基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用探討_于省元.pdf

18 農(nóng)場經(jīng)濟管理 2025 5 Nongchang Jingji Guanli 作者簡介 于省元 1967 男 研究員 碩士 黑龍江省農(nóng)墾科學院 課題 北大荒集團 玉米水肥一體化智能管控技術(shù)研究與示范 課題 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng) 在智慧農(nóng)業(yè)中的應用探討 于省元 黑龍江省農(nóng)墾科學院 摘要 水肥一體化技術(shù)作為緩解農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵路徑 其效能受制于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的感知滯后 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的突破性發(fā)展為解決這一矛盾提供了新機遇 通過多維度環(huán)境感知與自適應控制算法的深度融 合 有望重構(gòu)水肥耦合的時空匹配精度 因此 本文基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用展開 探討 以期建立面向玉米種植的智能水肥管理系統(tǒng)理論框架 為智慧農(nóng)業(yè)的工程化應用提供技術(shù)范式 關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 水肥一體化 智慧農(nóng)業(yè) 玉米種植 一 水肥一體化系統(tǒng)的基本原理 一 水肥耦合機制的物理與化學基礎(chǔ) 水肥耦合的核心在于通過水分運移實現(xiàn)養(yǎng)分的 精準輸送與作物吸收的動態(tài)平衡 化學過程的復雜 性體現(xiàn)在離子間的相互作用 作物根系優(yōu)先吸收銨 態(tài)氮 硝態(tài)氮等有效養(yǎng)分 但鈣 鎂等陽離子會通過 競爭效應抑制關(guān)鍵元素的吸收效率 1 如在玉米生 長關(guān)鍵期 鉀元素對莖稈強度至關(guān)重要 但過量施用 會與土壤中的鈣離子結(jié)合形成難溶化合物 不僅降 低肥效 還可能堵塞灌溉系統(tǒng)孔隙 現(xiàn)代系統(tǒng)通過動 態(tài)監(jiān)測土壤溶液的電化學特性 智能調(diào)節(jié)氮肥形態(tài) 與離子比例 確保養(yǎng)分以最適狀態(tài)到達根系表面 二 水肥精準配比與控制技術(shù) 精準配比技術(shù)通過建立作物需求與供給的實 時響應機制實現(xiàn)優(yōu)化控制 系統(tǒng)依據(jù)作物生長階段 的生理特征動態(tài)調(diào)整營養(yǎng)配方 如玉米拔節(jié)期需強 化鉀元素供應以增強抗倒伏能力 而灌漿期則側(cè)重 磷元素補充以促進籽粒飽滿 2 控制系統(tǒng)的核心在 于多參數(shù)協(xié)同調(diào)節(jié) 電導率傳感器實時反饋溶液濃 度 驅(qū)動比例閥調(diào)整母液注入量 酸堿度探頭監(jiān)測 pH 值變化 自動注入緩沖劑維持養(yǎng)分離子活性 先 進的控制算法能夠預測土壤水分運移速度 提前調(diào) 節(jié)注肥參數(shù)以抵消系統(tǒng)響應延遲 確保根系區(qū)域始 終處于最佳水肥狀態(tài) 三 系統(tǒng)集成與自動化控制 自動化控制系統(tǒng)通過多級協(xié)同架構(gòu)實現(xiàn)精準管 理 執(zhí)行單元由智能泵組 文丘里混肥裝置和電磁閥 陣列構(gòu)成 其中混肥裝置利用流體動力學原理實現(xiàn) 肥料溶液的均勻混合 其精度可達每立方米溶液誤 差不超過一勺標準量 控制中樞采用自適應算法 綜 合土壤濕度 葉片溫度 光照強度等多源數(shù)據(jù)生成決 策指令 例如在高溫強光條件下自動縮短灌溉間隔 以防止作物蒸騰過量 3 云端管理平臺構(gòu)建虛擬農(nóng) 田模型 通過機器學習分析歷史數(shù)據(jù) 優(yōu)化灌溉策略 并預測設(shè)備維護周期 系統(tǒng)的容錯設(shè)計保障了運行 可靠性 雙路傳感器交叉校驗防止數(shù)據(jù)失真 應急電 源系統(tǒng)確保突發(fā)斷電時仍能完成灌溉周期 二 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水肥一體化中的應用 一 傳感器網(wǎng)絡的構(gòu)建與數(shù)據(jù)采集 物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡如同農(nóng)田的 神經(jīng)系統(tǒng) 通 過多維度感知設(shè)備實時捕獲環(huán)境信息 土壤剖面部 署的溫濕度傳感器可探測不同深度的水分動態(tài) 根 系層傳感器則專用于監(jiān)測養(yǎng)分濃度梯度 冠層上方 架設(shè)的光照強度探頭與葉片表面接觸式傳感器協(xié) 同工作 完整描繪作物生長微環(huán)境 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 的突破解決了傳統(tǒng)單點監(jiān)測的局限性 如將土壤電 導率數(shù)據(jù)與根系熱成像結(jié)合 能精準判斷養(yǎng)分吸收 19 三大一航母 建設(shè) 活性區(qū)域 為防止傳感器故障導致數(shù)據(jù)失真 網(wǎng)絡 采用冗余設(shè)計 每個監(jiān)測點配置主備雙傳感器 當 檢測到數(shù)據(jù)偏差超過閾值時自動切換至備用設(shè)備 二 數(shù)據(jù)傳輸與通信技術(shù)的選擇 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的選擇需平衡傳輸距離 能耗 與抗干擾能力 在開闊農(nóng)田場景 采用具有強穿透 性的低頻無線電波技術(shù) 其信號可穿越茂密玉米植 株實現(xiàn)半徑覆蓋 而在設(shè)施大棚內(nèi) 則切換為高精 度 Wi Fi 定位技術(shù) 通過多接入點協(xié)同提升定位精 度 創(chuàng)新性的自適應協(xié)議棧設(shè)計解決了異構(gòu)設(shè)備互 聯(lián)難題 當田間網(wǎng)關(guān)檢測到局部網(wǎng)絡擁堵時 自動 將數(shù)據(jù)流切換至鄰近節(jié)點的空閑信道 針對極端天 氣的通信保障方案采用天地一體傳輸模式 晴天使 用低功耗地面網(wǎng)絡 暴雨天氣則啟用搭載北斗短報 文功能的應急終端 確保關(guān)鍵農(nóng)情信息不丟失 三 數(shù)據(jù)分析與決策優(yōu)化算法 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)如同農(nóng)田的 智能大腦 通過機 器學習模型將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行策略 時空關(guān) 聯(lián)分析算法可識別土壤濕度與施肥效果的隱性聯(lián) 系 如發(fā)現(xiàn)某區(qū)域在特定光照強度下鉀元素吸 收率顯著提升 從而動態(tài)調(diào)整該區(qū)域的施肥方案 深度學習模型通過訓練歷史數(shù)據(jù)建立玉米各生長 期的需水需肥特征庫 當監(jiān)測到葉片夾角變化時 自動匹配相似生長模式并提前調(diào)整灌溉參數(shù) 決策 優(yōu)化創(chuàng)新體現(xiàn)在多目標權(quán)衡機制 在干旱季節(jié)自動 啟動節(jié)水優(yōu)先模式 適當放寬施肥精度以保障作物 存活 而在豐水期則切換為品質(zhì)優(yōu)化模式 通過精 細調(diào)控提升籽粒蛋白質(zhì)含量 三 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)在玉米 種植中的應用 一 精準灌溉的實施與優(yōu)化 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過實時感知土壤水分動態(tài) 實現(xiàn) 玉米全生育期的按需供水 田間部署的剖面濕度傳 感器可探測根系層土壤含水狀態(tài) 當監(jiān)測到特定深 度土層濕度低于作物需求閾值時 系統(tǒng)自動觸發(fā)滴 灌裝置啟動 灌溉策略的優(yōu)化體現(xiàn)在兩方面 一是 根據(jù)玉米生長階段調(diào)整供水優(yōu)先級 二是結(jié)合氣象 預測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)節(jié)灌溉時間 創(chuàng)新點在于引入蒸騰 效率模型 通過莖流計監(jiān)測植株水分消耗速率 使 灌溉量精確匹配作物實際需求 二 高效施肥的精準化管理 系統(tǒng)依據(jù)玉米生理特性與土壤肥力空間差異 實施變量施肥 在施肥決策端 基于葉片光譜傳感 器獲取的葉綠素含量數(shù)據(jù) 結(jié)合根系層土壤養(yǎng)分檢 測結(jié)果 智能算法可動態(tài)計算氮磷鉀需求比例 施 肥操作的精準性通過雙重保障實現(xiàn) 一是采用文丘 里比例混合器 確保母液與灌溉水的混合均勻度誤 差小于一勺肥料的標準量 二是通過電磁閥陣列控 制 使施肥量隨植株密度梯度變化 田邊稀疏區(qū) 域減少流量 中心密植區(qū)增加供給 三 病蟲害監(jiān)測與防治 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建起病蟲害早期預警與精準防 控體系 冠層高清攝像頭結(jié)合紅外熱成像技術(shù) 可 捕捉葉片病斑 蟲卵附著等初期癥狀 圖像識別算 法能在病害顯癥前 48 小時發(fā)出預警 環(huán)境傳感器 網(wǎng)絡則通過持續(xù)監(jiān)測田間微氣候 當空氣濕度持續(xù) 高于病害暴發(fā)臨界值時 自動調(diào)整灌溉策略以改善 通風條件 防治執(zhí)行環(huán)節(jié)采用靶向施藥技術(shù) 無人 機搭載多光譜相機定位蟲害集中區(qū)域后 變量噴霧 系統(tǒng)根據(jù)蟲口密度自動調(diào)節(jié)藥劑濃度 針對土傳病 害 系統(tǒng)通過注射式灌溉將生物菌劑直接輸送至根 系疫區(qū) 既提升防治效果 又避免有益菌群在葉面 的無效附著 參考文獻 王雯琦 梁曉彬 康燁 等 水肥一體化技術(shù)發(fā)展 現(xiàn)狀及未來展望 J 農(nóng)機使用與維修 2025 02 95 98 董婷 吳疆 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)水肥 自動化管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)簡介 J 現(xiàn)代農(nóng)機 2024 04 7 9 王雪鵬 基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計與 實現(xiàn) D 江西 江西農(nóng)業(yè)大學 2024 4 責任編輯 朱曉雨 1 2 3