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数字化农业智能灌溉方案
一.水肥一体化系统产生的背景
中国作为农业大国,同时也意味着是用水大国,而且中国水资源极为短缺,水资源危机已成为制约经济可持续发展的重要的因素。我国农业用水浪费严重,灌溉水利用系数低,因此走科技节水型农业之路来实现水资源的合理利用,不仅可以节约水资源,更重要的是可以提高农业用水效率,节省人力成本,改善生态环境,这是实现我国精确农业的关键。
中国农业用水量约占总用水量的80%左右,由于农业灌溉效率普遍低下,水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70%~80%,因而,解决农业灌溉用水的问题,缓解水资源紧缺问题是非常重要的。我们的智能农业灌溉系统在这种背景下应运而生。
智能农业灌溉施肥系统就是不需要人为的控制,系统自动感测到什么时候需要灌溉,灌溉多长时间,系统可以实现自动开启灌溉点,自动关闭灌溉点;可以按恒定的月、周、日运行表进行循环运行,按灌溉日内循环时长、间隔间隔时长运行,可设定土壤水分参数自动启停灌溉系统,可根据时间或比例、水量决定注肥量或根据EC/PH值进行施肥的编程。

二.水肥一体化系统特点

1) 可以根据系统建设区域的具体情况选择不同的灌溉方式,最大限度的提高了灌溉用水的利用率;
2) 采用了互联网+物联网网络通讯技术,真正实现了农田灌溉的集约化、网络化远程管理远程监测控制,达到了无人值守自动化运行,降低运行成本、劳动强度;
3) 作物灌溉决策软件中可引入专家决策系统,对不同地区的不同作物在不同生长阶段的需水信息做定量评估;
4) 如果在灌溉设备中加入流量计,对灌水的用量做到准确控制。该系统满足了高效农业、精准农业中对提高灌溉用水利用率的需求,达到了节水灌溉的目的并实现了灌溉过程的自动化,具有极大的推广和应用价
5) 采用模块化设计,兼容性强,容易扩展连接设备、增加功能。
6) 物联网水肥一体机可以单独自成一体使用,也可以纳入较大系统内使用,使用方便灵活,适应范围广。
7) 平台(智能管理中心、远程服务器、智能手机、平板电脑) 智能农业管理软件功能强大。

三、水肥一体化系统简介

水肥一体化技术又称灌溉施肥技术,是将滴灌与施肥结合在一起发展起来的一种现代先进农业技术。这项技术主要是借助滴灌系统,利用滴灌系统中的水为载体,在灌溉的同时进行施肥,实现水和肥一体化利用和管理,使水和肥料在土壤中以优化的组合状态供给给作物吸收利用。按照作物生长需求,进行全生育期养分需求设计把作物所需要的水分和养分适时、定量、定时的根据植物不同的生长期按比例直接提供给作物。这样可使灌水量、灌水时间、施肥量、施肥时间都达到很高的精度,具有水肥同步、集中供给、一次投资、多年受益的
 
DB-WZY物联网水肥一体机
 
特点,从而达到提高水肥利用率的目的。这一技术可适用于大棚、日光温室蔬菜等设施农业栽培,以及农田、果树、等经济效益较好的作物。
水肥一体智能系统无需人为控制,系统自动感测何时需要灌溉,以及施肥,系统可以实现自动开启灌溉点,自动关闭灌溉点;可以按恒定的月、周、日运行表进行循环运行,按灌溉日内循环时长、间隔间隔时长运行,可设定土壤水分参数自动启停灌溉系统,可根据时间或比例、水量决定注入的肥量或根据EC/PH值进行施肥的编程。

四、水肥一体化系统的优势

(一)节水节肥:可以通过按照正确的比例调控,使水肥达到最大化利用,减少水份和肥料的浪费
(二)提高产量:改善作物生长环境,促进作物产量提高和产品质量的改善,提早收获、收获期长,因此投运该系统能够可增产30%~50%。
(三)省时省力:水肥一体化滴灌技术应用管道进行灌溉和施肥,只需要打开阀门并将肥料溶解后倒入加肥系统,不需要下地,能节省大量的人工,减少了减少人力成本投入,高效管理。
(四)智能控制:根据土壤水分温度等相关参数数据自动反馈给控制灌溉系统并进行精准的定时、定量、精准施肥。
(五)减轻病虫害发生:水肥一体化技术提高了土壤通透性和降低了温室内空气湿度,增加作物的抗逆性,在很大程度上抑制了作物病害的发生,减少农药的投入和防治病害的劳力投入,微灌施肥每亩农药用量减少15%-30%,
(六)科学研究:收集传感器及控制灌溉施肥数据,供给专家做研究提供实验数据做分析

五、水肥一体化智能控制方案:载波示意图

 
六、水肥一体化智能控制方案:NB/GPRS无线组网

七、水肥一体化智能控制方案:Lora短距离无线组网

八、水肥一体化智能控制方案:组网方式优缺点对比

对比
 
传统RS485
 
载波通信
 
NB/GPRS通信
 
Lora通信
 
通信距离
 
1200米
 
3000米
 
有移动/电信/联通信号任意位置
 
基站附近2-5公里(无阻挡)
布线方式
 
串联
 
串联星型树形任意
 

 
主站布线
 
前期成本分析
 
布线成本偏高(电源+通信线) 布线成本偏低(2线)
 
主站布线
 
后期成本分析
 

 
按年收费
 

 
适用范围 灌溉点数密集
短距离
布线简单

 
灌溉点数密集
短距离
布线复杂

 
灌溉点任意位置
 
基站覆盖范围内
 
 
农业灌溉往往涉及现场环境复杂,需根据实际考察结果来设定组网方案
 
 

十、水肥一体化系统:数据分析展示

十二、水肥一体化系统 :预警查询展示

十三、水肥一体化系统:方案执行情况分析展示

十四、水肥一体化系统:方案运行周期过程

 

十五、水肥一体化系统:主要功能特色

(一)定时灌溉、排水、施肥
按照设定的时间进行灌溉、排水、施肥;实现施肥前后设置灌溉时间、体积等。
(二)定量灌溉、排水、施肥
按照设定的水量或肥量进行灌溉、排水、施肥;实现施肥前后设置灌溉时间或体积等
(三)传感器联动灌溉、排水、施肥
根据传感器反馈数据进行定时或定量灌溉、排水、施肥。
(四)三端控制
实现本地现场控制、电脑端控制、手机端控制;三端数据实时同步
(五)根据需求添加计费模块
根据客户需要增加电量计量模块、水量计量模块;用户凭借水卡或手机联动进行灌溉;
(六)报警功能
系统出现故障,数据达到上下限等可通过三端查看报警详情,并可以设置短信报警功能
 

十六、水肥一体智能控制系统功能特点

(一)功能特点:
 1、低功耗软硬件系统设计。
2、实时监控大田灌溉商情、水情、水位信息。
3、实现自动、远程遥控、现场遥控遥测等功能。
5、通过手机在在各地实时掌控大田施肥信息。
6、定时、定量、精准施肥的多种运行模式选择。
(二) 参数设置功能
  1、可以通过手机、遥控器或电脑对现场的环境参数(温湿度、土壤水分等)进行设置和修改。
2、可以通过手机、遥控器或电脑对现场执行设备控制模式进行设置和修改。       
(三) 显示功能
1、物联网水肥机上的数据,现场、远程、手机实现实时查询与监控
2、 后台监控系统可配大屏幕显示器,图形、表格等多种形式动态显示整个灌溉区运行情况,准确、直观、明了。
3、可配LED显示大屏,配置以太网控制卡、异地发布或显示现场的实时数据信息             
 (四) 报警功能
 1、当水肥一体系统出现故障。如执行设备损害、水管破裂(需配置电子压力传感器)等,立即停止水泵运行,并报警。
 (五) 通信功能
 1、 通过现场一体机、后台计算机、安卓智能手机查看、设置、修改参数。
2、采集数据上传后台机,供后台机进行数据处理和显示。
3、接收后台机发出的控制命令。
(六) 数据处理功能
1、物联网水肥机数据处理功能:能够对采集的数据进行记录、查询、跟踪、分析、判断、决策等数据处理功能。
(七) 控制功能:
1、 具有智能自动灌溉、定时自动灌溉、手机APP遥控灌溉、手动灌溉、定量自动灌溉、循环灌溉等多种模式,用户可根据需要灵活选用灌溉模式。
2、 具有定时自动施肥、手机APP遥控施肥、手动施肥模式,用户可根据需要灵活选用施肥模式。
3、 可实现控制中心(云平台),手机APP、现场遥控及现场手动等多种方式控制。

十七、智能灌溉控制系统的工作原理模式

1、灌溉模式:灌溉可以设定为灌溉;自动模式、计时模式或者水量体积模式。
1.1自动模式下,低功耗物联网控制器内置(pm)公式计算ET策略。根据设定的土壤湿度以及土壤湿度变化速率,进行自动计算灌水定额。
2、水肥一体灌溉模式:可以设置施肥通道数,施肥时间,施肥比例。EC/PH动态调整施肥速度和混肥比例,设定反冲洗的时间,施肥量与灌溉量、施肥时间与灌溉时间设定功能。
3、系统有施肥量,总流量,土壤湿度,压力等参数的实时监控和报警设定。
4、系统有查看和设定灌溉任务。可以设定4组,可以指定任意年月日时分启动灌溉及施肥任务
5、报表查询可查询系统近期的操作日志,以及温湿度,土壤PH数值,EC数值曲线图,更加全面系统运行状况及预警提示信息。系统记录对每个阀门的月用水量,用肥量,保持一年的数据。

十八、工程实例图

十九、智能灌溉控制机技术参数:

u  ARM Cortex-A8处理器,运算速度快,功耗小,运行稳定,主频600MHZ                                                PID控制算法与闭环负反馈调节控制设计。
u  四线电阻式触摸显示屏,触摸精度准确,经久耐用,触摸寿命长,显示屏为TFT LCD,26万色真彩显;      
u  集成网卡、MAX232、RS485通讯、抗干扰,防高压,放雷击的。
u  Linux操作系统,工业应用系统稳
u  12位AD数据采集。
u  3路模拟量输入(电流/电压可配置)
u  2路脉冲量输入
u  2路模拟量输出(电流/电压可配置)
u  可外扩RS485通讯传感器与设备
u  32路光耦隔离输出(可通过网络远程控制与本地控制)。
u  网络远程控制
u  本地按键输入控制。
根据设备采集环境自动控制    


 

二十、水肥一体化总结

1、养分水分高效利用--增加产量,改善品质。水肥一体化技术充分满足作物的水肥供应,改善作物生长环境,促进作物产量提高和产品质量的改善,提早收获、收获期长、作物一般增产10%-80%。缺少或过量施肥导致蔬菜品质变差,水肥一体化合理施肥使蔬菜正常生理生长,生产高品质蔬菜。
2、提高经济效益。水肥一体化技术经济效益包括增产、改善品质个节省投入的效益。应用水肥一体化技术可以做到节水40%、节肥30%、省工10%、增产10%-80%。
3、从浇地到浇作物的转变--节水。水肥一体化技术可以减少水分的下渗和蒸发,提高水分利用率。在露天条件下,滴灌施肥与传统灌溉相比,节水率达50%左右。与大水漫灌相比,节水率70%左右。
4、节肥。水肥一体化技术实现了平衡施肥和集中施肥,减少了肥料挥发和流失,以及养分过剩造成的损失,具有施肥简单、供肥及时、作物易于吸收、提高肥料利用率等优点。滴灌施肥提高地温,促进作物对肥料的吸收。在作物产量相近或相同的情况下,水肥一体化与传统技术施肥相比节约花肥40%-50%。
5、减轻病虫害发生,节药。水肥一体化技术提高了土壤通透性和降低了温室内空气湿度,增加作物的抗逆性,在很大程度上抑制了作物病害的发生,减少农药的投入和防治病害的劳力投入,微灌施肥每亩农药用量减少15%-30%,节省劳力15-20个。
6、保温降湿,改善作物生长环境。保护地栽培采用水肥一体化技术,滴灌施肥与常规畦灌施肥相比,空气湿度可降低8.5-15%。滴灌施肥比常规畦灌施肥为降湿的通风量少了,而通风引起的降温也少了,滴灌施肥地表积水少了,而水分的蒸发引起的降温也少了,有利保持棚内的温度。棚内温度一般高2-4℃,都有利于作物生长。
7、通过水肥一体化技术可以更高效的调控土壤根系的五大障碍:水渍化、盐渍化、PH、根区土壤透气性、土传病害。
8、改良土壤。采用水肥一体化技术、滴灌施肥与常规畦灌施肥技术相比地温可提高2.7℃,增强了土壤微生物活性,促进作物对养分的吸收;减轻了因大水灌溉造成的土壤板结和团粒破坏程度,土壤容重降低,孔隙度增加,改善了土壤物理性质。
9、减少污染。肥料定量施用,水分只浸湿根系周围土壤,减少了深层渗漏的水量,即减少了随水流失的肥料量,减少了流失的肥料对地下水系统和土壤的环境的污染。
10、自动化程度大大提高--省工省力。水肥一体化滴灌技术应用管道进行灌溉和施肥,只需要打开的阀门并将肥料溶解后倒入加肥系统,不需要下地,能节省大量的人工。滴灌施肥减少了浇水施肥和防治病虫害等劳力投入。

二十一、设备配置表

数字化智能灌溉配置表格
项目 名称 数量 单位
智能灌溉首部 恒压变频柜 1
电机水泵 1
砂石/网式过滤器 1
反冲洗过滤器 1
流量传感器 1
压力传感器 1
PH/EC传感器 1
恒压罐 1
物联网水肥机 1
泄压阀.调节阀.截止阀、管道、附件 1
智能控制设备 数字主控机 1
无线(NB/GPRS组网)分区控制站,      有线(载波   组网)分区控制站 N
电动控制阀 N
土壤水分传感器 N
无线传输模块 N
物联网平台控制软件 1
APP控制软件 1
管道、附件 主管道 1
支管道 1
毛管 1
     滴管、喷头、配件 1
泄压阀.调节阀.截止阀. 1
 
太阳能电池板 1 网络摄像机 1
蓄电池 1 硬盘录像机 1
风光互补控制器 1 4G路由、5.8G N
立杆支架 1 防护箱、附件 N
  合计
               
 
 
二十二.智能农业灌溉系统在不同灌溉方式中的应用
漫灌——确定灌溉水渗透到农作物根域的时间,选择合适的水流速,确保在此时间内灌溉水能从地头流到地尾。
喷灌——结合智能灌溉系统,接入土壤水分探头来监测入渗速率。
滴灌——结合智能灌溉系统可实现短期、多次灌溉,阻止水渗透到根层以下。
渗灌——结合农业灌溉智能系统,渗灌将成为最有效的灌溉系统。
 
 
 


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