nóng)藥包裝廢棄物和畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物收集利用處理相關(guān)的制度與體系。智能控水技術(shù)、肥料和氣灌溉系統(tǒng)是進一步發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的核心系統(tǒng)。水肥氣灌溉智能控制技術(shù)的研究主要對水分、肥料、供氧等農(nóng)作物需求實現(xiàn)精準(zhǔn)且智能的管理與控制、有效提高農(nóng)業(yè)資源的利用率及促進智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

隨著對農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的相關(guān)技術(shù)水平、方法的逐步提高和增多及理論知識的深入研究，節(jié)水高效農(nóng)業(yè)技術(shù)越來越注重信息化和精確度，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對灌溉系統(tǒng)的高要求。智能控水、肥料和氣灌的技術(shù)研究是結(jié)合了氧氣供應(yīng)、化肥和灌溉技術(shù)，從開始的農(nóng)作物播種到最后成熟的每一個階段，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，再根據(jù)農(nóng)作物營養(yǎng)需求，準(zhǔn)確地補充有機水分、肥料、氣體。這不僅提供足夠且有效的氧氣，還將大大提高作物用水及肥料的使用效率，促進農(nóng)作物的生理生長，實現(xiàn)作物的增產(chǎn)提質(zhì)增收。智能灌溉系統(tǒng)將有效地提高節(jié)水灌溉自動化程度，滿足實際灌溉控制需求，有效節(jié)約水肥取水量，同時在時間、運輸、就業(yè)和燃料方面也可以大量地節(jié)省。

1" 水肥氣灌溉智能系統(tǒng)的構(gòu)成

智能控制灌溉系統(tǒng)整體由水分、肥料、氧氣供給一體化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、灌溉控制模塊和信息檢測模塊組成，系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。水分、肥料、氧氣供給一體化模塊由蓄水設(shè)施、輸水管網(wǎng)、智能恒壓供水系統(tǒng)和排水裝置等構(gòu)成，為系統(tǒng)提供水分、肥料和氧氣；數(shù)據(jù)采集模塊由各種傳感器，壓力表、流量表等構(gòu)成，動態(tài)采集更新灌溉數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測作物與灌溉狀況；灌溉控制模塊由變頻控制系統(tǒng)、變頻吸肥泵、增氧泵、離心變頻泵、氣液混合泵和電磁閥等構(gòu)成，根據(jù)灌溉設(shè)定值和實時灌溉數(shù)據(jù)實現(xiàn)水肥氣流動狀態(tài)的智能控制。

注：1.電磁閥；2.安全閥；3.氣液分離罐；4.排氣閥；5.壓力表；6.手動閥；7.氣液混合泵；8.增氧罐；9.氧傳感器；10.真空泵；11.壓力表；12.恒壓供水系統(tǒng)；13.離心變頻泵；14.蓄水設(shè)施；15.母液罐；16.過濾器；17.變頻控制系統(tǒng)；18.變頻吸肥泵；19.增氧泵；20.單向閥；21.文丘里管；22.流量計；23.EC傳感器；24.pH傳感器。

圖1" 水肥氣灌溉原理圖

通常，衡量土壤水的重要指標(biāo)是土壤的pH和EC值。所以，智能灌溉系統(tǒng)以EC傳感器和pH傳感器的反饋信號為灌溉控制主要依據(jù)，根據(jù)收集到的反饋信號建立有效的EC/pH數(shù)學(xué)分析，形成一套具有實際意義的決策體系進行合理的科學(xué)灌溉。土壤電導(dǎo)率EC是檢測土壤中水溶性鹽的指標(biāo)，可判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長的因素。土壤pH是反映土壤酸堿的強弱。智能灌溉控制系統(tǒng)收到這2個反饋信號，然后結(jié)合作物所需要水的量度，通過泵閥、變頻器執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)水的灌溉。研究發(fā)現(xiàn)，EC值與灌溉肥液濃度存在線性相關(guān)性，EC值是用來測量溶液中可溶性鹽濃度的，高濃度的可溶性鹽類會使植物受到損傷或造成植株根系的死亡。酸堿度pH也是灌溉過程肥液變化的重要監(jiān)測指標(biāo)，與pH有關(guān)的問題中最常見的是由于pH過高或過低而引起的營養(yǎng)缺乏或毒害。在目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，過量施肥是普遍現(xiàn)象。雖然國家一直在強調(diào)減少化肥使用量，提倡科學(xué)種植，但是土壤中依舊積聚了太多的鹽分，土壤鹽分已經(jīng)開始嚴(yán)重地影響作物的正常生長。所以，我們必須重視土壤PH/EC值這個指標(biāo)。

2" 智能灌溉各功能模塊的單元分析

智能灌溉控制系統(tǒng)中信息檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器之間為有線或無線通信連接，灌溉控制器執(zhí)行灌溉控制決策子系統(tǒng)的灌溉決策方案（圖2）。

圖2" 智能灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1" 水肥氣供給模塊

水分、肥料、氧氣供給一體化模塊由蓄水設(shè)施、輸水管網(wǎng)、智能恒壓供水系統(tǒng)和排水裝置等構(gòu)成，為整個灌溉控制系統(tǒng)提供水分、肥料和氧氣。其中，水、肥、氣分別由水質(zhì)優(yōu)化技術(shù)、養(yǎng)分利用和鹽分控制技術(shù)、微納米氧泡結(jié)合產(chǎn)生，對其基本物理性質(zhì)進行了研究與分析。為了改善提供農(nóng)作物所需水的化學(xué)成分，務(wù)必確保所需水中的化學(xué)微量元素、無機鹽濃度和有機化合物成分，由此滿足作物正常生長，而不至于因過分的超標(biāo)或不足，造成作物死亡?；瘜W(xué)氧化技術(shù)是添加有機物質(zhì)氧化劑、催化劑等，使無機物質(zhì)被有效地氧化，從而實現(xiàn)廢水、廢氣處理；物理處理技術(shù)主要依靠紫外線光照消毒法和高溫?zé)崃ο痉▉須⑺拦喔人械奈⑸?。通過各種傳感器收集的作物生長信息，并結(jié)合土壤條件和氣候條件下作物生長周期，對養(yǎng)分使用和肥料鹽度控制技術(shù)建立了計算作物所需養(yǎng)分的決策模型，從而確保水和肥料的使用量與需要匹配的作物相符合，避免過度營養(yǎng)流失的部分對環(huán)境的影響。

微納米氧氣泡發(fā)生裝置（如圖3所示）首先選擇一個適合的水泵和氣泵，使水和空氣分別通過2個泵閥進入到裝置內(nèi)，對空氣進行加壓，使其與水溶解，然后通過改變節(jié)流孔孔徑釋放氣液的方式將溶解的空氣以微納米氧氣泡的形式提供，通過葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，將空氣溶解在水中。水肥氣一體化供應(yīng)系統(tǒng)將肥料、灌溉水和微納米氧氣泡轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)液，通過灌溉系統(tǒng)中的各種施肥設(shè)備實時監(jiān)測EC（電導(dǎo)率）和pH，其為農(nóng)作物最終提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)濃度，既保證供水含氧量，又保證水肥灌溉效果。

圖3" 微納米氧氣泡發(fā)生裝置技術(shù)

2.2" 信息監(jiān)測模塊

信息監(jiān)測模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)信息和決策執(zhí)行模塊所執(zhí)行的灌溉決策信息通過顯示模塊進行展示，對決策執(zhí)行模塊所執(zhí)行的灌溉決策信息進行修改設(shè)定的設(shè)置模塊。信息監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)作物生長狀態(tài)的實時監(jiān)測，存儲各種灌溉決策方案，并能將數(shù)據(jù)采集模塊所采集的信息進行比對，找出適用于當(dāng)前數(shù)據(jù)采集模塊所采集信息的對應(yīng)灌溉決策方案，由決策信息執(zhí)行模塊執(zhí)行當(dāng)前設(shè)定的灌溉決策信息，最終控制灌溉設(shè)備的控制器，實現(xiàn)準(zhǔn)確、合理的水肥灌溉，大大提高灌溉效率和效果。

2.3" 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊中的信息采集器包括氧傳感器、土壤濕度傳感器、EC傳感器、pH傳感器和壓力表等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對土壤養(yǎng)分、溫度、有機質(zhì)和含水率的采集，傳送信息數(shù)據(jù)至信息監(jiān)測模塊和決策系統(tǒng)。氧傳感器是由化學(xué)平衡原理計算出對應(yīng)的氧濃度，用以檢測氣管中氧的濃度是否達(dá)到土壤所需的指標(biāo)；土壤濕度傳感器主要用來測量土壤含水量；EC傳感器（電導(dǎo)率）在水質(zhì)監(jiān)測中，電導(dǎo)率是反映水質(zhì)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。當(dāng)水的電導(dǎo)率值越高，導(dǎo)電性就越好。pH傳感器用來對營養(yǎng)液進行測量，檢驗營養(yǎng)液的氫離子濃度，然后轉(zhuǎn)換成可輸出信號。

2.4" 灌溉控制模塊

灌溉控制器主要包括變頻控制系統(tǒng)（變頻肥料泵和離心變頻泵）、通風(fēng)泵、氣液混合泵和開關(guān)等，根據(jù)灌溉組設(shè)定數(shù)值和實時灌溉數(shù)據(jù)進行比較，達(dá)到對水、肥、氣流狀態(tài)智能控制的目的。針對具體植物狀況、灌溉要求、環(huán)境條件等調(diào)整灌溉控制方案，并反饋至灌溉控制系統(tǒng)通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)水肥灌溉。

3" 智能灌溉控制技術(shù)

智能灌溉系統(tǒng)以提高農(nóng)田需水、需肥等信息診斷與控制灌溉的智能化水平為目標(biāo)，通過PLC控制技術(shù)、單片機控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、供水融合技術(shù)與農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，開發(fā)水、肥料和空氣智能灌溉系統(tǒng)，將其運用于現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)，有效提高灌溉效率，使水肥灌溉的效益最大化。

3.1" PLC控制技術(shù)

可編程控制器運行穩(wěn)定，抗干擾能力強，PLC控制器可以接收來自現(xiàn)場采集站的數(shù)據(jù)，同時對接收到的信號進行處理，發(fā)送驅(qū)動信號。通過變頻調(diào)速裝置在供水系統(tǒng)中的PLC控制技術(shù)相互作用，不僅可以節(jié)省能源、壓力、流量控制等其他多方面的效果，還改革了傳統(tǒng)人工控制閥門的方式以此來改變農(nóng)作物所需的水量。通過現(xiàn)場PLC控制和聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)恒壓供水控制、自動除沙過濾控制、自動施肥控制。變頻調(diào)速裝置在調(diào)速性能好、節(jié)能效果明顯、控制精度高、維護成本低及適用范圍廣等方面都優(yōu)于其他任何一種交流調(diào)速方式，其具有欠電壓保護、過電壓保護、過負(fù)載保護、過熱保護、瞬間停電保護和瞬時過電流保護等多種保護功能，故能使系統(tǒng)運行安全可靠，變頻器是目前最好的軟起動設(shè)備。恒壓供水系統(tǒng)具有先進的技術(shù)特點：自動化高、高效節(jié)能、功能齊全和保護完善。

3.2" 單片機控制技術(shù)

系統(tǒng)以傳感器實測土壤水分經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作為輸入信號，經(jīng)模塊通信和運算處理后，輸出灌溉參數(shù)實時控制灌溉電磁閥、水泵、肥泵等。高性能單片機實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的基本控制功能，對實時的天氣、土壤、作物需求等傳感器采集到的信息進行數(shù)據(jù)分析，由執(zhí)行控制器輸出灌溉信號，并直接讓發(fā)出操控指令的計算機進行記錄和存儲傳送到的信息與灌溉信號，同時人機交互模塊顯示出狀態(tài)信息。

3.3" 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

通過主要工作站接收模擬檢測信號，如壓力、流量等，然后通過模擬轉(zhuǎn)換裝置進行處理，通過電纜傳給監(jiān)控計算機，并通過網(wǎng)卡傳給計算機進行顯示、設(shè)定壓差值、計算不同泵房的流量并進行自動換算累加。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)網(wǎng)上瀏覽和網(wǎng)上發(fā)布，保證上位管理系統(tǒng)正常運行。

3.4" 供水融合技術(shù)

智能灌溉控制系統(tǒng)分為上位管理層、調(diào)度監(jiān)控層、現(xiàn)場采集層，通過融合控制實現(xiàn)層層關(guān)聯(lián)達(dá)到精準(zhǔn)控制。

1）上位管理層：上位管理系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件、服務(wù)器、集線器和網(wǎng)卡等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上瀏覽和網(wǎng)上發(fā)布。

2）調(diào)度監(jiān)控層：主要為自動化監(jiān)控系統(tǒng)，自動化監(jiān)控能夠在中央控制室實時展示整個灌溉系統(tǒng)的生產(chǎn)和運行情況，并記錄、分析、故障檢測等。自動監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、大屏幕顯示系統(tǒng)及總線控制卡組成。監(jiān)控計算機通過現(xiàn)場連接數(shù)據(jù)收集工作站，接收每個數(shù)據(jù)收集站的數(shù)據(jù)，在緊急情況（如警報等）下，上位機系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)收集站發(fā)出適當(dāng)?shù)牟僮髅睢Ｅc此同時，使用軟件開發(fā)的監(jiān)控應(yīng)用軟件，可以使人們實時和動態(tài)地了解灌溉系統(tǒng)的實際運作情況，也可以存儲灌溉設(shè)備數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)顯示、打印和記錄等。

3）現(xiàn)場采集層：由壓力傳感器、電磁流量器、差壓傳感器、電磁閥、變頻器、PLC和除沙過濾器組成，通過接收調(diào)度監(jiān)控層的操作命令進行工作。

3.5" 智能灌溉控制技術(shù)

微納米氣泡增氧裝置（圖4）中，氣液混合泵在吸水的同時進行吸氣，泵的葉片高速旋轉(zhuǎn)時會將氣泡切割分化，泵內(nèi)壓力較高，使得空氣和水充分混合，形成高濃度溶氣水。氣液分離罐的作用是將氣液混合泵形成的高濃度溶氣水中的大顆粒氣泡與水體分離開來，避免因較多大顆粒氣泡存在而使得管路出現(xiàn)沖擊、振動等不穩(wěn)定現(xiàn)象。排氣閥的作用主要是配合氣液分離罐將水氣混合物中未溶解的大顆粒氣泡排出。溶氧傳感器用來實時顯示和檢測增氧罐中水的溶氧值，微型泵主要為溶氧值檢測提供一個相對流動的環(huán)境，使得溶氧傳感器的檢測更加準(zhǔn)確。水氣應(yīng)用裝置以水路作為主體管路，設(shè)置旁路可用于增氧應(yīng)用或者施肥混合等，配備有主水泵、增氧泵、流量計、EC和pH傳感器、排氣閥及壓力表等。

圖4" 智能灌溉控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4" 結(jié)束語

傳統(tǒng)灌溉技術(shù)存在水肥利用率低、管理水平落后等問題。智能控制水、肥料和氣灌技術(shù)的研究正成為不僅是國內(nèi)甚至延伸到國外灌溉技術(shù)研究和理論知識研究都有望取得農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域突破的一個熱點，為水、肥、氣智能精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)提供有力支撐。

利用智能水肥氣灌溉控制技術(shù)，人們可以通過手機或相關(guān)儀器對農(nóng)作物進行澆水、施肥等一系列養(yǎng)殖管理來實現(xiàn)不出門就可操作，同時，科技工作者通過檢測系統(tǒng)反饋得來的作物狀態(tài)和環(huán)境情況，對作物生長狀況了解并判斷，幫助使用者進行遠(yuǎn)程智能控制和合理的水肥處理。科學(xué)地調(diào)控灌溉水中養(yǎng)分濃度和含量指標(biāo)，不僅節(jié)約水資源、促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，還可實現(xiàn)增產(chǎn)增收和環(huán)境保護。

近年來，集中推進建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田灌溉體系，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水條件，提高水資源支撐保障能力。大力度去建立一套完備的農(nóng)作設(shè)施、科學(xué)的管理方式、高效率的用水習(xí)慣、保持生態(tài)良好的農(nóng)業(yè)用水體系，注重大數(shù)據(jù)技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)＋”、“AI+”與智能算法和云技術(shù)算法相結(jié)合，以此進一步提高農(nóng)業(yè)用水效率和節(jié)水效益，助推農(nóng)業(yè)綠色高效發(fā)展。

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