水肥药精准管理技术研究现状与发展趋势

2018-12-28

0 引言

中国是农业大国,农业发展的好坏直接影响着国家的发展,社会的稳定,人民的生活。农田管理(灌溉、施肥、喷药)是保证农作物生长的重要环节,对保证农作物的产量起着举足轻重的作用。中国是一个水资源缺乏的国家,人均水资源占有量远低于世界平均水平。据专家预测,到2030 年,人均水资源占有量仅为1 760m,将成为严重缺水的国家。农田灌溉是农业生产中一个重要环节,因此,先进的灌溉技术和完善的灌溉系统不仅可以提高水资源的利用率,节约淡水资源,还可以促进作物生长,提高农民收入。施肥是提高农作物产量的重要手段,据统计,中国的化肥施用量已经达到了国际标准的1.93倍。可见我国的化肥利用率相当低。过量的施用量和极低的利用率严重造成了环境污染和经济损失,因此,发展精准施肥技术显得尤为重要。为了保证农作物的健康生长,防止病虫害,先进的喷药技术显得尤为重要。植保机械作为喷药的主要工具,在农业生产中起着重要作用。但是,我国的植保机械仍然处于落后阶段,对农药的利用率较低。我国每年使用农药大约100万t,使用效率却不足40%,多余的农药造成了大量的浪费,严重破坏了环境,严重影响饮食安全及环境保护。因此,提高植保机械的机械化程度,发展精准喷药技术迫在眉睫。

1 国外水肥药精准管理应用现状

国外农业机械化程度高度发达,农业机械正朝着大型化、自动化、智能化、成套化的方向发展,现代高科技被广泛应用于农业机械,特别是在灌溉,施肥,喷药等方面,先进技术被广泛应用其中,精准化程度大大提高。

1.1 国外灌溉系统中的精准管理技术应用

水资源的高效管理是国内外的热点话题,发展精准化灌溉是农业发展的趋势。国外较早提出了农业精准化管理,在灌溉系统中应用了许多先进技术,比如:遥感技术、人工智能、无线智能传感器阵列等,这些技术的应用推动了精准灌溉的发展进程。

1.1.1 遥感和无线传感器在灌溉中的应用

遥感和无线传感器网络在灌溉系统中的应用极大提高了灌溉的自动化,智能化和精准化程度,在农业灌溉中被广泛应用。灌溉系统主要由三个部件组成:机器转换、导航和信息管理系统。灌溉系统的遥感和控制采用分布式无线传感器网络。分布式现场传感器灌溉系统解决了特定地点的灌溉管理,生产者在节水的同时又可以最大化的发挥他们的生产力。该系统是将现场传感器分布在田地里的灌溉控制站,实时监测土壤湿度,土壤温度,空气温度等条件,并将这些条件传输到基站,基站处理和分析这些条件后作出最科学的决策,并将这些决策向灌溉控制站发送控制命令,灌溉控制站将具体任务发送给作业机械,机械根据任务进行具体作业,而且将作业情况实时反馈给灌溉控制站,这样就构成了自动闭环灌溉系统,实现了远程控制精准灌溉。

1.1.2 人工智能在灌溉中的应用

人工智能是当今科学技术发展的重要领域,而人工智能与灌溉农业的结合更是大大促进了农业的智能化、精准化程度。利用人工智能预测农田灌溉深度技术被广泛应用于国外的农田灌溉中。灌溉需水量变化很大,影响灌溉用水的绩效灌溉网络。每个农场的灌溉深度不同,结合人工神经网络,采用模糊逻辑和遗传算法对农户行为进行建模,并对日灌溉量进行预测每个农民使用的深度。这些模型在西班牙南部灌区进行了测试,其中,三个灌溉模型已经作为灌区主要作物的最优模型,分别用于水稻、玉米和番茄作物模型。

1.1.3 智能传感器在灌溉中的应用

智能传感器阵列是智能灌溉的一项重要技术,在农田灌溉中广泛应用。这种实时、智能的传感器阵列机主要用于测量土壤湿度和土壤温度。阵列由连接到计算机的中央接收器和安装在现场的多个传感器节点组成。传感器节点由传感器(土壤湿度传感器和热电偶)、传感器电路板和有源发射器组成。智能传感器获取监测数据,并将这些数据通过无线网络传输到集中位置的射频接收器,计算机读取传输数据调度灌溉。在智能传感器阵列中,为了提高灌溉自动化和灌溉性能,系统利用现成部件实时测量土壤湿度和土壤温度的无线智能传感器阵列原型,允许在现场安装大量传感器,并将数据无线传输到位于中心位置的接收器。法国研制了一种自动灌溉装置,在作物的茎秆或枝干等部位,安装一些可以检测作物萎缩程度的智能传感器,当土壤水分不足,作物不能从土壤获取足够的水分时,就需要消耗茎秆或枝干的水分,作物的茎秆或枝干就会出现萎缩迹象,传感器会立即检测到信息,并将其转化为信号传给计算机,计算机输出启动装置信号启动灌溉装置,提供适量的水分。

1.2 国外施肥机中的技术应用

国外的施肥机不断发展,技术一直处于领先地位。传感器已经广泛的应用到施肥机上,可以监测施肥机每个肥料喷嘴的肥料用量。操纵托架上安装有电子设备,可以对施肥机的施肥量、肥料剩余量,机器故障等进行实时检测,对施肥机的整个田间作业进行全面监控。

1.2.1 VIS-NIR传感器在施肥机中的应用

精准施肥是提高肥料利用率,减少肥料过量使用所造成的经济损失和环境污染。VIS-NIR传感器的应用是精准施肥中的重要应用,该传感器是由一个凿子单元组成,并在其上附加了用于检测土壤可萃取磷的光学单元。采用移动式纤维性VIS-NIR分光光度计,测量范围305~1 711nm,在反射率模式下测量土壤光谱。从光谱中可以计算出土壤中的磷含量,然后确定所需的磷肥。

1.2.2 微波式传感器在双盘式施肥机中的应用

德国研制了一款全自动操纵控制的双盘式施肥机,施肥机由肥料箱、分配盘、微波臂、旋转箱组成,并应用了一种微波式传感器,提高了施肥的精准化,应用了全自动操纵系统,大大提高了施肥机的自动化程度。采用微波臂可以围绕施肥机的分配盘转动,这样可以不接触肥料并且可以测录导向机构的位置,通过旋转箱底盘对撒肥器自动校正。旋转箱底板有肥料定量孔,可以对不同宽度的田地进行施肥。微波式传感器随着施肥机的工作保持正常运转。这种传感器提高了施肥精准度,减少了对环境的污染和肥料的费用。

1.2.3 FlowCheck新型测量传感器在施肥机中的应用

FlowCheck新型测量传感器是通过声音来测量肥料喷管内的肥料流量,为了防止碰撞被安装在箱体内,可以更换。当肥料喷管出现裂缝、堵塞等问题时,驾驶室会接受到报警信号,LED显示器上会显示哪根喷管出现的问题,驾驶员可以在不接触肥料的情况下进行排除故障。

1.2.4 美国精准施肥技术

美国是世界上机械化程度最高的国家,农业机械技术一直处于世界领先地位,其中在施肥机中采用了技术比较成熟的装置,比如,控制器主要采用PDA 或车载式计算机,根据GIS土壤养分或肥料使用的GIS图层信息实现变量施肥,极大的提高了施肥的精准化程度。

1.3 国外喷药机中的技术应用

围绕精准农业的发展,国外喷药机大量采用电子技术和计算机控制技术,例如澳大利亚研制了一种基于传感器的杂草识别精度控制系统,美国公司研制了一种精准喷头控制器,提高了喷洒的精准化,同时减少了人为操作。

1.3.1 无线遥控技术在喷药机中的应用

无线遥控技术在喷药机中的应用大大提高了喷药过程的自动化、精准化程度,减少农药对人的接触伤害,节省劳动力成本,降低了农药的使用量。它是一种可以旋转的多角度进行喷洒的装置,由图像采集模块、嵌入式控制模块、无线通信模块、智能移动平台组成。无线遥控喷涂机可以自动选择八种营养液或农药进行精准混合,喷洒的高度和方向可以任意调整,一般在150m 以内使用Wi-Fi,长距离操作一般使用3G 模块。这种喷涂机适合果树、小麦玉米、温室等,提高了农药的喷洒精度,避免浪费农药,减少对环境的污染,同时大大节省了劳动力成本。

1.3.2 自动化喷雾器

自动化喷雾器是精准喷药的一项重要应用,在农田喷药中得到广泛应用。该喷雾器以拖拉机、喷洒杆、定位系统和具有协调子系统功能的集中控制器组成,配置了一个全自动系统。自动控制系统通过电磁阀的长脉冲驱动独立喷嘴,喷嘴上的电化学导流系数传感器实时估计注入的喷雾溶液的浓度,实现了对喷洒农药浓度的监测,并确定了除草剂用量,实现了农药的精准喷洒,节约了农药成本。机器人采用了基于GNSS技术的定位系统,实现了精度约±0.07m预定的轨迹。

1.3.3 德国C-C-A型喷施质量控制系统

德国研制出一种C-C-A型喷施质量控制系统,旨在保证植保作业质量。控制系统对转弯操纵模块进行数据运算,对喷杆每段的农药喷洒量进行平均值调控操作,达到喷杆期望的喷洒漂移值。传感器通过测量转弯半径得到所需数据进行计算,车轮传感器测量机器运行速度,计算出单位面积农药的喷洒量,通过与最佳喷洒量比较,调节喷头的喷施压力或改变两个传感器测量值,控制喷头的农药喷洒量。

1.3.4 一种创新性的半活性减振系统

在喷药机中还采用了一种创新性的半活性减振系统,可以对系统进行调节。有的喷药机上安装了3D摄像头,记录喷杆运动过程,当与校准值出现偏差时,活性减振系统对其进行调整。在不同地形的情况下活性减振器可以连续性调整,保证喷洒的均匀性。国外的精准农业发展模式日益完善,水肥药技术不断创新发展,这些技术的发展对我国技术的研发有很大的借鉴意义,给我国水肥药精准化的发展带来诸多启示。

2 国内水肥药精准管理研究现状

我国农业机械正处在高速发展阶段,为了推进精准农业的发展,我国在灌溉、施肥、喷药等领域取得了一定成绩,一些先进技术也在不断得到应用。

2.1 国内灌溉系统中的技术应用

发达国家自动化灌溉技术比较成熟,智能化和精准控制系统也已经广泛应用。我国灌溉技术的研发起步较晚,自动化程度还有很大的发展空间。目前,国内许多研究所和高校也已经研究开发智能化灌溉控制系统,但多数还停留在试验阶段。

2.1.1 WSN+GSM 的智能灌溉控制系统

WSN+GSM 的智能灌溉控制系统是一种智能化,精准化的灌溉系统。系统是由上位机控制平台、无线通讯平台、下位机控制平台、信息采集平台构成。该灌溉系统在田地科学配置小型气象站和土壤温湿度传感器,可以实时监测土壤温湿度、空气温湿度,降雨量、光照、风速等因素,并将这些数据传输到控制系统中。计算作物蒸发量值使用Penman-Monteith公式,并结合水量平衡方程预测农田的灌溉量。远程灌溉控制客户端每5min向各协调器发送环境数据监测指令,并监测电磁阀状态。当监测数据反馈至客户端时,系统自动计算,如有灌溉需求,将以短信形式发送给用户,提供科学的灌溉计划。

2.1.2 PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统

PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统是一种实现精准农业灌溉的智能节水灌溉系统。系统主要由PLC控制系统、ZigBee传输网络、传感器网络、执行设备、水泵组成。通过无线传感器监测土壤湿度,以湿度偏差或湿度变化量作为输入量,与土壤湿度下限值进行比较,如果小于下限值,则打开电磁阀进行灌溉,考虑到土壤渗水较慢的特点,一般设定停止灌溉一段时间后再进行土壤湿度检测,若还是低于下限值则继续进入下一循环。

2.1.3 物联网和Android平台的远程智能节水灌溉系统

物联网和Android平台的远程智能节水灌溉系统实现了节水和灌溉远程控制。系统主要由无线传感器节点、控制器节点的硬件、远程控制中心、Android客户端组成。系统采用变频器控制节点实现全自动变频恒压供水。控制器节点通过Zig-Bee网络接收环境传感器发送的实时环境信息,电磁阀的状态信息和变频控制器信息,并将这些信息发送到远程监控中心,Andriod移动终端接收远程控制中心发送的信息,对其进行实时监控。

2.2 国内施肥机中的技术应用

我国施肥机虽然较发达国家还有一定的差距,但由于精准农业发展,施肥机也正在朝着精准施肥方向发展。

2.2.1 自动导航的小麦精准对行深施追肥技术

自动导航的小麦精准对行深施追肥机是一款可以提高肥料利用率,实现精准对行深施氮肥的机械。施肥机主要由精准对行系统、追肥装置、排肥控制系统3部分组成。追肥装置由双圆盘开沟器、覆土轮、肥箱、排肥器、排肥轴组成。精量排肥控制系统由天线、RTK-CNSS接收机、压力传感器、角位移传感器、电业比例阀、液压马达、施肥控制器、车载终端组成。施肥机以RTK-CNSS 和车载计算机作为核心导航控制,追肥机双圆盘开沟器所在小麦行的中心线作为导航基准线,当拖拉机的位置与导航基准线出现偏差时,通过PID控制算法计算当前车轮需要转动的角度,采用液压系统驱动车轮转动至目标角度,实现精准对行施肥,保证施肥的均匀性。

2.2.2 一垄双行精准深施肥技术

一垄双行深施肥机是一款可以一次性完成起垄和精准深施肥作业的施肥机。施肥机主要由机架、施肥装置、肥箱、变速箱、刀滚、悬挂装置、起垄装置、覆土轮组成。施肥机与拖拉机连接,拖拉机带动施肥机行走,旋耕刀同时旋耕土壤,拖拉机后轮上安装速度传感器,采集机具行走速度,控制系统将机具行走速度与排肥直流电动机转速进行匹配,达到精准施肥的目的。机架后方的起垄板起垄和调拖板刮平垄顶,完成耕地、施肥、起垄作业。

2.2.3 冬小麦精准播种施肥控制系统

冬小麦精准播种施肥控制系统可以实现小麦生产过程的实时精准播种施肥。精准播种施肥机由GPS模块、控制器、车载计算机、悬挂系统、蓄电池组、施肥管、排肥管、直流减速电动机、外槽轮式排肥器、外槽轮式播种器、种肥箱等部件和系统组成。准播种施肥控制系统由车载控制终端运行,设定施肥作业的相关参数,采集作业过程的实施情况,将目标施肥量通过无线串口模块将控制命令发送到下位机,GPS实时监测作业速度,霍尔传感器实时监测电动机的运行状态,并将这些信息实时反馈到控制器,智能控制系统实时根据实际情况对电动机调速,实现精准施肥的目标。

2.3 国内喷药机中的技术应用

我国植保机械总体水平比较落后,据统计,约90%的植保机械已经不适合生产的需要,急需更新换代。为了改变这一现状,我国正在研究精准化、智能化的喷药技术,喷药机得到了快速发展。

2.3.1 红外传感器在喷药机中的应用

喷药系统采用红外传感器定位,具有可靠性高、结构简单、使用方便的特点,红外传感器在果树喷药机中被广泛应用。红外传感器是通过红外光对目标进行非接触式检测,能够避免替他光束形成的干扰,也可以使用漫反射式红外光电传感器检测目标的位置,喷药机在行走时发射红外线,当红外线被目标作物反射回来,传感器接收信号,系统检测到目标的确切位置,系统发出命令,控制器控制喷药机喷头打开电磁阀,对目标作物进行喷药作业。

2.3.2 基于图像处理的智能喷药技术

基于图像处理的智能喷药机是一款智能化、现代化的喷药机,实现了人工无干扰的智能喷药。喷药机由供电系统、喷药系统、移动平台和设置在移动平台上的视频采集系统构成。该喷药机是通过视频采集模块采集前方区域的图像,然后将图像传送到数字信号处理器进行分析,分析结果传送到嵌入式控制器,嵌入式控制器根据分析结果控制移动平台移动至需要喷药区域,喷药机械手舵机驱动器驱动喷药机械手将喷药杆送到喷药区域附近的杂草进行喷药动作。嵌入式控制器控制电机继电器吸合,控制喷药电机转动带动喷药杆进行转动喷药,达到喷洒均匀的目的。喷药结束后,嵌入式控制器控制电机继电器释放进而停止喷药。

2.3.3 物联网农业病虫害智能监控系统

物联网农业病虫害智能监控实现了自动化喷药,提高了喷药机智能化选择重点病虫害果树目标的能力。系统主要由供电电源模块、电磁阀模块、步进电机控制模块、接口测试模块、设备复位模块、供电模块、时钟电路、红外线扫描模块、通信系统模块组成。智能监控系统主要是对目标区域的环境(温度、湿度、光照等)进行实时监控,视频监控主要是对目标区域(特别是果园、园林等)的病虫害进行实时监控。当监测到目标区域出现病虫害需要喷药时,通过GPS网络通信将目标位置发送给单片机,单片机发出命令,利用红外线扫描确定病虫害的确切位置,单片机控制电磁阀进行喷药作业,实现喷药过程的全自动化。

3 我国水肥药精准管理发展趋势

我国是农业大国,仅用7%的耕地解决了22%的人口温饱问题。但是我国人口的增加与土地资源减少的矛盾日益突出,农业机械化水平总体上还处于比较落后的阶段,与欧美等发达国家还有较大差距,因此,发展精准农业是今后农业发展的方向,提升机械的智能化、精准化主要有以下几个方面。

1)加强政府引导,增加对精准农业发展的扶持力度,充分利用农机具购置补贴惠农政策。目前我国生产的大型机械价格昂贵,农民负担不起,因此农民可以申请农机具补贴,到当地经销商进行差价购机。扩大农业机械的应用范围。加大农业机械的推广力度,提升技术,降低设备成本,培养专业人才,提供具有保障的售后服务。

2)大力推进“互联网+”现代农业的发展,大力发展智能化、精准化农业灌溉系统。农业灌溉系统应当结合物联网技术,大数据、云计算技术,发展智能灌溉技术,提升我国的精准灌溉水平。建立适合各地的精准施肥指标体系;建立土壤肥力数据库,记录作物产量分布、土壤肥力分布,完善科学变量是非体系;加强变量、精准施肥机的研制。解决肥料浪费所造成的经济损失和环境污染。借助国外成功的经验,引进国外先进技术,加强植保机的研制,引进,提升植保机的技术水平,实现植保机的更新换代。加大喷药技术的研究,例如:变量喷雾、精准施药、防飘移等技术,研制适合我国的植保机械。

3)水肥一体化技术可以对灌溉和施肥同步控制的技术,是可以提高效率,节水节肥的技术。水肥一体化机械具有机械化、智能化程度高的特点,应当大力提倡水肥一体机的使用。

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