精準變量施肥技術在設施園藝自動控制系統(tǒng)中的研究報告應用

-.z精準變量施肥技術在設施園藝自動控制系統(tǒng)中的研究與應用摘要：“溫室精準變量施肥技術〞是指在設施園藝自動控制系統(tǒng)過程中，充分考慮溫室環(huán)境的微氣候特性，按照作物生長規(guī)律，利用傳感器技術、機電一體化技術等手段精準控制施肥過程，按照需要自動控制肥料濃度和施肥量，做到肥料最少用量、最多吸收、最大利用、最小浪費，最大程度地提高肥料的利用率，做到少投入、高回報。隨著農(nóng)業(yè)科技的開展，以及國家對三農(nóng)的的高度重視，特別是國家2012農(nóng)業(yè)國家一號文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機構企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌溉、農(nóng)機裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術，力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術瓶頸，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。**托普儀器**和**大學合作積極響應科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識別〔rfid〕、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備等新型技術將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細管理，防止了“瘦肉精〞、“毒辣椒粉〞、“紅心鴨蛋〞等問題的再次發(fā)生，保證了食品的平安和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示*園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運行，技術穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領域的生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程提供了強有力的技術支持。物聯(lián)網(wǎng)的實施將大大提高國家推進科技創(chuàng)新增強農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個層次：感知層：采用各種傳感器〔如溫濕度、光照、CO2、風向、風速、雨量、土壤溫濕度等〕獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)和信息路由設備傳到控制中心，各個節(jié)點可以自由配對、任意監(jiān)控、互不干擾。應用層：根據(jù)WSN獲取植物實時生長環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，進展存儲和管理實現(xiàn)整個測試點的信息動態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息進展自動灌溉、施肥、噴藥、降溫補光等控制、對異常信息進展自動報警。加裝攝像頭可以對每個大棚和整個園區(qū)進展實時監(jiān)控。研究背景和現(xiàn)狀精準變量施肥技術是一個重要的領域。對于溫室園藝生產(chǎn)來說，水肥科學控制關系到園藝產(chǎn)品的品質和產(chǎn)量，一直以來都是國內外溫室經(jīng)營者、種植者和研究機構關注的焦點。設施園藝自動控制系統(tǒng)有著自身的鮮明特點，即水肥用量大，高度依賴人工水肥環(huán)境。設施園藝自動控制系統(tǒng)的這一特點就要求生產(chǎn)者對水肥的控制要精益求精，以明顯地提高產(chǎn)品的質量，增加經(jīng)濟效益。國外對水肥控制技術研究的起步較早。以色列、美國、荷蘭、法國等國家在這方面都有很多成果。以色列是個水資源短缺的國家，研發(fā)了很多先進的節(jié)水技術。其中，先進的微灌技術應用帶動了以色列水肥灌溉的興起，該技術在溫室的優(yōu)勢更為明顯，其基于精準變量控制的溫室水肥灌溉系統(tǒng)對水的最高利用率可以到達95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精準變量控制技術設備供應商。基于地廣人稀的自然特點和勞動力昂貴的社會現(xiàn)實，美國也大量應用自動化灌溉技術。目前，美國是世界上微灌面積推廣最大的國家。在微灌技術的根底上，美國大力開展了精準變量施肥技術，開發(fā)并大量應用了化肥—農(nóng)藥注入泵、文丘里化肥注入系統(tǒng)、40站電磁閥控制器等先進的施肥控制器。目前，美國在精準變量施肥領域處于先進水平。荷蘭的花卉產(chǎn)業(yè)興旺，相關的技術領域開展均較快。荷蘭花卉溫室大量應用了先進的灌溉施肥設備。荷蘭PRIVA公司是世界最大的溫室計算機自動控制公司之一，其已經(jīng)成功開發(fā)并應用了多款先進的用于溫室生產(chǎn)的自動控制施肥機，能夠完全滿足實際生產(chǎn)中的水、肥精準變量控制。法國在肥料農(nóng)藥混合器方面的研究也處于國際先進水平，相關的溫室園藝使用的精準變量施肥產(chǎn)品應用得也非常普遍。相比之下，我國的溫室灌溉施肥技術相比照擬落后，水的利用率只有40%〔馬學良，1999〕，設施園藝自動控制系統(tǒng)中應用精準變量技術起步較晚。20世紀90年代以后，國家對節(jié)水灌溉施肥更加重視，各地從興旺國家引進了相關的灌溉施肥設備，使得國內溫室大棚等保護地生產(chǎn)的灌溉施肥技術有了較大開展。但是，目前，溫室中普遍應用的是簡單的壓差式施肥器，濃度不均勻。我國自行研發(fā)的計算機控制的變量精準施肥設備大多處于實驗室研究階段，尚未有成熟的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心針對我國溫室園藝的實際需求，開發(fā)了移動式溫室精準施肥機等多款溫室專用的智能施肥機，性能可靠，適應溫室推廣應用。移動式溫室精準施肥機適用于小型溫室生產(chǎn)基地移動式溫室精準施肥機〔見圖1〕是專門針對小型溫室生產(chǎn)基地生產(chǎn)的需要開發(fā)的，不需要配套專門的純水機，普通的自來水即可使用。該設備設置有自動控制箱，安裝有可編程控制器、報警模塊、液位傳感器，能夠按照程序設定自動控制工作時間，設置有自動和手動模式切換開關，可以在自動和手動兩種模式之間靈活切換。自動模式下，可無人監(jiān)測定時自動開關機，可記錄灌溉水總量，肥料箱溶液用盡可自動報警。移動系列安裝有靜音橡膠腳輪，可靈活移動，10個溫室公用1臺施肥機即可完成作業(yè)，配備有快速密封接頭，可方便在不同溫室之間移動使用。肥料濃度使用高精度的比例器控制，可手動靈活調節(jié)施肥濃度，性能可靠，經(jīng)久耐用。使用配套的噴槍后，可按照設定濃度準確噴灑葉面肥。設備保養(yǎng)維護簡單，普通溫室種植人員經(jīng)過簡單的培訓后即可進展操作使用。該設備價格適合，適合我國溫室大面積推廣。該機已經(jīng)獲得國家專利。移動式溫室精準變量施肥機設備參數(shù)溫室精準灌溉施肥系統(tǒng)適用于大中型設施園藝基地溫室精準灌溉施肥系統(tǒng)〔見圖2〕是專門應用于大中型設施園藝基地的智能精準變量施肥系統(tǒng)。要求配套有純水機制造純潔水，能準確控制EC值和pH值。設有專門的灌溉施肥控制計算機，具備單獨灌溉、施肥等多種功能?？刂破鞑捎貌噬壕в|摸屏，防水防潮，操作界面友好，除有簡體中文的操作界面外，還支持英文。系統(tǒng)具有肥料溶液循環(huán)系統(tǒng)，可以提高利用效率40%。最多可控制40個灌溉電磁閥區(qū)，有多達8種EC/pH值設定，可以根據(jù)光照量來校正EC值。溫室精準灌溉施肥系統(tǒng)設備參數(shù)平移式肥水噴灑系統(tǒng)專門為溫室工廠化育苗基地開發(fā)平移式肥水噴灑系統(tǒng)〔見圖3〕是專門為溫室工廠化育苗基地開發(fā)的智能設備。該設備能有效解決溫室育苗過程中人工噴頭噴灑水量不均、秧苗上下不一的問題，折疊噴桿上安裝有可旋轉的多功能噴頭，1個噴頭可以安裝3個不同噴量的噴嘴，根據(jù)瓜類、椒茄類、豆類等不同秧苗、不同生長期的需求，選擇不同的噴嘴，通過控制器靈活變量控制葉面肥噴量，實現(xiàn)施肥作業(yè)時的精準變量控制?？上冗x擇好適宜的噴嘴，設定所需的噴灑量，人工推動噴灑車勻速前進；也可兩人抬著噴桿，噴桿通過高壓噴管和壓力泵連接，翻開噴灑閥門后勻速前進，完成肥水噴灑作業(yè)。平移式肥水噴灑系統(tǒng)設備參數(shù)外形尺寸〔長×寬×高〕2.5m×0.9m×2.4m〔運輸狀態(tài)〕2.5m×6m×2.4m〔工作狀態(tài)〕水箱容積300L潮汐式精準灌溉施肥系統(tǒng)潮汐式精準灌溉施肥系統(tǒng)是基于潮水漲落原理而設計的一種將灌溉和施肥結合在一起的高效節(jié)水施肥系統(tǒng)。該灌溉施肥系統(tǒng)適用于各類盆栽植物的種植管理，可以有效提高水資源和營養(yǎng)液的利用效率。該系統(tǒng)能保證作物均勻吸收肥料和水分，充分滿足作物生長需要，因此，園藝產(chǎn)品質量一致性好，成品率高。潮汐式精準施肥灌溉系統(tǒng)主要分為兩類：地面式和植床式。地面式潮汐灌溉施肥系統(tǒng)是在地表砌一個可蓄水的苗盤裝水池，在其中分布假設干出水孔和回水孔；植床式潮汐灌溉系統(tǒng)則是在苗床上搭建出一層大面積的蓄水苗盤，在苗盤上預留了出水和回水孔。在應用時，灌溉水或配比好的營養(yǎng)液由出水孔漫出，使整個苗床中的水位緩慢上升并到達適宜的液位高度〔漲潮〕。在保持一定時間，使得作物根系充分吸收營養(yǎng)液后，翻開回水口，使營養(yǎng)液快速回流到儲液池中〔落潮〕，從而完成一個灌溉循環(huán)過程。潮汐式灌溉可以準確滿足植物的水肥供應，且在通過毛細作用進展灌溉時，可使介質保持相應的濕度和透氣性，降低了根壓，有利于植物根系及植株的快速生長。潮汐式灌溉系統(tǒng)采用完全封閉的系統(tǒng)循環(huán)，水資源利用率90%以上，通過底部灌溉，防止了植物葉面產(chǎn)生水膜，可以保持葉面枯燥，促進作物的光合作用，有利于室內相對濕度的控制。潮汐式灌溉施肥系統(tǒng)集成了紫外臭氧消毒技術，不但可以實現(xiàn)作物均勻地精準灌溉施肥，而且可對回收液進展有效地過濾、消毒、殺菌處理，提高營養(yǎng)液的循環(huán)使用效率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以同時對水溫、EC值、pH值等用戶關心的參數(shù)進展實時檢測，準確控制環(huán)境溫度和營養(yǎng)液的配比平衡，到達施加、過濾、回收、檢測、消毒、調整、再利用的閉環(huán)構造，有效提高營養(yǎng)液和水的利用率。潮汐式灌溉系統(tǒng)管理本錢低，無論是手動操作或輔助以自動控制系統(tǒng)管理下，一個人在20min內可完成多個植床的灌溉施肥。該系統(tǒng)科學實用，有很好的市場推廣前景。展望溫室的肥水科學管理能夠明顯地提高溫室園藝作物產(chǎn)量和品質，具有廣闊的開展前景。目前，我國設施生產(chǎn)中的精準變量施肥技術應用水平不高，從國外引進的溫室精準變量施肥系統(tǒng)因為維護保養(yǎng)本錢高，投入大，無法在我國大面積推廣應用。開發(fā)價格適中、能滿足我國設施園藝自動控制系統(tǒng)需要的智能施肥設備，有很重要的意義。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術的開展，觀光旅游農(nóng)業(yè)、高附加值花卉等產(chǎn)業(yè)蓬勃開展，必將帶動相關智能裝備技術的巨大需