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智能化水肥管理设备研究进展
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摘要：灌溉农业经历了从地面灌溉到微灌，再到膜下、地下微灌，微润灌、痕量灌等灌溉技术，根据作物根系强度，直接给作物根部供水，形成与农机农艺融合的节水灌溉新技术阶段。地面灌
灌溉农业经历了从地面灌溉到微灌，再到膜下、地下微灌，微润灌、痕量灌等灌溉技术，根据作物根系强度，直接给作物根部供水，形成与农机农艺融合的节水灌溉新技术阶段。地面灌溉主要以渠、沟引水为主，微灌主要为管道或者低压管道输水，通过田间灌水器直接将灌溉水资源输送到作物根部土壤，减少了水资源输水过程中蒸发与渗漏损失，极大提高了农田水利用效率。当面积较大时，为了保证灌水均匀度和灌水效率，需要将整个田块划分成若干轮灌区进行轮灌。传统滴灌、喷灌、管灌等灌水方法轮灌区阀门均位于轮灌组小区旁，频繁开关耗费人力物力，因此，近年来基于单片机、PLC、ZigBee无线传感器网络等的智能灌溉机的出现大大减少了田间小区灌溉阀门的启闭工作。结合田间土壤水分探头，和无线信号传输、接收模块，实现了灌溉自动化与智能化，可根据田间土壤含水率情况，根据设置的灌水阈值自动启闭电磁阀，达到自动灌水的效果。目前在自动灌溉系统方面国内外均有较为成熟的研究和报道，而且能耦合施肥系统，达到水肥一体化供给，部分设备还能辅助识别土壤饱和含水量、田间持水量，自动计算实际腾发量及作物系数，以及预测腾发量和降雨量等。因此，文中在国内外学者研究的基础上，针对智能灌溉机的发展现状和存在问题进行总结归纳，以期为更深层次的研究奠定基础。
1 作物智能灌溉机研究进展
1.1 主要开发工具
目前国内研发的智能灌溉机主要依靠计算机开发语言，用编程的方法将要实现的功能具体化，再用单片机形成接收和控制单元，集成土壤湿度传感器、温度传感器等检测系统，配套信号收集和发射装置。通过人机交换界面人工设置灌水阈值，系统根据所收集的数据进行自动判别，进而指导灌溉，由此形成一整套智能化灌溉控制系统。
李晓帆将采集点的土壤湿度数据传输至单片机信息处理模块，再通过MAX232芯片，将单片机与上位机信息联通，通过上位机的人机交换屏幕，查看智能灌溉系统的土壤湿度状况，进而通过执行单元控制灌溉，土壤湿度采集点可以单个，也可以实现多点采集或多点灌溉。俞卫东基于PLC编程系统实现了对农田环境参数、灌溉水EC或pH的自动监测，智能控制器接收无线信号，通过对信号的解码和分析。根据用户设置的报警参数控制阀门启闭，在这基础上通过多通道回路加入了施肥系统，实现了水肥一体化控制。试验记录表明，该智能灌溉施肥机灌溉的水量与作物需水量的相对误差小于 0.5%，对灌溉水电导率EC值控制的精度误差小于0.03 ms/cm，对灌溉水pH值控制误差小于 0.01。示范结果表明，该机型性能可靠，信号稳定，能有效控制田间土壤水分，实现精准灌溉和精量施肥。尤兰婷基于微机平台，开发了灌溉施肥管理系统，该系统可根据不同作物进行自动化管理。其基本原理是利用针插式传感器，对土壤参数、农田环境参数进行采集，储存上位机控制盒中进行编码和发送至控制系统，控制系统采用PAC控制理念，将控制系统控制层和执行层单独设置，做到单独运行、相互通讯、信号耦合，控制系统收到田间墒情信号后，采用闭环方式对灌溉水量进行控制，控制系统由接收到的水分信息和灌溉指标决定是否进行灌溉。房俊龙以 LPC2387为研发核心，搭建通用控制系统的硬件平台。控制系统采用模块化设计，将信号接收模块、通讯模块、控制输出模块等单独研发，进行集成和兼容性设置，该灌溉施肥机能实时监测管道溶液的EC值、pH值、温度、溶氧、管道压力、流量等参数，能够实现自动和手动模式的切换。
1.2 主要功能实现
目前较为先进的智能水肥管理设备集成土壤水分检测仪、互联网控制系统、自动气象站等建立一套物联网化的土壤水分自动控制系统，可对作物根系活动、耗水规律、气象生态环境等信息进行人工智能处理。实时监测不同土壤深度的水分与温度变化，并且可以通过手机实时查看数据。输出数据主要有作物日耗水量、土壤储水量，预测未来一段时期的降雨量和作物腾发量，辅助识别土壤饱和含水量和田间持水量，辅助计算灌溉水有效利用系数等功能，是一种较为先进的土壤水分检测和控制系统，但其缺乏对土壤肥力的检测，也没有施肥系统。
2 智能灌溉机存在的问题
2.1 施肥无法实现智能管理
目前智能化灌溉设备均没有考虑作物生育期，没有根据作物生命缺水诊断信息进行供水，而是仅通过土壤指标进行灌溉。通过土壤基质势或者土壤体积含水率，结合土壤水分下限阈值，自动控制电磁阀的启闭进行灌水，这种控制方式没有充分考虑到作物不同生育期对土壤水分的需求规律及对缺水敏感程度的不同。目前主要通过在不同生育期阶段设置不同的土壤水分下限阈值，但是这种修改不仅需要技术支撑，而且增加了田间用工。其次是没有考虑施肥系统，对不同养分追施系统缺乏耦合，需要人工独立施肥，增加了施肥劳动力投入，也没有有效的土壤养分速测传感系统，目前国内外对土壤养分的速测技术尚不成熟，田间土壤养分速测仪不能准确反映田间养分情况，而且目前大多数粮食作物各生育期的需肥规律尚不明确，给自动施肥增加了不少难度，降低了灌溉系统的高效运行。
文章来源：《设备监理》 网址: http://www.sbjlzz.cn/qikandaodu/2021/0506/992.html