水肥一體化智慧系統設計及實現研究

倪 紅

（武城縣農業農村局，山東 德州 253000）

二十一世紀以來，隨著互聯網的普及，人們的衣食住用行無一不與之相關，同時推動通信技術、人工智能等新型科學技術的發展。從日常生活到生產發展都與“智慧”聯系到一起，而作為在我國最早出現的生產方式，農業發展一直以來備受關注。2016年黨的《“十三五”全國農業農村信息化發展規劃》《國家信息化發展戰略綱要》等政策綱領性文件明確指出“信息化成為農業現代化的制高點”，加快農業、農村信息化的發展，培育和建設智慧農業、互聯網農業等新興產業[1]。當前，如何結合數字信息技術已成為智慧農業發展和質量提升的關鍵環節。實現農業作物種植過程中水肥一體化智慧系統的設計，對推動我國智慧新農業發展具有重要意義。

1 水肥一體化智慧系統的設計概述

1.1 相關概念的理解

（1）水肥一體化技術是集灌溉和施肥為一體的農業新技術。為解決農田作物種植過程耗費大量人力物力的問題，利用新科技手段進行設計，得到的農田水肥一體化系統。水肥一體化系統是根據壓力系統（或地形自然落差），將可溶性固體或液體肥料根據土壤養分含量和作物種類所需肥料的規則和特征，對肥料和灌溉水進行組合[2]。

（2）對肥料和灌溉水的控制是依靠管道系統。為解決農田灌溉過程因水量或者化肥量失衡導致作物減產的問題，水肥一體化智慧系統通過可控制的管道系統供給水，使肥料融合之后再次通過管道和滴頭進行滴灌，實現均勻、定時和定量地滋潤作物。

（3）水肥一體化智慧系統可調控最佳水肥比例。培育生長區，始終疏松主要根系土壤，保持適當的含水量，并根據不同作物所需肥料的特點、土壤環境和養分的含量情況，給予作物在成長期所需要的水和肥料。系統按生長期進行需求設計，以水肥最佳比例直接供給作物。

1.2 農田水肥一體化系統的現狀分析

（1）農田水肥一體化缺乏具體的、專業的標準系統。社會在不斷地發展，世界科學技術水平也在不斷地進步，與高科技技術水平相適應的新農業也應該不斷更新。但是就目前而言，我國的農田水肥一體化系統并沒有一套完善、具體的應用標準。同時不同性質的農業機構所應用的農田水肥一體化系統所包含內容也不盡相同，所以應用范圍及標準也都有所不同，缺少統一的標準，直接影響到農田水肥一體化系統應用產生的質量效果。

（2）系統應用范圍受限，管理人員缺乏專業素質。由于農田水肥一體化系統發展時間短，具備專業資質的維護人員更是少之又少，有很多管理人員都是沒有經過系統的培訓就上崗的[3]。有一些農業機構水肥一體化系統應用之初就缺乏專業人才，后續針對農田水肥一體化系統應用及維護的相關人員進行的培訓、考核更加無法達到要求。管理人員對智能化環境不了解、對水肥一體化系統不熟悉都會導致應用效果下降，有的甚至導致系統對肥料和灌溉水的控制失準、失效，最終造成水肥一體化系統應用水平偏低，使用者心里也缺乏公信力。

1.3 水肥一體化智慧系統優勢

（1）施肥效果快，養分利用率高。通過應用水肥一體化智慧系統，可以實現實時數據監控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發性的損失。應用管道閥門系統緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。

（2）通過水肥一體化技術，肥料的利用率大幅提高。傳統系統經驗是依據全國范圍內的農作物進行配比水肥比例進行灌溉的。而水肥一體化智慧系統中的水肥比例是依據大數據智能算法最終得出，這樣一來可以更好地實現智能化配比灌溉水分和肥料，提升作物產量的同時避免肥料的過度浪費。

（3）水肥一體化技術通過人為定量控制，滿足了作物在關鍵生長期間“吃飽喝足”的需要，根除了所有缺乏癥，在生產中可以達到作物產量和質量良好的目標。同時大幅度節水，設施灌溉比傳統方式節水多50%，其中點滴灌溉最省水。

2 農田信息監測系統評估

2.1 相關技術支持的研究

在如今這樣一個“信息爆炸的時代”，每天僅一個人獲取到的信息就不計其數，但是這些毫無規律的信息是怎樣進行分類最后傳遞到每一個人的呢？首先，面對海量信息資源依靠人力進行分類處理是很難實現的，這時就需要一個龐大的電子信息系統來提供幫助。在科學技術水平高速發展的今天，始終走在科技發展前列的計算機網絡技術，是電子信息系統的重要技術支持[4]。正是由于計算機網絡技術的推動作用，電子信息技術迭代更替，取得迅猛發展。電子信息系統被廣泛應用于各行各業，也為其帶來了技術水平的不斷更新。所以，在農田水肥一體化智慧系統中少不了計算機網絡技術的支持。

2.2 本地環境監控

在農田管理系統的操作畫面上，顯示系統構成圖、作物栽培環境、氣象信息、土壤環境信息以及各灌溉區施肥灌溉運行信息等。同時通過添加農田種植參考資料，用于指導農田水肥一體化智慧系統的監控指標。設置定期更新數據系統，應用最新的農業科技研究進展來保障農業生產。

利用現代科學技術手段，記錄當日各個時段的灌溉量、施肥的狀況等。設置現場警報，在發生故障和緊急情況時，會自動發出警報，并將警報信息發送給相關管理人員的手機。嚴重警報通過電話通知，防止了故障和事故擴大造成的經濟損失。此外，系統還會記錄所有發布的警報信息，管理者收到報警信息后，如果不能及時在現場處理，后期可以通過手機警報記錄找負責人詢問責任。

2.3 遠程智能監控

農田水肥一體化智慧系統的監視管理是支持遠程功能的，主要包括：遠程監視器、遠程設備的診斷和維護、使用手機訪問遠程智能監控管理模塊、使用平板電腦訪問遠程智能監控管理模塊四個部分。管理者手持手機、平板電腦等移動設備接入遠程智能監控管理模塊[5]。自動提交數據包括栽培環境、氣象信息、土壤環境信息以及各灌溉區施肥灌溉運行信息。通過應用水肥一體化智慧系統，可以實現實時數據監控作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發性的損失。應用管道閥門系統緩慢溶解，最終可以避免肥效變慢的弊端。同時設置無線網絡手機或平板電腦連接到園區網絡后，才可以查詢水肥一體化管理系統的操作記錄，顯示系統構成圖，顯示各灌溉區施肥灌溉運行信息。防止信息泄露，為遠程監控提供安全保障。水肥一體化技術依照相關農田種植參考資料，用于指導農田水肥一體化智能系統的監控指標。人為定量控制，滿足了作物在生長關鍵期的需要，在生產中可以達到作物產量和質量良好的目標。

3 水肥一體化智慧系統

3.1 水肥一體化智慧系統的構成

目前水肥一體化智慧系統的組成主要是基于物聯網智慧農業的基礎，經過科學技術的迭代升級演變產生的。如圖1所示，其中主要由給水、施肥、管道設備和智能控制系統、傳感器和感知采集系統、無線和有線網絡系統、應用層服務系統四個模塊組成的。四大模塊依托相應的部件如壓力泵、水泵、施肥泵、管道和電磁閥等智能控制器，實現數據獲取、數據傳輸以及發出指令，如土壤溫濕度等數據的存儲和處理及發送指令至控制器進行施肥灌溉管理[6]。

圖1 水肥一體化智慧系統結構

3.2 智慧系統中各部分的功能研究

（1）關于水肥一體化智慧系統的數據獲取部分，依靠傳感器感知和數據采集系統可以實現實時數據獲取作物表層干燥度，減少施肥造成干燥作物揮發性的損失。通過分析銨狀態和尿素狀態數據智能控制氮肥，這樣一來既可以減少地表揮發性的損失，也可以節約氮肥實現環境保護。

（2）通過水肥一體化智慧系統的數據分析技術，實現肥料的利用率大幅提高。傳統水灌溉、施肥系統缺乏及時有效地判斷，無法實現肥料的最大利用率，水肥一體化智慧系統可以實現比傳統施肥節省50%到70%的肥料。以山東省德州市武城縣農業發展為例，如果應用符合北方農田實際的水肥一體化智慧系統，可以實現小麥、玉米、棉花等北方常見的農業作物的種植過程更加智能，應用水肥一體化智慧系統讓農業農村走向更加智能化的道路。

（3）通過動態控制指令，滿足作物在關鍵生長期間的養分需要。依據作物生長特點設置程序，如小麥、玉米、棉花等北方常見的農業作物易出現水肥缺乏癥，依靠程序指令定量定時進行，可以在生產中實現作物產量和質量良好的目標。水肥自動灌溉系統程序設計時要根據不同作物或果樹的種類確定最佳的土壤含水量范圍，假設某一作物的最佳土壤含水量范圍為15%～20%，含水量變量為X，土壤傳感器標號為I，灌溉時間為D[7]。水肥自動灌溉程序設計流程圖如圖2所示，當用戶在農田管理系統的操作畫面上，顯示系統構成圖、作物栽培環境、氣象信息、土壤環境信息以及各灌溉區施肥灌溉運行信息。

圖2 水肥自動灌溉程序設計流程圖

3.3 水肥一體化智慧系統廣泛應用的重要意義

水肥一體化智慧系統提升農業智能化水平。現階段我國農業農村生產種類繁多，農業技術發展日新月異，傳統農業陷入無法依靠天然農作物生存的惡性處境，更無力支撐自身發展。同時，傳統農業設備設施老化嚴重，已經無法適應當前科技提升、社會進步和行業發展的具體情況。然而對于水肥一體化智慧系統來說，更容易提升技術更新換代速率。互聯網信息技術背景下出現的行業特征，如技術進步快、產品生命周期短、升級頻繁等特點。由于傳統農田灌溉、施肥技術存在弊端，而產品結合市場必須要經常出現新變化。水肥一體化智慧系統更能夠準確把握技術和行業發展趨勢，持續創新，不斷推出新系統和新項目，以滿足現實需求，這給現代農業的發展帶來一定的挑戰和機遇。

4 結束語

水肥一體化智慧系統的應用，給具體負責監測管理職能崗位帶來了嚴峻的挑戰。相關機構實施監管能力，杜絕不愿管、不會管的情況。在市、縣、局農業職能部門能夠發揮有效監管的作用下，對未來水肥一體化智慧系統的廣泛應用具有重要意義。