水肥气灌溉智能控制技术研究.pdf
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1、2024 年 7 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业水肥气灌溉智能控制技术研究王宁璐,毛峙文*,童佳妮(浙江纺织服装职业技术学院,浙江 宁波 315211)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
2、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
3、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
4、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。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
5、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院S275文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤07-0013-04Abstract:In order to solve the problems of low efficiency and high waste of traditional agricultural irrigation,an efficientintelligent control system for water,fertilizer and gas irrigation was designed ac
6、cording to the needs of crop growth,and the sensortechnology,intelligent control technology,computer network technology and constant voltage frequency conversion technology werecomprehensively applied.Through the real-time data collection of weather and soil by sensors and detectors,based on thenutr
7、itional needs of crops in each growth period,this intelligent control system carries out comprehensive collection,analysis andprocessing,so as to realize intelligent decision-making and precise irrigation of irrigation control.This system can meet the controlprecision and dynamic performance require
8、d by the water,fertilizer and gas irrigation system,and provide strong technical supportfor the development of smart agriculture.Keywords:water,fertilizer and gas irrigation;sensor technology;real-time data acquisition;intelligent control;smart agricultureDOI:10.20028/j.zhnydk.2024.07.00413-2024 年 7
9、 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture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
10、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
11、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
12、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
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