摘要：蓝莓基地传统的灌溉施肥方式，不仅水肥利用率低，造成大量浪费，带来环境污染，还导致农产品品质的降低，制约我国现代农业的健康发展。针对上述问题，利用无线传感器物联网监控技术和自动控制技术相结合，基于蓝莓生长环境和水肥需求的规律构建包括环境信息采集系统、智能化服务平台、灌溉施肥系统以及环境调节设备，可实时监测蓝莓生长环境与生长发育状况，并根据蓝莓生长模型与精准算法及时按需足量实现对蓝莓的灌溉施肥与生长发育智能化控制的蓝莓温室智能水肥一体化系统。试验结果表明设计的智能水肥一体化系统用于蓝莓种植可节水35%~45%，节肥25%~35%，增产10%~15%，减少60%以上劳动力，降低农业污染。

——中国农机化学报

     我国是一个水资源极度短缺的国家，同时在时空分布方面也不尽合理。此外，我国的水资源利用方式非常不科学，特别是农业领域，突出表现为用水量大、用水缺口大、浪费严重，且呈现逐年增加的趋势等特点。同时，目前我国农业用水的有效利用率不到40%，有效利用率仅为发达国家的一半，需更合理更有效的农业用水方式。同时，我国又是世界肥料生产和使用大国，化肥的使用量居全球第一，但化肥的有效利用率仅有30%左右，造成化肥的巨大浪费，还污染了环境。水肥一体化技术统筹灌溉和施肥过程，是当今世界目前公认的一项节水节肥、增产降污、绿色环保的技术，这一技术不仅极大地提高了水肥的利用率，大大降低了水肥的施用量，还大幅提高了农产品产量和质量，减少了病虫害的发生，减少了农药的施用，在降低生产成本的同时降低农业生产污染。

   国外水肥一体化技术发展得较早，20世纪上半叶，部分发达国家开始进行以喷灌为代表的水肥一体化技术的研究，经过30多年的发展，随着塑料工业的兴起，水肥一体化技术逐渐发展起来。20世纪70年代，部分发达国家加大了研发力度，开发了大量的水肥一体化设备，并开始大规模投入到农业生产之中，水肥一体化技术迅速发展。进入21世纪，随着物联网、传感器、智能控制等技术的普及与发展，发达国家的灌溉施肥设备也逐渐进入智能化时代，灌溉施肥设备的自动化程度、水肥供应能力、灌溉施肥量精准度都得到了质的飞跃。我国水肥一体化技术起步较晚，但发展迅速，目前，我国已自主研发了大量的水肥一体化设备及元器件，并逐渐朝智能化方向发展，但是我国的智能化水肥一体化设备多是与高校或者科研单位合作，目前多处于试验阶段，实际应用较少，尤其是在蓝莓温室大棚内部，目前该领域的研究较为落后。

 

     针对蓝莓温室大棚内缺乏对蓝莓生长发育状况与温室内环境的采集分析，灌溉施肥量凭人工经验，缺少科学的灌溉施肥策略以及精准稳定的灌溉施肥系统设备等问题，设计开发了蓝莓温室智能水肥一体化系统。

架蓝莓温室水肥一体化系统框架构

     为保证蓝莓生长能按需灌溉施肥并有适宜的生长环境，开发的智能水肥一体化系统能够借助传感器技术、自动控制技术、物联网技术等获取作物的生长环境及生长发育状况信息，并根据蓝莓生长的不同阶段对其进行数据的分析以及数据的提取和解析算法，根据实时状况，实现自动灌溉施肥操作或远程手动灌溉施肥操作。该系统能够全面监测蓝莓作物生长发育信息(如株高、叶片大小、秆径长度)与生长环境信息(如土壤墒情、气温、二氧化碳含量等)，根据蓝莓作物的生长发育模型对作物生长或环境异常问题自动进行判断，并快速准确启动灌溉施肥系统以及其他环境调节设备，解决出现的缺水缺肥、病虫害、生长环境问题，快速准确地满足作物的生长需求，实现信息化、数字化的动态精准管理。蓝莓温室智能水肥一体化系统架构设计如图1所示。

 

蓝莓温室的智能水肥一体化系统组成

     设计的面向蓝莓温室的智能水肥一体化系统包括环境信息采集系统、智能服务平台、灌溉施肥系统以及其他环境调节设备，如图2所示。

 

- 环境信息采集系统

     蓝莓温室环境信息采集系统是蓝莓精准灌溉施肥的基础，蓝莓温室环境信息采集系统由传感器件与信号传输网络组成，通过传感器对蓝莓生长发育信息(如株高、叶片大小、秆径长度等)与生长环境信息(如土壤墒情 气温、二氧化碳含量等)全面监测，获得的数据信息经过信号传输网络传输到蓝莓智能水肥一体化服务平台。

- 智能服务平台

     蓝莓智能水肥一体化服务平台是整个系统的核心，蓝莓智能水肥一体化服务平台对信号传输的蓝莓生长发育信息与生长环境信息数据，根据蓝莓生长的不同阶段对其进行数据的分析以及数据的提取和解析算法，做出灌溉施肥决策，并给蓝莓灌溉施肥系统与其他环境调节设备下达指令。

- 灌溉施肥系统

     蓝莓灌溉施肥系统可分为灌溉系统和施肥系统，灌溉系统用于蓝莓灌溉，由灌溉水泵、过滤装置、流量计、灌溉管路、滴灌管、微喷头以及电磁阀等构成；施肥系统用于精准配肥混肥并将肥液注入灌溉管路，由混肥罐、混肥泵、注肥泵、电磁阀、施肥管路以及液位高度传感器、EC和pH传感器等元器件组成。

- 环境调节设备

     蓝莓温室除灌溉施肥设备外，还要配备其他调节蓝莓温室环境参数的设备，如卷帘机、CO₂发生器、排风系统、植保喷药机等设备。

蓝莓温室水肥一体化系统构建

     蓝莓温室环境信息采集系统(图3)需要采集蓝莓温室内影响蓝莓生长发育的环境信息以及蓝莓的生长发育状况，蓝莓温室需要监测的参数包括空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤湿度、土壤EC值和pH值。蓝莓生长各时期最佳温度变化较大，在10℃~30℃之间。温室的湿度变化范围在25%RH~90%RH之间，为保证测量准确，空气温湿度传感器，安装在蓝莓温室中下部；作物最佳二氧化碳浓度范围在900~1800mg，二氧化碳传感器，安装在蓝莓温室中下部;监测光照强度传感器，安装在蓝莓温室顶部。

 

     蓝莓温室中蓝莓生长发育土壤体积含水量在15%~25%为适宜，最佳土壤体积含水量为18%~20%，蓝莓生长最适宜土壤pH为4.5~5.5，土壤过酸或过碱都会影响蓝莓生长，土壤湿度EC值和土壤pH值一体传感器，插入蓝莓根部附近土壤中，在温室内安装摄像头实时监测蓝莓生长状况。

蓝莓温室智能肥一体化服务平台

     智能水肥一体化服务平台(图5)是蓝莓温室智能水肥一体化系统的核心，智能水肥一体化服务平台需要对信号传输网络传输的数据进行处理、存储、分析，并根据蓝莓生长模型做出决策。

蓝莓灌溉施肥系统

     蓝莓灌溉施肥系统也分为蓝莓灌溉系统和蓝莓施肥系统，如图6所示。蓝莓灌溉系统由灌溉水泵、过滤装置、灌溉管路以及流量计、压力表、电磁阀等组成。灌溉水依次经过滤器、灌溉水泵、流量计、压力表、电磁阀、支管、毛管进入蓝莓温室，滴灌管连接在毛管上，每一行蓝莓均有一排滴灌管，以保证灌溉的效率和均公性。蓝莓施肥系统由施肥泵、储液罐、过滤器、电磁阀、施肥管路以及液位高度传感器、EC和pH传感器等元器件组成。肥液依次经过储液桶、电磁阀、过滤器、施肥泵、压力表、电磁阀注入灌溉管路，并通过EC和pH传感器检测水肥混合液的EC值和pH值。

蓝莓温室环境调节设备

     蓝莓温室智能水肥一体化系统的环境调节设备有卷帘机、CO₂发生器、排风器、植保喷药机等设备。卷帘机安装在温室外部，用于温室温度调节CO₂，发生器用于温室二氧化碳浓度调节，视温室大小及发生器数量均匀分布，风机用于温室温度与二氧化碳浓度调节，安装在温室两侧位置，植保喷药机不仅可以喷洒农药，还可调节温室湿度，安装在蓝莓植株上部，水肥一体化服务平台通过电动开关、数据传输线等连接控制卷帘机、CO₂发生器、风机、植保喷药机等设备。

蓝莓温室智能水肥一体化系统运作方式

     蓝莓温室智能水肥一体化系统中的环境信息采集系统处于常开状态，监测温室内空气温湿度、CO₂浓度、光照强度、土壤湿度、土壤pH与EC值，数据传输到服务中心处理后与设定数据进行对比，当温度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低温度，传感器监测温度调节到适宜温度后，服务中心发出关闭风机指令，温度过低时服务中心发出开启卷帘机指令，对温室进行保温，温度调节优先度高于湿度、CO₂浓度和光照的调节;当空气湿度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低空气湿度，当空气湿度过低时服务中心发出开启植保喷药机指令，喷洒水雾提高空气湿度，湿度调节优先度高于CO₂浓度调节;当CO₂浓度过高时服务中心发出开启风机指令，风机开启降低CO₂浓度，当CO₂浓度过低时服务中心发出开启CO₂发生器指令，CO₂发生器运行提高CO₂浓度。

 

     为提高灌溉施肥的精准度，灌溉施肥均采用少量多次的方法，当传感器显示土壤湿度过低，土壤含水量过少时，服务中心发出信号，打开灌溉系统各级电磁阀，同时灌溉系统流量计和压力表开始监测流量和水压之后控制中心发出信号开启灌溉水泵开始进行灌溉，当传感器显示土壤湿度达到设定数值时控制中心发出信号关闭灌溉水泵和电磁阀，停止本次灌溉；当传感器显示土壤pH和EC值过低时，进行灌溉施肥操作，服务中心发出信号，打开灌溉施肥系统各级电磁阀，同时灌溉施肥系统流量计和压力表开始监测流量和水压，EC传感器和pH传感器监测水肥混合液的EC和pH值，液位计监测储液桶水位，储液桶中是提前按比例配置的肥料，之后控制中心发出信号开始进行灌溉施肥操作，当施肥完成后，控制中心发出信号关闭施肥泵，停止施肥操作，继续灌溉5min，对系统进行清洗，之后控制中心发出信号关闭灌溉水泵和各级电磁阀，完成灌溉施肥操作。