精准变量施肥技术在设施园艺自动控制系统中的研究报告应用

-.z精准变量施肥技术在设施园艺自动控制系统中的研究与应用摘要：“温室精准变量施肥技术〞是指在设施园艺自动控制系统过程中，充分考虑温室环境的微气候特性，按照作物生长规律，利用传感器技术、机电一体化技术等手段精准控制施肥过程，按照需要自动控制肥料浓度和施肥量，做到肥料最少用量、最多吸收、最大利用、最小浪费，最大程度地提高肥料的利用率，做到少投入、高回报。随着农业科技的开展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。**托普仪器**和**大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别〔rfid〕、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，防止了“瘦肉精〞、“毒辣椒粉〞、“红心鸭蛋〞等问题的再次发生，保证了食品的平安和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示*园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业工程提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。托普农业物联网系统主要包括三个层次：感知层：采用各种传感器〔如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土壤温湿度等〕获取植物的各类信息。传输层：信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。应用层：根据WSN获取植物实时生长环境。图温湿度、光照参数等，收集各个节点的数据，进展存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各类信息进展自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常信息进展自动报警。加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进展实时监控。研究背景和现状精准变量施肥技术是一个重要的领域。对于温室园艺生产来说，水肥科学控制关系到园艺产品的品质和产量，一直以来都是国内外温室经营者、种植者和研究机构关注的焦点。设施园艺自动控制系统有着自身的鲜明特点，即水肥用量大，高度依赖人工水肥环境。设施园艺自动控制系统的这一特点就要求生产者对水肥的控制要精益求精，以明显地提高产品的质量，增加经济效益。国外对水肥控制技术研究的起步较早。以色列、美国、荷兰、法国等国家在这方面都有很多成果。以色列是个水资源短缺的国家，研发了很多先进的节水技术。其中，先进的微灌技术应用带动了以色列水肥灌溉的兴起，该技术在温室的优势更为明显，其基于精准变量控制的温室水肥灌溉系统对水的最高利用率可以到达95%。AMIAD公司、NETAFIM公司等是以色列知名的水肥精准变量控制技术设备供应商。基于地广人稀的自然特点和劳动力昂贵的社会现实，美国也大量应用自动化灌溉技术。目前，美国是世界上微灌面积推广最大的国家。在微灌技术的根底上，美国大力开展了精准变量施肥技术，开发并大量应用了化肥—农药注入泵、文丘里化肥注入系统、40站电磁阀控制器等先进的施肥控制器。目前，美国在精准变量施肥领域处于先进水平。荷兰的花卉产业兴旺，相关的技术领域开展均较快。荷兰花卉温室大量应用了先进的灌溉施肥设备。荷兰PRIVA公司是世界最大的温室计算机自动控制公司之一，其已经成功开发并应用了多款先进的用于温室生产的自动控制施肥机，能够完全满足实际生产中的水、肥精准变量控制。法国在肥料农药混合器方面的研究也处于国际先进水平，相关的温室园艺使用的精准变量施肥产品应用得也非常普遍。相比之下，我国的温室灌溉施肥技术相比照拟落后，水的利用率只有40%〔马学良，1999〕，设施园艺自动控制系统中应用精准变量技术起步较晚。20世纪90年代以后，国家对节水灌溉施肥更加重视，各地从兴旺国家引进了相关的灌溉施肥设备，使得国内温室大棚等保护地生产的灌溉施肥技术有了较大开展。但是，目前，温室中普遍应用的是简单的压差式施肥器，浓度不均匀。我国自行研发的计算机控制的变量精准施肥设备大多处于实验室研究阶段，尚未有成熟的产业化产品。国家农业信息化工程技术研究中心针对我国温室园艺的实际需求，开发了移动式温室精准施肥机等多款温室专用的智能施肥机，性能可靠，适应温室推广应用。移动式温室精准施肥机适用于小型温室生产基地移动式温室精准施肥机〔见图1〕是专门针对小型温室生产基地生产的需要开发的，不需要配套专门的纯水机，普通的自来水即可使用。该设备设置有自动控制箱，安装有可编程控制器、报警模块、液位传感器，能够按照程序设定自动控制工作时间，设置有自动和手动模式切换开关，可以在自动和手动两种模式之间灵活切换。自动模式下，可无人监测定时自动开关机，可记录灌溉水总量，肥料箱溶液用尽可自动报警。移动系列安装有静音橡胶脚轮，可灵活移动，10个温室公用1台施肥机即可完成作业，配备有快速密封接头，可方便在不同温室之间移动使用。肥料浓度使用高精度的比例器控制，可手动灵活调节施肥浓度，性能可靠，经久耐用。使用配套的喷枪后，可按照设定浓度准确喷洒叶面肥。设备保养维护简单，普通温室种植人员经过简单的培训后即可进展操作使用。该设备价格适合，适合我国温室大面积推广。该机已经获得国家专利。移动式温室精准变量施肥机设备参数温室精准灌溉施肥系统适用于大中型设施园艺基地温室精准灌溉施肥系统〔见图2〕是专门应用于大中型设施园艺基地的智能精准变量施肥系统。要求配套有纯水机制造纯洁水，能准确控制EC值和pH值。设有专门的灌溉施肥控制计算机，具备单独灌溉、施肥等多种功能。控制器采用彩色液晶触摸屏，防水防潮，操作界面友好，除有简体中文的操作界面外，还支持英文。系统具有肥料溶液循环系统，可以提高利用效率40%。最多可控制40个灌溉电磁阀区，有多达8种EC/pH值设定，可以根据光照量来校正EC值。温室精准灌溉施肥系统设备参数平移式肥水喷洒系统专门为温室工厂化育苗基地开发平移式肥水喷洒系统〔见图3〕是专门为温室工厂化育苗基地开发的智能设备。该设备能有效解决温室育苗过程中人工喷头喷洒水量不均、秧苗上下不一的问题，折叠喷杆上安装有可旋转的多功能喷头，1个喷头可以安装3个不同喷量的喷嘴，根据瓜类、椒茄类、豆类等不同秧苗、不同生长期的需求，选择不同的喷嘴，通过控制器灵活变量控制叶面肥喷量，实现施肥作业时的精准变量控制。可先选择好适宜的喷嘴，设定所需的喷洒量，人工推动喷洒车匀速前进；也可两人抬着喷杆，喷杆通过高压喷管和压力泵连接，翻开喷洒阀门后匀速前进，完成肥水喷洒作业。平移式肥水喷洒系统设备参数外形尺寸〔长×宽×高〕2.5m×0.9m×2.4m〔运输状态〕2.5m×6m×2.4m〔工作状态〕水箱容积300L潮汐式精准灌溉施肥系统潮汐式精准灌溉施肥系统是基于潮水涨落原理而设计的一种将灌溉和施肥结合在一起的高效节水施肥系统。该灌溉施肥系统适用于各类盆栽植物的种植管理，可以有效提高水资源和营养液的利用效率。该系统能保证作物均匀吸收肥料和水分，充分满足作物生长需要，因此，园艺产品质量一致性好，成品率高。潮汐式精准施肥灌溉系统主要分为两类：地面式和植床式。地面式潮汐灌溉施肥系统是在地表砌一个可蓄水的苗盘装水池，在其中分布假设干出水孔和回水孔；植床式潮汐灌溉系统则是在苗床上搭建出一层大面积的蓄水苗盘，在苗盘上预留了出水和回水孔。在应用时，灌溉水或配比好的营养液由出水孔漫出，使整个苗床中的水位缓慢上升并到达适宜的液位高度〔涨潮〕。在保持一定时间，使得作物根系充分吸收营养液后，翻开回水口，使营养液快速回流到储液池中〔落潮〕，从而完成一个灌溉循环过程。潮汐式灌溉可以准确满足植物的水肥供应，且在通过毛细作用进展灌溉时，可使介质保持相应的湿度和透气性，降低了根压，有利于植物根系及植株的快速生长。潮汐式灌溉系统采用完全封闭的系统循环，水资源利用率90%以上，通过底部灌溉，防止了植物叶面产生水膜，可以保持叶面枯燥，促进作物的光合作用，有利于室内相对湿度的控制。潮汐式灌溉施肥系统集成了紫外臭氧消毒技术，不但可以实现作物均匀地精准灌溉施肥，而且可对回收液进展有效地过滤、消毒、杀菌处理，提高营养液的循环使用效率。数据采集系统还可以同时对水温、EC值、pH值等用户关心的参数进展实时检测，准确控制环境温度和营养液的配比平衡，到达施加、过滤、回收、检测、消毒、调整、再利用的闭环构造，有效提高营养液和水的利用率。潮汐式灌溉系统管理本钱低，无论是手动操作或辅助以自动控制系统管理下，一个人在20min内可完成多个植床的灌溉施肥。该系统科学实用，有很好的市场推广前景。展望温室的肥水科学管理能够明显地提高温室园艺作物产量和品质，具有广阔的开展前景。目前，我国设施生产中的精准变量施肥技术应用水平不高，从国外引进的温室精准变量施肥系统因为维护保养本钱高，投入大，无法在我国大面积推广应用。开发价格适中、能满足我国设施园艺自动控制系统需要的智能施肥设备，有很重要的意义。随着现代农业技术的开展，观光旅游农业、高附加值花卉等产业蓬勃开展，必将带动相关智能装备技术的巨大需