基于物联网的水肥一体化系统在智慧农业中的应用探讨_于省元.pdf

18 农场经济管理 2025 5 Nongchang Jingji Guanli 作者简介 于省元 1967 男 研究员 硕士 黑龙江省农垦科学院 课题 北大荒集团 玉米水肥一体化智能管控技术研究与示范 课题 基于物联网的水肥一体化系统 在智慧农业中的应用探讨 于省元 黑龙江省农垦科学院 摘要 水肥一体化技术作为缓解农业面源污染的关键路径 其效能受制于传统控制系统的感知滞后 物 联网技术的突破性发展为解决这一矛盾提供了新机遇 通过多维度环境感知与自适应控制算法的深度融 合 有望重构水肥耦合的时空匹配精度 因此 本文基于物联网的水肥一体化系统在智慧农业中的应用展开 探讨 以期建立面向玉米种植的智能水肥管理系统理论框架 为智慧农业的工程化应用提供技术范式 关键词 物联网 水肥一体化 智慧农业 玉米种植 一 水肥一体化系统的基本原理 一 水肥耦合机制的物理与化学基础 水肥耦合的核心在于通过水分运移实现养分的 精准输送与作物吸收的动态平衡 化学过程的复杂 性体现在离子间的相互作用 作物根系优先吸收铵 态氮 硝态氮等有效养分 但钙 镁等阳离子会通过 竞争效应抑制关键元素的吸收效率 1 如在玉米生 长关键期 钾元素对茎秆强度至关重要 但过量施用 会与土壤中的钙离子结合形成难溶化合物 不仅降 低肥效 还可能堵塞灌溉系统孔隙 现代系统通过动 态监测土壤溶液的电化学特性 智能调节氮肥形态 与离子比例 确保养分以最适状态到达根系表面 二 水肥精准配比与控制技术 精准配比技术通过建立作物需求与供给的实 时响应机制实现优化控制 系统依据作物生长阶段 的生理特征动态调整营养配方 如玉米拔节期需强 化钾元素供应以增强抗倒伏能力 而灌浆期则侧重 磷元素补充以促进籽粒饱满 2 控制系统的核心在 于多参数协同调节 电导率传感器实时反馈溶液浓 度 驱动比例阀调整母液注入量 酸碱度探头监测 pH 值变化 自动注入缓冲剂维持养分离子活性 先 进的控制算法能够预测土壤水分运移速度 提前调 节注肥参数以抵消系统响应延迟 确保根系区域始 终处于最佳水肥状态 三 系统集成与自动化控制 自动化控制系统通过多级协同架构实现精准管 理 执行单元由智能泵组 文丘里混肥装置和电磁阀 阵列构成 其中混肥装置利用流体动力学原理实现 肥料溶液的均匀混合 其精度可达每立方米溶液误 差不超过一勺标准量 控制中枢采用自适应算法 综 合土壤湿度 叶片温度 光照强度等多源数据生成决 策指令 例如在高温强光条件下自动缩短灌溉间隔 以防止作物蒸腾过量 3 云端管理平台构建虚拟农 田模型 通过机器学习分析历史数据 优化灌溉策略 并预测设备维护周期 系统的容错设计保障了运行 可靠性 双路传感器交叉校验防止数据失真 应急电 源系统确保突发断电时仍能完成灌溉周期 二 物联网技术在水肥一体化中的应用 一 传感器网络的构建与数据采集 物联网传感器网络如同农田的 神经系统 通 过多维度感知设备实时捕获环境信息 土壤剖面部 署的温湿度传感器可探测不同深度的水分动态 根 系层传感器则专用于监测养分浓度梯度 冠层上方 架设的光照强度探头与叶片表面接触式传感器协 同工作 完整描绘作物生长微环境 数据融合技术 的突破解决了传统单点监测的局限性 如将土壤电 导率数据与根系热成像结合 能精准判断养分吸收 19 三大一航母 建设 活性区域 为防止传感器故障导致数据失真 网络 采用冗余设计 每个监测点配置主备双传感器 当 检测到数据偏差超过阈值时自动切换至备用设备 二 数据传输与通信技术的选择 物联网通信技术的选择需平衡传输距离 能耗 与抗干扰能力 在开阔农田场景 采用具有强穿透 性的低频无线电波技术 其信号可穿越茂密玉米植 株实现半径覆盖 而在设施大棚内 则切换为高精 度 Wi Fi 定位技术 通过多接入点协同提升定位精 度 创新性的自适应协议栈设计解决了异构设备互 联难题 当田间网关检测到局部网络拥堵时 自动 将数据流切换至邻近节点的空闲信道 针对极端天 气的通信保障方案采用天地一体传输模式 晴天使 用低功耗地面网络 暴雨天气则启用搭载北斗短报 文功能的应急终端 确保关键农情信息不丢失 三 数据分析与决策优化算法 数据分析系统如同农田的 智能大脑 通过机 器学习模型将原始数据转化为可执行策略 时空关 联分析算法可识别土壤湿度与施肥效果的隐性联 系 如发现某区域在特定光照强度下钾元素吸 收率显著提升 从而动态调整该区域的施肥方案 深度学习模型通过训练历史数据建立玉米各生长 期的需水需肥特征库 当监测到叶片夹角变化时 自动匹配相似生长模式并提前调整灌溉参数 决策 优化创新体现在多目标权衡机制 在干旱季节自动 启动节水优先模式 适当放宽施肥精度以保障作物 存活 而在丰水期则切换为品质优化模式 通过精 细调控提升籽粒蛋白质含量 三 基于物联网的水肥一体化系统在玉米 种植中的应用 一 精准灌溉的实施与优化 物联网系统通过实时感知土壤水分动态 实现 玉米全生育期的按需供水 田间部署的剖面湿度传 感器可探测根系层土壤含水状态 当监测到特定深 度土层湿度低于作物需求阈值时 系统自动触发滴 灌装置启动 灌溉策略的优化体现在两方面 一是 根据玉米生长阶段调整供水优先级 二是结合气象 预测数据动态调节灌溉时间 创新点在于引入蒸腾 效率模型 通过茎流计监测植株水分消耗速率 使 灌溉量精确匹配作物实际需求 二 高效施肥的精准化管理 系统依据玉米生理特性与土壤肥力空间差异 实施变量施肥 在施肥决策端 基于叶片光谱传感 器获取的叶绿素含量数据 结合根系层土壤养分检 测结果 智能算法可动态计算氮磷钾需求比例 施 肥操作的精准性通过双重保障实现 一是采用文丘 里比例混合器 确保母液与灌溉水的混合均匀度误 差小于一勺肥料的标准量 二是通过电磁阀阵列控 制 使施肥量随植株密度梯度变化 田边稀疏区 域减少流量 中心密植区增加供给 三 病虫害监测与防治 物联网系统构建起病虫害早期预警与精准防 控体系 冠层高清摄像头结合红外热成像技术 可 捕捉叶片病斑 虫卵附着等初期症状 图像识别算 法能在病害显症前 48 小时发出预警 环境传感器 网络则通过持续监测田间微气候 当空气湿度持续 高于病害暴发临界值时 自动调整灌溉策略以改善 通风条件 防治执行环节采用靶向施药技术 无人 机搭载多光谱相机定位虫害集中区域后 变量喷雾 系统根据虫口密度自动调节药剂浓度 针对土传病 害 系统通过注射式灌溉将生物菌剂直接输送至根 系疫区 既提升防治效果 又避免有益菌群在叶面 的无效附着 参考文献 王雯琦 梁晓彬 康烨 等 水肥一体化技术发展 现状及未来展望 J 农机使用与维修 2025 02 95 98 董婷 吴疆 基于物联网技术的智慧农业水肥 自动化管理系统设计与实现简介 J 现代农机 2024 04 7 9 王雪鹏 基于物联网的水肥一体化系统设计与 实现 D 江西 江西农业大学 2024 4 责任编辑 朱晓雨 1 2 3