一、應用背景

水肥利用低效：傳統漫灌 + 人工施肥模式下，水資源利用率僅 30%-40%，化肥吸收率不足 50%，存在嚴重浪費;

管理依賴經驗：施肥灌溉全憑農戶主觀判斷，易出現 “少則缺肥、多則燒苗”，導致作物產量波動;

勞動力成本高：規(guī)模化種植需大量人工巡查、配比、操作，效率低且人工成本持續(xù)上漲;

生態(tài)污染風險：過量水肥滲透土壤深層，引發(fā)地下水污染、土壤板結等環(huán)境問題。

二、系統概述

1、系統定義

智能水肥一體化灌溉系統是融合傳感器感知、物聯網通信、邊緣計算算法、自動控制技術的綜合解決方案，通過實時采集土壤、作物、氣象數據，動態(tài)生成最優(yōu)水肥配比與灌溉方案，由水肥一體機精準執(zhí)行，實現按需供給、水肥同步。

2、核心目標

精準化：根據作物生育期、土壤墑情、環(huán)境條件，精準控制水肥濃度、灌溉量、灌溉時間;

自動化：全程無需人工干預，支持定時、定量、條件觸發(fā)等多種灌溉模式;

可視化：通過手機 APP/WEB 平臺實時監(jiān)控設備狀態(tài)、土壤數據、灌溉記錄，支持遠程控制;

可擴展：兼容不同作物(蔬菜、果樹、大田作物等)、不同種植規(guī)模(農戶、合作社、農業(yè)園區(qū))，支持與溯源系統、氣象平臺對接。

三、核心技術架構

系統采用 “四層架構” 設計，確保穩(wěn)定性、兼容性與可擴展性：

感知層：采集水肥相關核心數據，為決策提供依據。由土壤傳感器(溫濕度、EC/PH 值)、作物長勢傳感器(葉面積指數、葉綠素)、氣象傳感器(溫濕度、光照、降雨量)、流量傳感器、壓力傳感器等設備組成;

網絡層：實現感知層與平臺層的數據傳輸，支持偏遠地區(qū)全覆蓋，支持LoRa/NB-IoT 無線通信、4G/5G、以太網等網絡;

平臺層：負責云服務器、決策引擎、數據管理、數據存儲、歷史分析、自動報警等方式，支持千萬級數據并發(fā)處理;

應用層：用戶操作入口，提供監(jiān)控、控制、數據分析、報表導出等功能，可從手機 APP、WEB 管理平臺、現場控制柜等終端，分別進行手動、遠程、自動控制;

執(zhí)行層：接收平臺指令，精準執(zhí)行水肥配比、灌溉作業(yè)，由智能水肥一體機、變頻恒壓水泵、電磁控制閥、滴灌 / 噴灌管網等部分組成;

四、核心功能

1、數據采集

土壤監(jiān)測：實時采集土壤含水量(范圍 0-100%)、EC 值(土壤肥力指標，0-20mS/cm)、PH 值(4-10)。支持多點部署(每畝 1-2 個監(jiān)測點)，數據采集頻率可設置(10 分鐘 - 1 小時 / 次)。

環(huán)境與作物監(jiān)測：氣象傳感器采集空氣溫濕度、光照強度、降雨量、風速等數據;作物傳感器通過光譜分析獲取葉綠素含量、葉面積指數，判斷作物營養(yǎng)需求。

設備狀態(tài)監(jiān)測：流量傳感器監(jiān)測水肥混合液輸送量，壓力傳感器監(jiān)控管網壓力;實時反饋水泵、電磁閥、水肥一體機運行狀態(tài)，異常自動報警。

2、智能模式

支持多種規(guī)格模式，支持用戶自定義作物參數，適配特色種植需求。

干旱模式：優(yōu)先保證水分供給，適當降低肥料濃度;

多雨模式：減少灌溉量，增加鉀肥比例，增強作物抗?jié)衬芰?

結果期模式：提高磷鉀肥比例，促進果實膨大與糖分積累。

3、精準執(zhí)行

智能水肥一體機：支持 4-8 路肥液吸入通道，精準控制水肥混合比例(誤差 ±2%);具備自動攪拌、過濾、壓力穩(wěn)定功能，防止肥液沉淀堵塞管網;適配固態(tài)肥、液態(tài)肥、水溶性肥等多種肥料類型。

變頻恒壓控制系統：根據管網壓力自動調節(jié)水泵轉速，保證灌溉均勻度(變異系數≤5%);支持多區(qū)域輪灌，可設置灌溉優(yōu)先級，避免管網壓力不足。

終端灌溉設備：可選滴灌(果樹、蔬菜)、微噴灌(大田作物)、霧化噴灌(溫室作物)等方式;電磁閥支持分區(qū)控制，實現一區(qū)一策精準灌溉。

4、遠程監(jiān)控與管理

多端管理入口：手機 APP：支持 iOS/Android 系統，功能包括實時數據查看、設備控制、灌溉計劃制定、報警推送(短信 + APP 通知);

WEB 管理平臺：提供數據報表(日 / 周 / 月灌溉量、用肥量統計)、趨勢分析(土壤墑情變化曲線)、設備運維記錄;

現場控制柜：配備觸摸屏，支持本地操作與參數設置，斷網狀態(tài)下可獨立運行。

異常報警：涵蓋傳感器故障、設備故障、管網壓力異常、水肥不足等 10 + 報警類型;

自動處置：故障發(fā)生時，系統自動停止相關區(qū)域灌溉，避免二次損失。

5、數據管理與分析

數據存儲：云端存儲歷史數據(≥1 年)，包括傳感器數據、灌溉記錄、設備運行數據;支持數據導出Excel格式，便于農業(yè)生產追溯。

數據分析：生成作物生育期水肥需求報告，為下一季種植提供參考;對比不同區(qū)域灌溉方案效果，優(yōu)化決策模型;能耗分析：統計水泵、一體機耗電量，優(yōu)化運行策略。

五、應用效益

推動農業(yè)數字化轉型，提升農業(yè)生產現代化水平;

降低種植門檻，助力小農戶對接智慧農業(yè)技術;

保障農產品供給穩(wěn)定，提升農產品質量安全。

減少水肥流失，降低地下水污染與土壤板結風險;

減少化肥使用量，降低農業(yè)面源污染;

節(jié)約水資源，緩解農業(yè)用水緊張矛盾。

六、應用場景

1、溫室蔬菜種植

比如番茄、黃瓜、生菜等作物，精準控制溫濕度與水肥，保障作物周年生產。土壤傳感器(20cm 埋深)+ 葉面濕度傳感器 + 水肥一體機(4 路肥液通道)+ 滴灌系統。節(jié)水節(jié)肥，進一步提升畝產量，降低病蟲害發(fā)生率。

2、果園種植

蘋果、柑橘、葡萄等水果種植，系統整合土壤剖面?zhèn)鞲衅?10/30/50cm)+ 氣象站 + 水肥一體機(6 路肥液通道)+ 微噴灌系統，按需供給水肥，促進果實發(fā)育，減少裂果，提升優(yōu)果率。

3、大田作物種植

小麥、玉米、棉花等作物，需要實現規(guī)模化管理，降低人工成本，抗逆性提升。系統通過區(qū)域式傳感器(每 5 畝 1 個)+ 移動氣象站 + 大型水肥一體機 + 噴灌系統，節(jié)水節(jié)肥，大大降低人工成本，抗旱能力顯著提升。