水肥浓度智能感知与精准配比系统研制与试验

为解决农场当地当时的复合肥料精准化配料问题，本研究将水肥一体化智能灌溉施肥系统作为研究对象，构建了水肥浓度智能感知与精准配比系统。首先提出现场在线水肥溶液智能感知模型的快速建立方法，利用数据分析算法从传感器实时监测的一系列浓度梯度的肥料溶液中挖掘出模型。其次基于上述模型设计水肥浓度智能感知与精准配比系统的框架结构，阐述系统工作原理；并通过三种水体模拟在线配肥验证了该系统原位指导水肥浓度配比的有效性，同时评价了水体电导率对水肥配比浓度的干扰。试验结果表明，正则化条件下二阶的多项式拟合曲线是表达溶液电导率与水肥浓度的变化关系最优的模型，相关系数R²均大于0.999，由此模型可得出用户关心的复合肥各指标浓度。三种水体模拟在线配肥结果表明，水体会干扰电导率导致无法准确反演水肥配比的浓度，相对偏差值超过了0.1。因此，本研究提出的在线水肥智能感知与精准配比系统实现了消除当地水体电导率对水肥配比准确性的干扰，通过模型计算实现复合肥精准化配比，并得出各指标浓度。该系统结构简单，配比精准，易与现有水肥一体机或者人工配肥系统结合使用，可广泛应用于设施农业栽培、果园栽培和大田经济作物栽培等环境下的精准智能施肥。     

水肥一体化循环灌溉系统的设计与试验

结合我国水肥一体化灌溉发展的需求,设计了一套水肥一体化循环灌溉系统。系统采用椰糠基质栽培,主要由配肥系统、灌溉系统、营养液循环系统3大部分组成。系统通过控制肥水的EC、p H值和进入灌溉管道的肥水量来实现自动施肥灌溉,并具有营养液循环回收的功能。它能够执行较精确的施肥过程,预防肥液浪费,提高水肥利用效率。经实际运用证明,该系统运行稳定、操作方便,EC值控制精度为±0.2 m S/cm、p H值控制精度为±0.2。水肥一体化循环灌溉系统用水量是传统土壤栽培的66.7%,黄瓜产量是传统土壤栽培的1.16倍,用工量是传统土壤栽培的63.2%。运用该系统能够达到节约用水、提高产量、节省用工的目的。     

轻简水肥一体机的设计及其在日光温室黄瓜种植中的应用效果试验

为解决农户传统水肥一体化灌溉方式中存在的施用营养液浓度均匀性差、劳动强度大、过量施肥等问题,研究设计了一种与膜下微喷灌高灌溉流量特性相匹配的大吸肥量、低成本的轻简水肥一体机.通过自主设计的性能测试平台对其吸肥性能进行了测试,从而确定了吸肥泵的安装位置.为验证该水肥一体机应用效果,首先检测了应用水肥一体机和传统方式下灌溉营养液浓度均匀性,然后按照追肥总量比传统方式减少30％的方案进行了日光温室黄瓜栽培对比试验.结果表明,在水肥一体机出口压力分别为0.09、0.11、0.13 MPa时,吸肥泵前置吸肥效果好于后置;应用轻简水肥一体机灌溉施肥与传统方式相比,灌溉营养液浓度的空间均匀性没有显著差异,但时间均匀性差异显著,传统方式下灌溉营养液浓度随时间的推移不断下降,而应用水肥一体机的则保持稳定;在减施化肥30％情况下,与传统方式相比,应用水肥一体机灌溉仍可增产6.18％,每栋温室(670 m2)毎个生长季(7个月)可节约工时14 h,减施化肥27 kg,可提高效益2.15万元/hm2.综上,该轻简水肥一体机灌溉营养液均匀、节省人工和肥料、提高生产效益,具有较好的推广应用前景.     

工厂化蔬菜气雾栽培自动监控关键技术及系统

研制了工厂化蔬菜气雾化栽培营养液供给自动监测系统,采用栽培环境实时监测与自动控制、气雾化栽培循环系统的自动监测与控制、营养液加液与供给的自动检测与控制等关键技术,结合远程及现场控制,完成对蔬菜气雾化栽培的智能化高效管理。构建了营养液混肥加液自动监测与控制系统,可实时检测营养液中的电导率EC值和酸碱度pH值,经T-S模糊控制器控制输出酸碱液、母液和Nacl溶液加入量,从而使营养液浓度和pH值在设定范围内。通过栽培工程对比实验得出了气雾化栽培优化控制中心参数,以这些参数为基础进行细分处理,并结合采集到的根际温湿度和光照强度数据,分别作为输入和输出样本数据,建立了T-S模糊神经网络模型,来预测喷雾时长和空闲时间的输出,实现了营养液气雾化栽培喷雾控制。系统已在浙江大学农业科技园中运行,可满足实际应用的需求。     

潮汐式灌溉系统的研发与推广

针对国内设施农业生产水肥浪费严重,相关技术装备整体水平落后的现状,本文阐述了了潮汐式灌溉系统的研发与推广。该系统利用液面的落差原理,通过计算机控制系统实现作物底部给水及水肥的精确管理和控制,适用于盆栽植物的营养液栽培和容器育苗的工厂化生产,具有节水、节肥、生产效率高、作物长势好等特点。应用表明,采用潮汐灌溉方式的作物,其生长量明显优于人工浇灌方式,还可减少用水量33%,提高水分利用效率40%,还可减少氮肥使用量。可推动我国设施农业的增产、增收,提高花卉、种苗的品质,具有广阔的应用前景。      

水肥耦合技术及在西瓜栽培中的应用

水肥耦合可有效发挥水、肥协同效应，通过水分与养分间的最佳配比供给作物吸收同化利用，从而实现节水省肥、调质增产的目的。概述了水肥耦合的发展历程、定义及效应分类，分别阐述了水肥耦合在西瓜生长发育、生理特征、产量和品质等方面的相应研究进展，表明水肥耦合是西瓜高效优质生产的有效途径。深入研究探索西瓜水肥耦合机理，揭示农田系统水分和养分优化管理模式，可为指导西瓜水肥综合调控和节水节肥优质高产栽培提供理论依据。      

基于模糊控制的水肥药一体化系统研究

为了提高目前水肥药一体化系统的自动化程度,设计了一种智能水肥药一体化系统;针对系统混肥精度不高的问题,设计了适用于营养液混合的模糊控制器,并利用Lab VIEW完成整个系统应用软件的开发。该系统不但能够实现独立灌溉、灌溉施肥一体化、灌溉施药一体化及水肥药一体化,而且还具备控制指令输入、系统工作监控和系统信息查询的功能。     

基于Fuzzy-Smith控制器的营养液pH值调控系统研究

pH值的控制是水肥一体化营养液循环控制系统的重要环节，水肥控制过程中pH值在最优控制范围内有利于根系的发育以及多数矿物质的吸收。营养液调控过程中，由于循环管路以及酸液的缓慢扩散，使得pH值调节过程存在很大的时滞，传统PID难以取得良好效果。本研究根据被控对象特点，建立了描述该过程的数学模型，设计开发了一套具有二次混肥特性的以MSP430单片机为主控的营养液pH值控制系统。由于参数自整定模糊PID不需要精确数学模型以及Smith预估可对纯滞后进行补偿的特点，开发的系统将参数自整定模糊PID控制引入Smith预估当中，既缓解了滞后时间对控制系统的影响，又对模型的不精确性进行了补偿。为了验证该算法以及系统的有效性和优越性，分别对PID、Fuzzy-Smith控制算法进行仿真测试，同时在不同灌溉量下进行性能试验。试验结果表明，在不同灌溉量下Fuzzy-Smith控制算法pH值的平均最大超调量为0.83%，营养液pH值从8.0调节为6.0的平均时间为157s，优于常规PID控制的2.55%和189s。     

水肥一体化技术及其在草莓生产上的应用

我国在农业生产中存在水肥过量使用及使用方法不当的现象,导致水肥利用率不高和环境,而水肥一体化技术具有节省水肥和提高其利用率的优点。为此,介绍了水肥一体化系统中灌溉和施肥设备的分类,分析和归纳了影响水肥一体化灌水器和施肥器技术发展的因素,以及水溶肥在水肥一体化中的应用,并总结了不同水肥组合与灌溉水平和智能水肥系统在草莓上的应用,展望了水肥一体化技术在草莓生产上的发展前景。     

基于两线解码技术的水肥一体化云灌溉系统研究

针对传统设施农业水肥利用效率低、信息采集量少、数据挖掘利用弱等问题,设计了基于两线解码技术和云计算的设施农业水肥一体化智能云灌溉系统,包括智能云灌溉控制系统、全自动水肥一体机和高效节水灌溉系统3部分。该系统通过两线解码技术,利用各种传感器实时采集各单个设施农业作物生长环境的参数信息,并将各类采集数据及时传输和存储于数据管理云平台,根据设施农业种植区采取的环境信息和作物的需水需肥规律,利用云集群的计算和分析能力,科学确定设施农业中不同环境条件下作物生长的水肥需求和灌溉施肥制度,实现水肥一体化的智能控制。通过2个设施农业种植基地的应用实例表明,相比传统灌溉方式,水分和肥料的利用率分别提高了25%~40%和15%~35%,并且大幅度减少了劳动时间和劳动力。     

鱼菜共生耦合智能控制系统设计与试验

为研究鱼菜共生系统鱼菜耦合关系，采用传感器技术、物联网技术和自动控制技术设计一套含数据自动采集、记录、分析和控制于一体的鱼菜共生耦合智能控制系统。该系统能实现鱼池和生化池溶氧、温度及水位自动控制，水肥自动配比、旋转立体栽培架自动灌溉及温室环境自动控制功能，数据自动采集、存储和分析功能，以及设备远程控制、状态远程查看等功能。      

智能水肥机控制系统关键技术装备研制

针对水肥一体化设备施肥精度不高、智能化程度低的现状，在借鉴PLC、LORA窄带物联网等技术的基础上，改进一套适合设施农业的高精度、具有物联网功能的智能水肥一体化装备，实现定时、定量自动化控制水肥，提高作物品质及设施农业生产效益。      

草莓集装箱植物工厂设计与应用

集装箱植物工厂具有可移动性强、使用地域广泛、环境可控、高密度种植和周年生产等优点。简要叙述北京市农业机械研究所有限公司设计开发的一种草莓集装箱植物工厂，该植物工厂整体设计形式呈现模块化，重点围绕栽培系统、补光系统、环境调控系统、营养液循环系统及控制系统进行创新设计，并对栽培环境进行测试。该系统在北京市通州区进行运营生产，试验及运营结果表明:草莓集装箱植物工厂可以用于草莓栽培，为集装箱植物工厂种植栽培拓宽思路；该草莓集装箱植物工厂的设计方案合理，系统配置科学，光能利用率高，种植系统安装便捷，可提高资源利用效率，达到草莓的连年生产需求，为农户创造更高价值。      

基于Modbus总线与Web技术的草菇栽培控制系统开发

当前，我国草菇数字化和自动化栽培生产存在很多不合理的环节，为了推进草菇栽培技术的进步，需要研发更为先进的计算机栽培环境控制系统。采用CS架构软件，配合组态配置控制系统，以实现控制服务端的数据采集和智能操控。为满足菇房环境灵活控制的需要，利用用户远程并发连接操作界面，辅以RS485分布式控制结构，提高系统的独立性、协调性和可靠性。      

蓝莓温室智能水肥一体化系统构建

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%,蓝莓增产10%~15%,减少60%以上劳动力,降低农业污染。     

家庭式微植物工厂监控系统设计

为了解决家庭阳台种植作物过程中湿气重、难控制的问题，提出了家庭式微植物工厂。它是密闭式的，利用智能化控制技术使作物进行自我调节，采用层结构设计及配套环境监测装置。监测系统是以无线传感技术、控制技术和多传感器融合技术为核心；以STM32为核心控制单元；以上位机为终端实时显示系统内环境参数的家庭种植环境监控设备。系统实现了微型植物工厂内部温湿度、光照等多个环境因子的实时显示和精确控制，具有较高的实用性。      

设施环境下智能移动作业平台控制系统研制

设施环境下的移动作业平台作为棚内施药、采摘等设备的载体，由于其作业环境的限制，对其控制系统的精确性和实时性的要求更高。为提高设施移动作业平台作业效率和精度，提出了基于CAN总线的分布式控制结构的智能移动作业控制系统，该系统分为主控制和功能节点两个部分，主控制器负责采集移动平台位置信息并进行控制决策，各功能节点实现对移动平台的转向、变速以及设备控制。整个系统的通信根据ISO11783标准设计完成。系统通信能力测试结果表明，该移动作业平台的智能控制系统能够满足设施环境作业需求，工作性能稳定可靠。      

农业物联网技术及其应用推广

要发展智慧农业，实现高产、优质、安全地可持续发展，必须借助科学的手段，充分利用信息化与智能化管理技术建立农业生产、加工和流通的规范化管理体系。该文以农业物联网技术为基础，分别介绍了农业物联网在车载式监控系统、基于CFD冷链车厢温度监控现代物流、设施农业、果园种植业和水产养殖方面的相关应用推广。应用效果表明:物联网技术可有效降低农业生产资源的消耗，并能够有效降低和合理应用水、肥和药。农业物联网技术对精细农业和智慧农业的实现具有重要的指导意义、显著的生态效益与经济效益及很大的应用推广价值。      

固定式全自动智能控制橡胶割胶机设计

为解决传统割胶人工劳动强度大、工作环境差和割胶效率低等问题，利用软件SolidWorks设计建模分析，设计了由电机驱动的具有智能控制的橡胶割胶机，割刀座架按照设计的智能电控程序实现预定的螺旋线工作轨迹，通过距离传感器反馈的数据，实现割刀进给量调节，方便割刀获取适宜的割皮深度。通过田间试验，分析数据，不断完善割胶机设计，为橡胶工业化生产获得胶乳提供人员劳动强度低、性能稳定可靠和经济实用的割胶设备。