智能灌溉施肥系统设计及应用

詹光辉 李硕煜

（新疆中泰创新技术研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

本文主要从两大方向围绕着智能灌溉施肥系统展开论述，其中第一部分主要对智能灌溉施肥系统的设计入手，并从智能灌溉施肥系统的设计要求、参考要素、技术发展现状以及未来趋势进行详细分析；第二部分主要就智能灌溉施肥系统的应用展开论述，并从智能灌溉施肥系统的测试、实际投用结果、应用中有待改善的方面以及技术提升方面进行详细论述，以期为用户带来性能优越、价格实惠的智能灌溉施肥系统。

1.智能灌溉施肥系统的设计分析

1.1 智能灌溉施肥系统的设计要求分析

就智能灌溉施肥系统的设计方向而言，其主要功能就是对植被区的植物进行灌溉与施肥，在日常生活中，常见到简易的灌溉设备与施肥设备，而将二者整合在同一系统中，却具有一定难度。农业生产中，操作人员会采取在种植区域内部埋设或者外置旋转式灌溉系统来满足灌溉要求；在施肥方面，则会再引入其他设备，并在设备中放置农作物所需的肥料，采用人工操作度较高的方式进行施肥。而智能灌溉施肥系统不仅要做到将灌溉与施肥这两大功能结合在同一设备上，更需要对植被区的农作物生长状态进行监测，并根据监测结果来确定灌溉与施肥的频率与用量。

其次，在智能灌溉施肥系统的设计中要着重“智能”的体现，智能灌溉施肥系统的意义在于高度解放人工生产力，促进农业生产与林业生产的智能化、一体化操作，进一步提高生产效率，为农业与林业带来更高额的利润。为了提高操作的可行性，智能灌溉施肥系统尽量可以内置在植被区，当产生灌溉与施肥需求时，只需通过前台对系统进行控制即可，管理人员只需结合外界气候条件以及作物品种习性决定灌溉频率与施肥用料种类即可。除此之外，智能灌溉施肥系统还应当具备普适性，高端科学技术只有为大众层面所用，才是符合科学技术研究的本心。因此，除了要研制支持内置的智能灌溉施肥系统，还应当研制规模较小、便于携带的农户型智能灌溉施肥系统，提高广大农民群众的生产效率与作业范围。

1.2 智能灌溉施肥系统设计过程中的参考要素

机械系统在投入实际设计之前，应当对设计过程中所需要参考的要素进行总结，确保能够制作出符合实际期望的设备。前文中提到智能灌溉施肥系统应当具备灌溉、施肥、环境监测等功能，因此在设计过程中，可以将智能灌溉施肥系统的主功能区分为三大部分：灌溉施肥区、控制区、信号监测区，其中灌溉施肥区主要根据控制区传输的操作信号对作物进行灌溉与施肥，并根据信号译码系统决定操作强度与操作频率；而控制区则相当于灌溉施肥系统链接灌溉施肥操作中心与信号监测区的中心枢纽，控制区需要先接收信号监测区的信号数据，并对其进行译码，然后传输至灌溉施肥区，并根据灌溉施肥区的反馈信号做出下一阶段的操作指令控制；而信号监测区主要负责监测操作前台与外界环境两个方向的信号，前者主要由系统管理员发出，后者主要由系统内置智能程序根据外界环境做出应答。

智能灌溉施肥系统在设计与安装之前，都需要专门人员对设备应用区域进行考察，并结合用户的实际要求，最终得出较为合理的设计方案。实地考察过程中期，主要对智能灌溉施肥系统的安装环境进行监测，包括土壤质量、水源质量、空气质量以及周围是否存在重污染工厂等等，因为大多数种植区会选择在供水首部放置智能灌溉施肥系统，将肥料系统同灌溉系统连接。每个首部管理的面积大约在500亩到1000亩。这一类系统会长期放置在种植区，如果种植区周遭环境存在严重质量问题，会对系统的运转状态以及工作寿命产生严重影响。除此之外，在为整个种植区安装智能灌溉施肥系统时，可以先选择若干个测试点，对设备的功能性以及环境适应性进行测试，若效果较为良好，则可以完成全局安装；若效果较差，则需进一步调整后再安装。

1.3 智能灌溉施肥系统设计思路分析

在灌溉施肥过程中，除了要控制好灌溉与施肥的操作频率，还要提升土壤与作物对于水分和肥料的吸收性。水分与肥料作为农作物生产过程中必备的两大要素，其施加的用量与频率可谓十分重要。因此，在智能灌溉施肥系统的设计过程中，一定要精准把控水分与肥料的用量，若水分与肥料用量较少，则无法为作物提供充足的生产所需物，作物会出现矮小、枯黄、落叶以及死亡等现象，对农业生产人员而言这是极为重大的损失；若水分用量较多，多余的水分无法被土壤与作物吸收，会导致作物根系长期浸泡在水分中，严重影响作物的光合作用与呼吸作用，不仅会影响作物产量还极有可能导致作物死亡；若肥料用量较多，肥料中多余的元素会长期残留在作物周围的土壤与水源中，不仅会危害作物的生长，还极有可能对周围居民的生活造成影响。由此可见，智能灌溉施肥系统设计过程中，需要对提升水分与肥料的利用率多加研究。

在实际设计过程中，通常设计水肥一体机系统。水肥一体机系统结构包括：控制柜、触摸屏控制系统、混肥硬件设备系统、无线采集控制系统。支持pc端、微信端实施查看数据以及控制前端设备；水肥一体化智能灌溉系统可以帮助生产者很方便地实现自动的水肥一体化管理。系统由上位机软件系统、区域控制柜、分路控制器、变送器、数据采集终端组成。通过与供水系统有机结合，实现智能化控制。可实现智能化监测、控制灌溉中的供水时间、施肥浓度以及供水量。同时通过监测EC值来判断土壤中肥料的浓度。因为土壤中的通过传感器监测到的肥料浓度会随着土壤含水量不断地变化而变化，而不是土壤中肥料的实际浓度。这需要建立单独的函数关系，才能够判断土壤中肥料浓度。变送器（土壤水分变送器、流量变送器等）将实时监测的灌溉状况，当灌区土壤湿度达到预先设定的下限值时，供水开关可以自动开启，当监测的土壤含水量及液位达到预设的灌水定额后，可以自动关闭电磁阀系统。可根据时间段调度整个灌区电磁阀的轮流工作，并手动控制灌溉和采集墒情。整个系统可协调工作实施轮灌，充分提高灌溉用水效率，实现节水、节电，减少劳动强度，降低人力投入成本。

1.4 智能灌溉施肥系统设计技术发展现状以及未来导向

现阶段，智能灌溉施肥系统的设计技术虽然达到了一定的高度，但是在实际应用中还存在着众多难题。首先，用水量受种植管理水平以及灌溉系统的差异影响，容易导致水量控制不够精确，虽然与人工灌溉系统相比，智能灌溉施肥系统的耗水量较少，但是智能灌溉施肥系统往往应用于大型农业生产与林业生产中，长远来看，其耗水量不可小觑。21世纪是万事万物飞速发展的时代，却又是能源十分紧缺的时代，环保节能早已成为时代主题，因此，仍需不断对智能灌溉施肥系统的节水性与节能性进行改善。可以在灌溉土壤中埋设土壤水分传感器，土壤水分传感器应当具备水分监测功能，当某一区域的水分达到饱和时，就停止向该区域输送水分。通过提高智能灌溉施肥系统的设计难度来缓解耗能、耗水问题在理论上是可行的，但还需要研究人员投入更多的努力进行操作化实验。

其次，不同品种的作物所需的肥料有所不同，同一种作物在不同的季节对于肥料的需求也有所不同，因此，智能灌溉施肥系统还需要解决对同一种植区不同品种作物以及对在不同季节对种植区作物的肥料使用问题。智能灌溉施肥系统的施肥功能区还应该添加病虫害监测功能，对种植区的作物生长状态进行实时监测，一旦发现病虫害现象能够尽早解决，降低农业生产与林业生产的损失。除此之外，还可以在智能灌溉施肥系统中添加肥水区，所谓肥水就是肥料与水分的混合物，其主要用于为部分作物补充生长所需物。

2.智能灌溉施肥系统的应用分析

2.1 智能灌溉施肥系统的测试

智能灌溉施肥系统在投入实际应用之前，应当进行多次应用测试分析，并结合测试结果与用户要求进行调整，最终得到与植被区气候、地理条件以及植被品种较为契合的智能灌溉施肥系统。在测试过程中，可以分为两个测试阶段：生产车间测试与实地测试，前者主要对智能灌溉施肥系统的功能性与质量等参数进行测试；后者则是对智能灌溉施肥系统的实操性进行测试。在实地测试环节，可以在植被区选取若干个测试点，安装局部智能灌溉施肥系统，并对灌溉量、施肥量以及土壤和植被的吸收状况进行测试，为了提高测试数据的可靠性，可以在每一个测试点进行6-8组实验，并结合各个实验点的测量数据给出最终测试结果。

在完成智能灌溉施肥系统之后，应当根据实测结果与用户要求对智能灌溉施肥系统进行微调，并再次展开若干轮测试，直至测试结果与设计预期相符为止。除了要对智能灌溉施肥系统与植被区的兼容性进行测试，主要测试灌溉系统稳定性，数据传输的可靠性，各软硬件在实地操作的准确性。需要对每个硬件逐个测试，每个软件功能进行测试。在实际使用中是结合原来的水肥使用经验，观察植物长势、传感器数据来增减灌溉量及施肥量。还要对植被区土壤进行分析，主要分析土壤中有机质、氮磷钾和其他中微量元素。根据地块形状进行取样，长方形土地采取“S”形取样法，方形地采取五点交叉取样法，每个地块可以选择15到20个点。最后再结合气候条件、植物品种做出相对合理的施肥建议。

2.2 智能灌溉施肥系统的实际投用效果

据调查研究分析结果显示，智能灌溉施肥系统收到了较好的实际投用结果。智能灌溉系统在实施区域经过一段时间应用后，能够结合植被区地理条件、环境因素以及植被品种特性对于采取何种肥料以及施肥频率、灌溉频率给出良好指向性建议，植被区作业人员只需要根据智能灌溉施肥系统的指示操作即可。智能灌溉施肥系统在农业生产与林业生产中的投用，在一定程度上解放了人工劳动力，提高了植被作业的效率与效益，使农业生产与林业生产的发展向前迈进了一大步，有利于促进农业生产迈向现代化。其次，经过多方改良，具备监测病虫害功能的智能灌溉施肥系统也具备较高的实际应用价值，这一建设性优化更为大面积农业种植户带来了技术福音。传统农业生产中，农业生产人员大多通过定时打杀虫剂与营养液来确保农作物的健康生长，这一操作虽然提高了农产品的产量，但是不符合绿色生产的理念。而智能灌溉施肥系统所采用的病虫害监测功能，是对农作物的生长参数进行监测与记录，并根据生长函数系统得出农作物的生长情况，并未出现病虫害现象的农作物进行杀虫消毒与营养液传输，这样不仅能够确保农作物健康生长，还能降低种植区土壤周围的有害物质残留量，与可持续发展与绿色生产理念十分契合。

2.3 智能灌溉施肥系统优化建议

前文中提到智能灌溉施肥系统具有较好的实际投用效果，但是其仍然局部区域存在亟待改进的方面。第一，当前农业生产与林业生产中所使用的智能灌溉施肥系统仍然存在较为严重的耗能问题。部分种植区为了缓解这一问题，采取灌溉、施肥系统分离的管理方式，尽量将二者之间通用的能源与水源进行复用，以此来提高作业效率与资源利用率。将水源设置在地块的高处，借助水的势能降低对电力等能源的消耗。第二，当前的智能灌溉施肥系统设计架构较为固定，无法真正地结合植被区地域特点与植被品种进行实机设计。应当对智能灌溉施肥系统的核心部件进行兼容性扩展操作，使其能够与其他农机相结合，比如数据同飞防无人机、播种机等互通，提高农业生产机械制造的灵活性与创造性。加强系统的适应能力，学习能力，降低使用复杂程度，使系统能够更快地适应新的地块，降低使用入门门槛。第三，智能灌溉施肥系统的一体化操作仍然具有较大的优化空间。智能灌溉施肥系统包含控制区、功能区与信号监测区三大部分，每一部分有涉及众多零部件，有时会出现信号延迟或信号不稳定导致的操作延迟问题，这不仅会对灌溉施肥的用量造成影响，还会对整体设备的应答灵敏性造成影响。在设计制造的时候紧跟科技发展，选用传输信号稳定、距离远的无线系统，硬件选择选用节能、稳定性好的零件，在软件设计上使用人工智能、深度学习等。

2.4 智能灌溉施肥系统的日常养护管理

在实际应用过程中，智能灌溉施肥系统的日常养护管理工作也是十分重要的，良好的养护工作能够降低智能灌溉施肥系统的故障率，减少内部机械设备出现磨损与老化现象，延长整个设备的使用寿命。在实际农业生产过程中，除了要定期对智能灌溉施肥系统进行维护与保养，也要尽量减少系统进行超负荷工作，减少设备因过度疲劳出现故障的情况。由于大部分智能灌溉施肥系统都属于内置型系统，因此，可以定期对智能灌溉施肥系统的管道系统、箱体系统等区域进行清洁与养护。在植被区非种植季阶段，也可以对智能灌溉施肥系统进行大面积养护管理，必要情况下，可以对局部管道系统进行更换与翻新。在对智能灌溉施肥系统进行日常维护管理时，应当进行分区管理。由于智能灌溉施肥系统内部采用了大量的信号监测设备与电磁阀等对于精确性要求较高的零部件，因此，需要对智能灌溉施肥系统所处的温度与湿度进行实时监测，确保周围的环境参数保持在智能灌溉施肥系统能够正常运行的状态。另外也需要排空管道系统中的残余物，以免变质及冻损、腐蚀系统零件等。

3.总结

智能灌溉施肥系统在设计过程中，一定要遵循因地制宜，首先要对设备实装区域进行环境监测，并结合所植农作物品种以及客户实际要求，在智能灌溉施肥系统上进行调整，以期设备能够发挥其优越的性能。智能灌溉施肥系统在应用过程中，要根据实装区域的气候环境以及所植农作物品种的需求量进行使用，管理人员应当精准把控智能灌溉施肥系统的工作时间与工作频率。除此之外，管理人员应当定期对智能灌溉施肥系统进行维护，确保智能灌溉施肥系统能够长期保持优越性能。