溫室精準(zhǔn)灌溉施肥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)工程技術(shù)越來越多地應(yīng)用到設(shè)施園藝生產(chǎn)中。設(shè)施園藝的典型代表是溫室，傳統(tǒng)的溫室生產(chǎn)水資源管理粗放，一般采用大水漫灌方式，施肥技術(shù)落后，過度施用化肥造成水肥資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高水肥利用效率是設(shè)施園藝發(fā)展必須解決的問題，其有效措施是在溫室生產(chǎn)中實(shí)行精準(zhǔn)灌溉施肥。精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)已逐漸成為一種在技術(shù)上密集配套、生產(chǎn)及管理上高度集約化的現(xiàn)代農(nóng)藝生產(chǎn)技術(shù)體系，其自動(dòng)化程度高且

2、能有效提高水肥利用效率。國外發(fā)達(dá)國家如以色列、美國、荷蘭等國家早已將灌溉施肥技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施園藝生產(chǎn)，其產(chǎn)品已非常成熟且形成產(chǎn)業(yè)并對外出口，但國外相關(guān)產(chǎn)品售價(jià)高，同時(shí)由于國外裝備生產(chǎn)農(nóng)藝要求還不能完全適應(yīng)我國氣候條件和種植環(huán)境，使得國外的設(shè)備很難發(fā)揮出應(yīng)有的效果，設(shè)施生產(chǎn)效果不顯著。我國科研工作者也在積極研究灌溉施肥技術(shù)，雖取得了一些成果，但由于起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，我國的灌溉施肥技術(shù)目前還處于初級階段，仍有諸多問題有待解決:如水肥耦合

3、對園藝作物工作機(jī)理還有待深入研究;精準(zhǔn)灌溉施肥裝備關(guān)鍵技術(shù)有待突破;智能化控制決策的研究有待加強(qiáng);研究開發(fā)的產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，價(jià)格偏高，不利于推廣應(yīng)用;與信息化技術(shù)結(jié)合還不夠緊密，特別是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)+灌溉施肥技術(shù)還沒有真正在溫室灌溉施肥上進(jìn)行推廣應(yīng)用。針對以上問題，本論文圍繞溫室精準(zhǔn)管理灌溉施肥的關(guān)鍵技術(shù)，以形成實(shí)用化自主研發(fā)產(chǎn)品為目標(biāo)，重點(diǎn)就溫室番茄的需肥和需水規(guī)律、灌溉施肥系統(tǒng)控制決策、灌溉施肥機(jī)本體關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對施肥機(jī)性能

4、的影響、以及灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。主要結(jié)果如下:
　　(1)在營養(yǎng)液膜栽培模式下，基于Penman-Monteith方程，以番茄需水量為研究對象，建立了溫室番茄的需水模型，并由模型得出冬茬試驗(yàn)溫室中，單株番茄植株苗期總需水量約為9.2L，開花坐果期18.2L、果實(shí)膨大期37.6L、成熟期28.4L;春茬試驗(yàn)溫室中，單株番茄植株苗期總需水量約為13.4L，開花坐果期27.2L、果實(shí)膨大期39.3L、成熟期33.4L，可

5、作為番茄生產(chǎn)中灌溉量的參考。
　　(2)在營養(yǎng)液膜栽培模式下，以荷蘭番茄專用配方配制營養(yǎng)液進(jìn)行試驗(yàn)研究，監(jiān)測不同施肥濃度對番茄生長指標(biāo)及生理指標(biāo)情況的影響，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并尋找規(guī)律，研究表明當(dāng)EC值為2500μS/cm、pH為6±0.1時(shí)對番茄植株第一花序開花坐果率、株高、株粗、根長等番茄生長指標(biāo)，番茄葉綠素含量等生理指標(biāo)，以及番茄干鮮重等各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu)。因此番茄開花坐果期的營養(yǎng)液EC值為2500μS/cm，可作為番茄開花坐果

6、期EC調(diào)控參考依據(jù)，驗(yàn)證和評估了荷蘭番茄專用配方的適用性，為指導(dǎo)溫室番茄營養(yǎng)液優(yōu)化管理和決策提供參考和技術(shù)支撐。
　　(3)提出了基于兩級預(yù)測的溫室WSN系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法。在引入萊特準(zhǔn)則進(jìn)行序列異常值檢測的基礎(chǔ)上，分別在傳感器節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器建立一階分段線性回歸方程并結(jié)合自適應(yīng)加權(quán)算法形成兩級預(yù)測模型，大幅度減少溫室WSN系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)。同時(shí)結(jié)合溫室環(huán)境自動(dòng)控制的特點(diǎn)，提出了一種基于拋物線的可變誤差閾值確定方法，進(jìn)一步減

7、少無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
　　(4)在研究灌溉施肥模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊控制技術(shù)，依據(jù)灌溉施肥過程中不同品種作物生長及環(huán)境控制要求及系統(tǒng)輸入輸出變量的特性，制定了適用于灌溉施肥模糊控制專家系統(tǒng)的控制量論域及模糊控制規(guī)則，應(yīng)用Matlab/Simulink模糊邏輯工具箱，設(shè)計(jì)了一個(gè)二維的模糊控制系統(tǒng)，同時(shí)為驗(yàn)證該模糊控制系統(tǒng)的有效性，應(yīng)用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明此模糊控制系統(tǒng)對營養(yǎng)液的EC值具有較好的調(diào)控能

8、力，能滿足工作需要。
　　(5)依據(jù)經(jīng)濟(jì)流速流量對照表，綜合考慮施肥裝置及管路系統(tǒng)的沿程損失與局部損失，研究分析基于CFD數(shù)值計(jì)算的文丘里施肥器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。模擬數(shù)據(jù)及所開發(fā)水肥一體化灌溉施肥機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，CFD數(shù)值優(yōu)化后的文丘里施肥器吸肥流量提高約38.6％，與模糊自動(dòng)控制系統(tǒng)相配合的水肥一體化灌溉施肥機(jī)的吸肥流量總體提高約47.6％,節(jié)能效果顯著。
　　(6)基于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念，研發(fā)了應(yīng)用于溫室環(huán)境的精準(zhǔn)灌溉施肥

9、硬件平臺和軟件系統(tǒng)。采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于高性能32位微處理器STM32F103ZET6，設(shè)計(jì)用于水肥EC、pH等參數(shù)信息監(jiān)測及灌溉施肥的一體式控制器?？刂破魅诤狭薢igBee無線短距離通信技術(shù)，與基于MSP430F149處理器設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)一起組建了溫室環(huán)境無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)溫室灌溉環(huán)境在線信息監(jiān)測。針對溫室生產(chǎn)對互聯(lián)網(wǎng)+智能灌溉施肥的迫切需求，基于ASP.NET及WEB服務(wù)開發(fā)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺，借助網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)異地信