摘要：藍莓基地傳統的灌溉施肥方式，不僅水肥利用率低，造成大量浪費，帶來環境汙染，還導致農黄瓜视频色板品質的降低，製約我國現代農業的健康發展。針對上述問題，利用無線傳感器物聯網監控技術和自動控製技術相結合，基於藍莓生長環境和水肥需求的規律構建包括環境信息采集係統、智能化服務平台、灌溉施肥係統以及環境調節設備，可實時監測藍莓生長環境與生長發育狀況，並根據藍莓生長模型與精準算法及時按需足量實現對藍莓的灌溉施肥與生長發育智能化控製的藍莓溫室智能水肥一體化係統。試驗結果表明設計的智能水肥一體化係統用於藍莓種植可節水35%~45%，節肥25%~35%，增產10%~15%，減少60%以上勞動力，降低農業汙染。

——中國農機化學報

     我國是一個水資源極度短缺的國家，同時在時空分布方麵也不盡合理。此外，我國的水資源利用方式非常不科學，特別是農業領域，突出表現為用水量大、用水缺口大、浪費嚴重，且呈現逐年增加的趨勢等特點。同時，目前我國農業用水的有效利用率不到40%，有效利用率僅為發達國家的一半，需更合理更有效的農業用水方式。同時，我國又是世界肥料生產和使用大國，化肥的使用量居全球第一，但化肥的有效利用率僅有30%左右，造成化肥的巨大浪費，還汙染了環境。水肥一體化技術統籌灌溉和施肥過程，是當今世界目前公認的一項節水節肥、增產降汙、綠色環保的技術，這一技術不僅極大地提高了水肥的利用率，大大降低了水肥的施用量，還大幅提高了農黄瓜视频色板產量和質量，減少了病蟲害的發生，減少了農藥的施用，在降低生產成本的同時降低農業生產汙染。

   國外水肥一體化技術發展得較早，20世紀上半葉，部分發達國家開始進行以噴灌為代表的水肥一體化技術的研究，經過30多年的發展，隨著塑料工業的興起，水肥一體化技術逐漸發展起來。20世紀70年代，部分發達國家加大了研發力度，開發了大量的水肥一體化設備，並開始大規模投入到農業生產之中，水肥一體化技術迅速發展。進入21世紀，隨著物聯網、傳感器、智能控製等技術的普及與發展，發達國家的灌溉施肥設備也逐漸進入智能化時代，灌溉施肥設備的自動化程度、水肥供應能力、灌溉施肥量精準度都得到了質的飛躍。我國水肥一體化技術起步較晚，但發展迅速，目前，我國已自主研發了大量的水肥一體化設備及元器件，並逐漸朝智能化方向發展，但是我國的智能化水肥一體化設備多是與高校或者科研單位合作，目前多處於試驗階段，實際應用較少，尤其是在藍莓溫室大棚內部，目前該領域的研究較為落後。

     針對藍莓溫室大棚內缺乏對藍莓生長發育狀況與溫室內環境的采集分析，灌溉施肥量憑人工經驗，缺少科學的灌溉施肥策略以及精準穩定的灌溉施肥係統設備等問題，設計開發了藍莓溫室智能水肥一體化係統。

架藍莓溫室水肥一體化係統框架構

     為保證藍莓生長能按需灌溉施肥並有適宜的生長環境，開發的智能水肥一體化係統能夠借助傳感器技術、自動控製技術、物聯網技術等獲取作物的生長環境及生長發育狀況信息，並根據藍莓生長的不同階段對其進行數據的分析以及數據的提取和解析算法，根據實時狀況，實現自動灌溉施肥操作或遠程手動灌溉施肥操作。該係統能夠全麵監測藍莓作物生長發育信息(如株高、葉片大小、稈徑長度)與生長環境信息(如土壤墒情、氣溫、二氧化碳含量等)，根據藍莓作物的生長發育模型對作物生長或環境異常問題自動進行判斷，並快速準確啟動灌溉施肥係統以及其他環境調節設備，解決出現的缺水缺肥、病蟲害、生長環境問題，快速準確地滿足作物的生長需求，實現信息化、數字化的動態精準管理。藍莓溫室智能水肥一體化係統架構設計如圖1所示。

藍莓溫室的智能水肥一體化係統組成

     設計的麵向藍莓溫室的智能水肥一體化係統包括環境信息采集係統、智能服務平台、灌溉施肥係統以及其他環境調節設備，如圖2所示。

- 環境信息采集係統

     藍莓溫室環境信息采集係統是藍莓精準灌溉施肥的基礎，藍莓溫室環境信息采集係統由傳感器件與信號傳輸網絡組成，通過傳感器對藍莓生長發育信息(如株高、葉片大小、稈徑長度等)與生長環境信息(如土壤墒情 氣溫、二氧化碳含量等)全麵監測，獲得的數據信息經過信號傳輸網絡傳輸到藍莓智能水肥一體化服務平台。

- 智能服務平台

     藍莓智能水肥一體化服務平台是整個係統的核心，藍莓智能水肥一體化服務平台對信號傳輸的藍莓生長發育信息與生長環境信息數據，根據藍莓生長的不同階段對其進行數據的分析以及數據的提取和解析算法，做出灌溉施肥決策，並給藍莓灌溉施肥係統與其他環境調節設備下達指令。

- 灌溉施肥係統

     藍莓灌溉施肥係統可分為灌溉係統和施肥係統，灌溉係統用於藍莓灌溉，由灌溉水泵、過濾裝置、流量計、灌溉管路、滴灌管、微噴頭以及電磁閥等構成；施肥係統用於精準配肥混肥並將肥液注入灌溉管路，由混肥罐、混肥泵、注肥泵、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成。

- 環境調節設備

     藍莓溫室除灌溉施肥設備外，還要配備其他調節藍莓溫室環境參數的設備，如卷簾機、CO₂發生器、排風係統、植保噴藥機等設備。

藍莓溫室水肥一體化係統構建

     藍莓溫室環境信息采集係統(圖3)需要采集藍莓溫室內影響藍莓生長發育的環境信息以及藍莓的生長發育狀況，藍莓溫室需要監測的參數包括空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤濕度、土壤EC值和pH值。藍莓生長各時期最佳溫度變化較大，在10℃~30℃之間。溫室的濕度變化範圍在25%RH~90%RH之間，為保證測量準確，空氣溫濕度傳感器，安裝在藍莓溫室中下部；作物最佳二氧化碳濃度範圍在900~1800mg，二氧化碳傳感器，安裝在藍莓溫室中下部;監測光照強度傳感器，安裝在藍莓溫室頂部。

     藍莓溫室中藍莓生長發育土壤體積含水量在15%~25%為適宜，最佳土壤體積含水量為18%~20%，藍莓生長最適宜土壤pH為4.5~5.5，土壤過酸或過堿都會影響藍莓生長，土壤濕度EC值和土壤pH值一體傳感器，插入藍莓根部附近土壤中，在溫室內安裝攝像頭實時監測藍莓生長狀況。

藍莓溫室智能肥一體化服務平台

     智能水肥一體化服務平台(圖5)是藍莓溫室智能水肥一體化係統的核心，智能水肥一體化服務平台需要對信號傳輸網絡傳輸的數據進行處理、存儲、分析，並根據藍莓生長模型做出決策。

藍莓灌溉施肥係統

     藍莓灌溉施肥係統也分為藍莓灌溉係統和藍莓施肥係統，如圖6所示。藍莓灌溉係統由灌溉水泵、過濾裝置、灌溉管路以及流量計、壓力表、電磁閥等組成。灌溉水依次經過濾器、灌溉水泵、流量計、壓力表、電磁閥、支管、毛管進入藍莓溫室，滴灌管連接在毛管上，每一行藍莓均有一排滴灌管，以保證灌溉的效率和均公性。藍莓施肥係統由施肥泵、儲液罐、過濾器、電磁閥、施肥管路以及液位高度傳感器、EC和pH傳感器等元器件組成。肥液依次經過儲液桶、電磁閥、過濾器、施肥泵、壓力表、電磁閥注入灌溉管路，並通過EC和pH傳感器檢測水肥混合液的EC值和pH值。

藍莓溫室環境調節設備

     藍莓溫室智能水肥一體化係統的環境調節設備有卷簾機、CO₂發生器、排風器、植保噴藥機等設備。卷簾機安裝在溫室外部，用於溫室溫度調節CO₂，發生器用於溫室二氧化碳濃度調節，視溫室大小及發生器數量均勻分布，風機用於溫室溫度與二氧化碳濃度調節，安裝在溫室兩側位置，植保噴藥機不僅可以噴灑農藥，還可調節溫室濕度，安裝在藍莓植株上部，水肥一體化服務平台通過電動開關、數據傳輸線等連接控製卷簾機、CO₂發生器、風機、植保噴藥機等設備。

藍莓溫室智能水肥一體化係統運作方式

     藍莓溫室智能水肥一體化係統中的環境信息采集係統處於常開狀態，監測溫室內空氣溫濕度、CO₂濃度、光照強度、土壤濕度、土壤pH與EC值，數據傳輸到服務中心處理後與設定數據進行對比，當溫度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低溫度，傳感器監測溫度調節到適宜溫度後，服務中心發出關閉風機指令，溫度過低時服務中心發出開啟卷簾機指令，對溫室進行保溫，溫度調節優先度高於濕度、CO₂濃度和光照的調節;當空氣濕度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低空氣濕度，當空氣濕度過低時服務中心發出開啟植保噴藥機指令，噴灑水霧提高空氣濕度，濕度調節優先度高於CO₂濃度調節;當CO₂濃度過高時服務中心發出開啟風機指令，風機開啟降低CO₂濃度，當CO₂濃度過低時服務中心發出開啟CO₂發生器指令，CO₂發生器運行提高CO₂濃度。

     為提高灌溉施肥的精準度，灌溉施肥均采用少量多次的方法，當傳感器顯示土壤濕度過低，土壤含水量過少時，服務中心發出信號，打開灌溉係統各級電磁閥，同時灌溉係統流量計和壓力表開始監測流量和水壓之後控製中心發出信號開啟灌溉水泵開始進行灌溉，當傳感器顯示土壤濕度達到設定數值時控製中心發出信號關閉灌溉水泵和電磁閥，停止本次灌溉；當傳感器顯示土壤pH和EC值過低時，進行灌溉施肥操作，服務中心發出信號，打開灌溉施肥係統各級電磁閥，同時灌溉施肥係統流量計和壓力表開始監測流量和水壓，EC傳感器和pH傳感器監測水肥混合液的EC和pH值，液位計監測儲液桶水位，儲液桶中是提前按比例配置的肥料，之後控製中心發出信號開始進行灌溉施肥操作，當施肥完成後，控製中心發出信號關閉施肥泵，停止施肥操作，繼續灌溉5min，對係統進行清洗，之後控製中心發出信號關閉灌溉水泵和各級電磁閥，完成灌溉施肥操作。