水肥一体化智慧系统设计及实现研究.pdf

2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 水肥一体化智慧系统设计及实现研究 倪 红 武城县 农业农 村 局 山 东 德 州 253000 二 十 一 世纪 以 来 随着 互 联 网的 普 及 人 们 的 衣 食 住 用行 无 一不 与 之 相 关 同 时 推 动 通 信技术 人工智能等 新 型 科 学技术的发展 从 日常 生 活 到 生产 发展 都与 智 慧 联 系到 一 起 而 作为 在 我 国 最 早 出现的 生产 方 式 农业发 展一 直 以 来 备 受关注 2016年 党 的 十 三 五 全 国农业 农 村 信 息化 发展 规划 国 家 信 息化 发展 战 略 纲 要 等 政 策 纲 领性文 件明确 指 出 信 息化 成 为 农业现代 化 的 制 高 点 加 快 农业 农 村 信 息化 的发展 培育 和 建设 智 慧 农 业 互 联 网农业等 新 兴 产 业 1 当 前 如 何 结 合 数 字 信 息 技 术 已 成 为 智 慧 农业发展 和 质 量 提 升 的 关 键环节 实现农 业 作 物 种 植 过程 中 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 设计 对 推 动 我 国智 慧 新 农业发展 具 有 重要 意义 1水肥一体化智慧系统的设计概述 1 1相 关 概 念 的 理 解 1 水肥 一 体 化 技术是 集 灌溉 和 施肥 为 一 体 的农业 新 技术 为 解决 农 田 作 物 种 植 过程 耗费 大 量 人 力 物 力 的 问题 利 用 新 科 技 手段 进行 设计 得 到 的农 田水肥 一 体 化 系统 水肥 一 体 化 系统 是 根据 压 力 系统 或 地形自 然 落 差 将可 溶 性 固 体 或液 体 肥料 根据 土壤养 分 含 量和 作 物 种 类 所 需 肥料 的 规 则 和 特征 对 肥料 和 灌溉水 进行 组合 2 2 对 肥料 和 灌溉水 的 控 制 是 依靠 管道系统 为 解决 农 田灌溉 过程因 水 量 或 者 化 肥 量 失衡导致 作 物 减 产 的 问 题 水肥 一 体 化 智 慧 系统 通过 可 控 制 的 管道系统 供给 水 使 肥料融 合 之 后 再 次 通过 管道和 滴头 进行 滴灌 实现 均 匀 定 时和 定 量地 滋润 作 物 3 水肥 一 体 化 智 慧 系统可 调 控 最 佳水肥 比 例 培育 生 长区 始 终 疏 松 主 要 根 系 土壤 保 持 适 当 的 含水 量 并 根据 不同 作 物 所 需 肥料 的特点 土壤环境 和 养 分 的 含 量 情况 给 予 作 物 在成 长期 所 需 要的 水 和 肥料 系统 按 生 长 期 进行 需 求 设计 以 水肥 最 佳 比 例 直接供给 作 物 1 2农 田水肥 一 体 化 系统 的现 状 分 析 1 农 田水肥 一 体 化缺 乏 具 体 的 专 业的 标 准 系统 社 会 在 不 断 地 发展 世 界 科 学技术 水 平 也 在 不 断 地 进 步 与 高 科 技技术 水 平 相适 应的 新 农业 也 应 该 不 断 更 新 但 是 就 目前 而 言 我 国的农 田水肥 一 体 化 系统 并 没 有 一 套 完 善 具 体 的应用 标 准 同 时 不同 性 质 的农业机构 所 应用 的农 田水肥 一 体 化 系统 所包 含内容 也 不 尽 相 同 所 以 应 摘 要 作 为 人 口大 国 我 国的农业发展 始终 是重 中 之重 科 学技术的 不断 发展 也 为 农业生 产 开 辟 了一 条 智 慧 的 道 路 通 过 对农 田水肥 一 体 化 现 状 分 析 从 智能 监控 智 慧评估 等方面进行研究 设计 农 田水肥 一 体 化 智 慧系统 实 现 水肥 一 体 化系统 的 创 新 发展 同时以山 东 省德州市武城县 农业发展 为 例 探 究 符合北 方农 田水肥 一 体 化 智 慧系统 的 设计 方 案 实 现 小麦 玉米 棉花 等 北 方 常见 农业作物的 种植 过 程 更加 智能 对 推 动 我 国农 田水肥 一 体 化 发展 以及 智 慧 新 农业发展 具有 重要 意 义 关键词 水肥 一 体 化系统 智能 监控 数字 信 息 技术 中图分类号 TP277 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 01 0006 03 Abstract Asacountrywithalargepopulation Chinahasalwaysgivenprioritytoagriculturaldevelopment andthecon tinuousdevelopmentofscienceandtechnologyhaspavedaroadforsmartagriculturalproduction Throughtheanalysisofthe currentsituationoftheintegrationofwaterandfertilizerinfarmland theintelligentsystemoftheintegrationofwaterandfer tilizerinfarmlandisdesignedfromtheaspectsofintelligentmonitoringandsmartevaluation soastorealizetheinnovative developmentoftheintegratedsystemofwaterandfertilizer Atthesametime takingtheagriculturaldevelopmentofWucheng County DezhouCityofShandongProvinceasanexample thispaperexploresthedesignplaninlinewiththesmartsystemof theintegrationofwaterandfertilizerinnorthernChina soastorealizeamoreintelligentplantingprocessofcommonagricul turalcropsinthenorth suchaswheat corn cottonandsoon whichisofgreatsignificanceforpromotingthedevelopmentof waterandfertilizerintegrationandsmartnewagricultureinourcountry Keywords integratedwaterandfertilizersystem intelligentmonitoring digitalinformationtechnology 作者简介 倪红 1980 女 本 科 农 艺 师 研究方向 农业 科 学发展 6 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 用范 围 及 标 准 也都 有 所 不同 缺 少 统 一的 标 准 直接 影响 到 农 田水肥 一 体 化 系统 应用 产生 的 质 量 效果 2 系统 应用范 围 受限 管 理 人 员 缺 乏专 业 素质 由 于农 田水肥 一 体 化 系统 发展 时 间 短 具 备 专 业 资质 的 维 护 人 员 更 是少之 又 少 有很 多 管 理 人 员 都 是 没 有经 过 系 统 的 培 训 就 上 岗 的 3 有 一 些 农业机构 水肥 一 体 化 系统 应 用之 初 就缺 乏专 业人 才 后 续 针 对农 田水肥 一 体 化 系统 应用 及 维护 的 相 关 人 员 进行的 培 训 考 核更加无 法 达到 要 求 管 理 人 员 对智能 化 环境 不了 解 对 水肥 一 体 化 系统 不 熟悉 都会 导致 应用 效果 下降 有 的 甚至导致 系统 对 肥 料 和 灌溉水 的 控 制 失 准 失 效 最 终 造成 水肥 一 体 化 系统 应用 水 平 偏 低 使 用者 心里 也 缺 乏 公 信 力 1 3水肥 一 体 化 智 慧 系统 优 势 1 施肥 效果 快 养 分利 用率 高 通过 应用 水肥 一 体 化 智 慧 系统 可以 实现实 时数 据 监 控 作 物 表 层 干 燥 度 减 少 施肥 造成 干 燥 作 物 挥 发 性 的 损 失 应用 管道 阀门 系统 缓慢 溶解 最 终 可以 避免 肥 效 变 慢 的 弊端 2 通过 水肥 一 体 化 技术 肥料 的 利 用率大 幅 提 高 传 统系统经 验 是 依 据 全 国范 围内 的农 作 物 进行 配 比 水肥 比 例 进行 灌溉 的 而 水肥 一 体 化 智 慧 系统 中 的 水肥 比 例 是 依 据 大 数 据 智能 算 法 最 终 得 出 这样 一 来 可以 更 好地 实现智能 化 配 比 灌溉水 分和 肥料 提 升 作 物 产 量 的同 时 避免 肥料 的 过 度 浪 费 3 水肥 一 体 化 技术 通过 人 为定 量 控 制 满 足 了 作 物 在 关 键 生 长期 间 吃饱喝 足 的 需 要 根 除 了 所 有 缺 乏 症 在 生产中 可以达到 作 物 产 量和 质 量 良 好 的 目 标 同 时 大 幅 度 节水 设 施灌溉 比 传 统 方 式 节水 多 50 其 中 点 滴灌 溉 最 省 水 2 农田信息监测系统评估 2 1相 关 技术 支持 的研究 在 如 今 这样 一 个 信 息 爆炸 的 时 代 每 天仅 一 个 人 获 取到 的信 息就 不 计其 数 但是 这 些 毫 无规 律 的信 息 是 怎 样 进行 分类 最 后传 递 到 每 一 个 人的 呢 首先 面 对 海 量 信 息 资 源 依靠 人 力 进行 分类 处理 是 很难 实现的 这 时 就 需 要一 个 庞 大的电 子 信 息 系统 来 提 供 帮 助 在 科 学技术 水 平高 速 发展的 今天 始 终 走 在 科 技发展 前 列 的 计算 机 网络技术 是电 子 信 息 系统 的重要技术 支持 4 正 是 由 于 计算 机网络技术的 推 动 作 用 电 子 信 息 技术 迭 代 更 替 取 得 迅猛 发展 电 子 信 息 系统 被 广 泛 应用于各行各业 也 为 其 带来 了技术 水 平 的不 断 更 新 所 以 在 农 田水肥 一 体 化 智 慧 系统 中 少不了 计算 机网络技术的 支持 2 2本 地 环境 监 控 在 农 田 管 理 系统 的 操 作 画 面上 显 示 系统 构 成图 作 物 栽 培环境 气象 信 息 土壤环境 信 息 以及 各 灌溉区施肥 灌溉 运 行信 息 等 同 时 通过 添 加 农 田 种 植 参 考资料 用于 指 导 农 田水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 监 控 指 标 设 置 定 期 更 新 数 据 系统 应用 最 新 的农业 科 技研究进展 来保 障 农业 生产 利 用现代 科 学技术 手段 记录 当 日 各 个时 段 的 灌溉 量 施肥 的 状 况 等 设 置现 场 警报 在 发 生 故障 和 紧急 情 况 时 会 自动 发出 警报 并 将 警报 信 息 发 送给相 关 管 理 人 员 的 手 机 严 重 警报 通过 电 话 通 知 防 止 了 故障 和 事故 扩 大 造成 的 经 济损 失 此 外 系统 还 会 记录 所 有 发 布 的 警报 信 息 管 理 者 收 到 报警 信 息 后 如 果 不能 及时在 现 场 处 理 后 期 可以 通过 手 机 警报记录找负责 人 询 问 责 任 2 3远 程 智能 监 控 农 田水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 监视 管 理 是 支持 远 程 功 能的 主 要 包括 远 程 监视 器 远 程设 备的 诊断 和 维护 使 用 手 机 访 问 远 程 智能 监 控 管 理 模 块 使 用 平 板 电 脑访 问 远 程 智能 监 控 管 理 模 块 四 个 部 分 管 理 者 手 持 手 机 平 板 电 脑 等 移 动 设 备 接入远 程 智能 监 控 管 理 模 块 5 自动 提交 数 据 包括 栽 培环境 气象 信 息 土壤环境 信 息 以及 各 灌溉 区施肥灌溉 运 行信 息 通过 应用 水肥 一 体 化 智 慧 系统 可 以 实现实 时数 据 监 控 作 物 表 层 干 燥 度 减 少 施肥 造成 干 燥 作 物 挥 发 性 的 损 失 应用 管道 阀门 系统 缓慢 溶解 最 终 可以 避免 肥 效 变 慢 的 弊端 同 时 设 置 无 线 网络 手 机 或 平 板 电 脑 连接 到 园 区 网络 后 才 可以 查询 水肥 一 体 化 管 理 系统 的 操 作 记录 显 示 系统 构 成图 显 示 各 灌溉区施肥灌 溉 运 行信 息 防 止 信 息 泄 露 为 远 程 监 控 提 供 安 全 保 障 水肥 一 体 化 技术 依 照 相 关 农 田 种 植 参 考资料 用于 指 导 农 田水肥 一 体 化 智能 系统 的 监 控 指 标 人 为定 量 控 制 满 足 了 作 物 在 生 长 关 键期 的 需 要 在 生产中 可以达到 作 物 产 量和 质 量 良 好 的 目 标 3水肥一体化智慧系统 3 1水肥 一 体 化 智 慧 系统 的构 成 目前 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 组 成 主 要是基于 物 联 网 智 慧 农业的基 础 经 过 科 学技术的 迭 代 升 级演 变 产生 的 如 图 1所示 其 中 主 要 由给 水 施肥 管道 设 备 和 智能 控 制 系统 传感 器和 感 知 采 集系统 无 线 和有 线 网络 系统 应用层 服 务 系统 四 个模 块 组 成 的 四 大 模 块 依 托 相 应的 部 件 如 压 力 泵 水 泵 施肥 泵 管道和 电 磁阀 等智能 控 制 器 实现 数 据 获 取 数 据传 输 以及 发出 指 令 如 土壤 温湿 度等 数 据 的 存 储 和 处理 及 发 送 指 令 至控 制 器 进行 施肥灌 溉 管 理 6 3 2智 慧 系统 中 各 部 分 的 功 能研究 1 关 于 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 数 据 获 取 部 分 依靠 传感 器 感 知 和数 据采 集系统可以 实现实 时数 据 获 取 作 物 表 层 干 燥 度 减 少 施肥 造成 干 燥 作 物 挥 发 性 的 损 失 通过 7 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 分 析 铵 状态 和 尿 素 状态 数 据 智能 控 制 氮 肥 这样 一 来 既 可以 减 少 地表 挥 发 性 的 损 失 也 可以 节 约氮 肥 实现 环境 保 护 2 通过 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 数 据 分 析 技术 实现 肥料 的 利 用率大 幅 提 高 传 统 水灌溉 施肥 系统 缺 乏 及时 有 效 地 判 断 无 法实现 肥料 的 最 大 利 用率 水肥 一 体 化 智 慧 系统可以 实现 比 传 统 施肥节 省 50 到 70 的 肥料 以 山 东 省 德 州 市 武城县 农业发展 为 例 如 果 应用 符 合 北 方 农 田 实 际 的 水肥 一 体 化 智 慧 系统 可以 实现 小 麦 玉米 棉花 等 北 方 常 见 的农业 作 物 的种 植 过程 更加 智能 应用 水肥 一 体 化 智 慧 系统 让 农业农 村 走 向 更加 智能 化 的 道 路 3 通过 动 态 控 制 指 令 满 足 作 物 在 关 键 生 长期 间 的 养 分 需 要 依 据作 物 生 长 特点 设 置 程 序 如 小 麦 玉米 棉 花 等 北 方 常 见 的农业 作 物 易 出现 水肥 缺 乏 症 依靠 程 序 指 令 定 量 定 时 进行 可以在 生产中 实现 作 物 产 量和 质 量 良 好 的 目 标 水肥 自动 灌溉 系统 程 序 设计 时 要 根据 不同 作 物或 果 树 的种 类确 定 最 佳 的 土壤含水 量 范 围 假 设 某 一 作 物 的 最 佳土壤含水 量 范 围 为 15 20 含水 量变量 为 X 土壤 传感 器 标 号 为 I 灌溉 时 间 为 D 7 水肥 自动 灌 溉 程 序 设计流程 图 如 图 2所示 当 用 户 在 农 田 管 理 系统 的 操 作 画 面上 显 示 系统 构 成图 作 物 栽 培环境 气象 信 息 土壤环境 信 息 以及 各 灌溉区施肥灌溉 运 行信 息 3 3 水肥 一 体 化 智 慧 系统 广 泛 应用的重要 意义 水肥 一 体 化 智 慧 系统 提 升 农业智能 化 水 平 现 阶 段 我 国农业农 村 生产 种 类 繁 多 农业技术发展 日 新 月异 传 统 农业 陷 入无 法 依靠 天 然 农 作 物 生存 的 恶 性处 境 更无 力 支 撑 自 身 发展 同 时 传 统 农业 设 备 设 施 老 化 严 重 已 经 无 法 适 应 当 前 科 技提 升 社 会 进 步 和 行业发展的 具 体 情况 然 而 对于 水肥 一 体 化 智 慧 系统 来 说 更 容 易 提 升 技 术 更 新 换 代 速 率 互 联 网信 息 技术 背 景下 出现的行业特 征 如 技术进 步 快 产 品 生 命周 期 短 升 级 频 繁 等特点 由 于 传 统 农 田灌溉 施肥 技术 存 在 弊端 而 产 品 结 合 市 场 必 须 要 经 常 出现 新 变 化 水肥 一 体 化 智 慧 系统 更 能 够准 确 把 握 技术 和 行业发展 趋 势 持 续 创 新 不 断推 出 新 系统和 新 项 目 以 满 足 现实 需 求 这 给 现代农业的发展 带来 一 定 的 挑 战 和 机 遇 4结束语 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的应用 给 具 体 负责监 测 管 理 职 能 岗 位带来 了 严 峻 的 挑 战 相 关 机构实 施 监 管 能 力 杜 绝 不 愿 管 不 会 管 的 情况 在 市 县 局 农业 职 能 部 门 能 够 发 挥 有 效 监 管 的 作 用 下 对 未 来 水肥 一 体 化 智 慧 系统 的 广 泛 应用 具 有 重要 意义 参考文献 1 刘月姣 农业 部 编制 印 发 十三五 全 国农业农 村 信 息 化 发展 规划 J 农 产 品 市 场 周 刊 2016 35 4 2 张萍 胡 应 坤 基 于 ZigBee和 OneNET云平台 的智能农业 温 控系统 J 物 联 网技术 2021 11 01 25 28 3 裴焕杰 陶婵 邓昀 等 两级决策模 型 下 的 多 网 融 合 农业物 联 网智能 节 水 灌溉 系统 J 科 技 创 新 与应用 2021 01 120 122 4 徐茂 吴 昊 魏祥帅 基 于物 联 网技术的 江苏 设 施蔬菜 智能 化 生 产 J 长江蔬菜 2020 08 20 23 5 倪 新 华 殷跃军 钟 志 仁 等 基 于物 联 网技术的 机 插稻硬地硬 盘育秧 智能 管 控系统 J 农业装备技术 2018 44 04 31 33 6 蔡长 青 侯首印 张桢 等 温室 智能 灌溉 水肥 一 体 化监控系统 J 江苏 农业 科 学 2017 45 10 164 166 7 李志 军 张 文 祥 杜 丽 等 基 于物 联 网的智能农业 监控系统 设 计 J 内蒙古 农业 大 学学 报 自 然 科 学 版 2021 42 02 93 98 图 2 水肥自 动 灌溉 程 序 设计 流 程 图 图 1水肥 一 体 化 智 慧系统 结构 8