T/BIOT 01-2021
設施園藝智能水肥一體化系統技術通則
Technical general principles of smart fertigation system in facility horticulture
2023-12
- 標準號
- T/BIOT 01-2021
- 發布
- 2021年
- 總頁數
- 17頁
- 發布單位
- 中國團體標準
- 替代標準
- T/BIOT 01-2023
- 當前最新
- T/BIOT 01-2023
- 適用范圍
- 3 術語和定義 GB/T 6274、GB/T 21402、GB/T 23393、GB/T 36346、GB/T 50485 界定的以及下列術語和定義適用于本文件。 3.1 設施園藝 facility horticulture 用特定設施和設備，創造適于園藝作物生育的小氣候環境，進行園藝作物生產的方式。 [來源：GB/T 23393-2009,2.1] 3.2 智能水肥一體化 smart fertigation system 借助于算法的動態觸發條件設置，智能適應不同環境條件，根據傳感器獲悉的土壤水分和養分狀況及作物對水分、養分的需求規律，啟動相應的灌溉計劃或施肥計劃，通過灌水施肥設備，自動地將水或水肥混合液適時適量、準確地輸送給作物，實現智能化管理。 3.3 水溶性肥料 water soluble fertilizer 能夠完全溶解于水，可添加中量元素、微量元素，用于滴灌施肥和噴灌施肥的單質肥料、復合（混）肥料和有機肥料。 [來源：GB/T 6274-2016,2.1.29] 3.4 田間首部 field irrigation control head 由一些元件和管路組成，安裝在灌溉區的前部，通過啟動/關閉水流、壓力調節、測量、過濾以及化學介質的噴射來控制灌溉施肥。 [來源：GB/T 21402-2008,3.8] 3.5 灌溉首部 irrigation control head 集中安裝在微灌系統入口處的過濾器、施肥（藥）裝置及量測、安全和控制設備的總稱。 [來源：GB/T 50485-2009,2.1.6] 4 各分部構成 4.1 系統組成 智能水肥一體化系統由灌溉設施、遠程控制系統、環境感知系統、通訊組網系統、可視化操作系統和水肥管理軟件、水溶肥及其配施肥系統組成。 4.2 水溶性肥料 智能水肥一體化系統應用符合農業行業標準的水溶肥產品或其他單質肥料，如大量元素水溶肥、中微量元素水溶肥、含氨基酸水溶肥、含腐植酸水溶肥、尿素硝酸銨溶液。 4.3 灌溉設施 按照GB/T 50363要求，建設完成的灌溉設施系統。 4.4 遠程控制系統 由終端執行單元、供電單元、通訊控制器組成。主要位于灌溉首部、田間首部和田間管網主管、支管，負責按指令自動化灌溉施肥。 4.5 環境感知系統 布置在田間的各種傳感器，可實時自動采集土壤含水量、溫度、鹽分，空氣溫濕度、風速和風向等參數。 4.6 通訊組網系統 支持靈活多樣的局域網、廣域網組網方式。局域網可以選用基于RS485協議的無線組網方式或基于WIFI協議的MESH自組網形式。廣域網可以選用低功耗廣域網LoRa（Long Range Radio）通訊（433MHz、470 MHz -510MHz）技術和廣域網蜂窩移動通信組成通訊網，通過通訊控制器內射頻裝置、智能網關等設備實現。 4.7 可視化操作系統 手機、電腦、觸摸屏、液晶拼接屏等客戶端。它們可以通過WIFI/ 5G等通訊方式與云中心或邊緣計算中心（數據存儲介質）連接，同步顯示水肥管理軟件內容，包括友好顯示采集到的環境信息和遠程操控設備。 4.8 水肥管理軟件 可以實現系統整體控制和參數管理的可視化操作軟件，包括環境數據監測、數據空間/時間分布、歷史數據、預警系統、遠程控制和系統設置等。 4.9 配施肥系統 配施肥系統應具備通過軟件設定施肥區域，控制水泵和各輪灌區田間首部，自動完成所需高氮、高磷、高鉀、有機水溶肥定量桶混、形成母液，并將母液按比例或定量添加到灌溉水中，進行灌溉施肥。可使用高含量大量元素水溶肥和含有機質水溶肥。支持EC值、pH值閾值管理、動態調整管理。 5 方案設計 5.1 一般要求 智能水肥一體化項目方案設計應包括：作物種植方案與水肥營養設計、配施肥機的功能設計、節水灌溉系統設計、傳感器布置、通訊組網設計、物聯網終端設計及智能水肥管理軟件定制化設計。 5.2 作物種植方案與水肥營養設計 a) 查閱資料，明確種植作物不同生育期對水分、養分的需求規律； b) 委托相關實驗室檢測項目區的耕層土壤（pH）、土壤質地、電導率值（EC）、有效磷、交換性鉀、有機質，明確土壤肥力情況； c) 根據作物的目標產量、需水和需肥特點，分別建立灌溉方案和施肥方案，進一步整合成微灌施肥方案。 5.3 配施肥機的功能設計 文丘里組式全自動施肥機具有配肥和施肥功能；注肥泵式智能配施肥機除了具有配肥和施肥功能，還具有肥料轉移即卸肥功能。宜根據用戶卸肥、配肥和施肥的功能需要，選擇滿足需求的智能配施肥機。 5.4 灌溉系統設計 a) 根據項目所在地氣象、地形與土壤、水源水質、種植作物及種植主體水肥管理要求，通過技術參數初定、灌水器選型、管網布置與設計、管網水力計算和首部樞紐設計形成灌溉基礎設施設計方案； b) 設施園藝中，成行栽培的蔬菜、花卉類微灌類型宜選用滴灌，密植的蔬菜、花卉類微灌類型宜選用滴灌或微噴；果樹類、藤類作物微灌類型宜選用滴灌或小管出流灌溉； c) 首部樞紐設計、管道水力、流量和管徑計算請參考GB/T50485。 5.5 傳感器布置與安裝 土壤類傳感器應選擇在地面比較平坦的監測范圍內，避免地面溝壟不平。根據灌水器距離、土層厚度、作物生長發育階段等綜合確定土壤含水量、鹽度值采集點數目及其采集點深度。 5.6 通訊組網設計 設施園藝通訊方式一般選擇低功耗廣域網技術和蜂窩移動通信技術組網。 a) 面向設施園藝應用的常見低功耗廣域網技術：LoRa（超遠距離廣域網，Long?Range Radio）、NB-IoT（窄帶物聯網，Narrow Band Internet of Things）； b) 應使用智能網關實現多通道LoRa和蜂窩移動數據收發處理、無線LoRa數據與蜂窩移動數據轉換。最終實現農業物聯網終端與云中心數據交互； c) 也支持在數據采集端通過局域網匯聚到智能網關后，再進行以太網數據轉換。 5.7 物聯網終端設計 每個（組）傳感器、遠程自動化控制設備均應配備物聯網終端。 5.8 智能管理水肥軟件定制化設計 以通用智能水肥管理軟件為基礎，導入農場地理位置、用戶信息、實景圖等方式，形成用戶專屬、定制的智能水肥管理軟件。 6 關鍵設備和產品選型 6.1 全自動配施肥機 全自動配施肥機應能調整不同類型肥料配比，計重自動混合、二次稀釋、自循環攪拌，實現實時、精準灌溉與施肥。灌溉施肥參數： — 施肥通道：2-5通道（通道可關閉，含補肥通道）； — 施肥流量：0L/h-3600L/h； — 施肥泵功率：0.375kW-1.5kW；使用揚程：0m-45m； — 稱重（或容積）系統：0kg-1000kg/0L-1000L； — 控制觸發模式：支持時間邏輯、人機交互觸發、內部程序觸發等模式。 6.2 自動化灌溉首部 6.2.1 泵房設計 泵房設計應符合 GB/T 50363規定。 6.2.2 智能灌溉首部技術要求 配有變頻控制的加壓裝置；兩級及以上過濾，有2種及以上過濾裝置，至少一種帶有智能反沖洗功能；智能型施肥（藥）裝置；配有壓力、流量等參數的測控裝置；能夠根據設定，按照不同的閾值要求（定時或傳感器數據閾值）自動灌溉施肥；支持無人值守，系統能夠產生不同等級的告警信息，并發送給管理人員。 6.3 傳感器 6.3.1 土壤溫濕度傳感器 應能直接測量土壤含水量；便于設定參數的修改和置入；有數字或模擬量的標準接口；有顯示或輸出功能；同一型號傳感器應具有良好的互換性；便于攜帶。土壤溫濕度傳感器基本參數值見表1。 表1 無線土壤溫濕度傳感器的基本參數值 設備名稱 檢測對象 性能 土壤溫度濕度傳感器 溫度 測量范圍：-20℃-70℃；測量誤差≤0.3℃；重復性（重復性標準差）≤1%。 濕度（土壤體積含水量） 測量范圍：0%RH-50%RH；與烘干法體積比較，體積含水量在3%-10%時，相對誤差的絕對值不大于5%；在15%-35%時，相對誤差的絕對值不大于2.5%；在35%-45%時，相對誤差的絕對值不大于5%；重復性（重復性標準差）≤2%。 6.3.2 小氣候監測站 小氣候監測站一般要求：應具有采集空氣溫度、濕度，降雨量、風速、風向功能。農林小氣候監測站基本參數值見表2。 表2 農林小氣候監測站的基本參數值 設備名稱 檢測對象 性能 無線多要素氣象站 溫度 測量范圍：-40℃-70℃；分辨率：0.1℃；準確度：±0.3℃ 濕度 測量范圍：0%RH-100%RH；分辨率：0.1%RH；準確度：±2%RH 風速 測量范圍：0m/s-71.4m/s；分辨率：0.01m/s；準確度：±1%（≤4.44m/s），±10%（≥4.44m/s） 風向 測量范圍：0°-360°；分辨率：0.1°；準確度：±3°； 雨量 測量范圍：0mm/h-200mm/h；輸出分辨率：0.2mm；長時測量分誤差：光學±10%,翻斗±5% 6.4 智能網關選型 智能網關其北向接口應至少能接入有線通信網、無線通信網、衛星通信網等遠程通信網絡之一，南向接口應能接入低功耗廣域網。智能網關應支持用于數據測試、程序調試、控制器等外接設備所需的相關接口。智能網關的基本參數值見表3。 表3 智能網關的基本參數值 智能網關參數 具體規格 智能網關參數 具體規格 上行通訊 GPRS、WIFI、RJ45、4G 供電方式 DC12V或DC24V 遠傳協議 HTTPS、MQTT、TCP可選 功耗 ≤5W 下行通訊 LoRa 供電方式 太陽能/市電 節點數 ≤256 外形尺寸 無限制 下行通訊距離 1kM-5kM 安裝方式 室內/戶外（防水箱） 6.5 物聯網終端選型 物聯網終端應可以與通信網絡發生交互，其基本參數值見表4。 表4 物聯網終端的基本參數值 物聯網終端參數 具體規格 物聯網終端參數 具體規格 通訊協議 LoRa 供電方式 電池（可更換） ACK響應時間 ≤5s 電池壽命 2年/30000次控制 下行通訊 LoRa 供電方式 太陽能/市電 指令下發 ≤10次（50S內） 工作溫度 -20℃-60℃ 通訊距離 1kM-5kM 防護等級 IP68 6.6 智能水肥管理軟件 根據項目區規模、管理運行需求，對智能水肥管理軟件進行整體規劃。既能控制灌溉設備，又能控制自動化施肥系統。 a) 智能水肥控制軟件應能顯示項目概況、項目區農林小氣候、土壤墑情監測值； b) 智能水肥控制軟件應支持程序控制與智能控制； c) 智能水肥控制軟件應能保存必要的歷史數據，可對歷史數據進行分析、處理、統計和存儲，并具有查詢歷史數據功能。 6.7 水溶性肥料 用于智能水肥一體化系統的水溶肥料符合要求： a) 大量元素水溶肥料應符合NY/T1107要求； b) 中量元素水溶肥料應符合NY/T2266要求； c) 微量元素水溶肥肥料應符合NY/T1428要求； d) 含氨基酸水溶肥料應符合NY/T1429要求； e) 含腐植酸水溶肥應符合NY1106的要求； f) 尿素硝酸銨溶液應符合NY/T2670的要求。 6.8 設施園藝灌溉用水 a) 設施園藝智能水肥一體化項目的灌溉水質應滿足GB5084的規定； b) 設施園藝用灌溉水含鐵量應小于0.4mg/L、總硫化物含量小于0.2mg/L； c) 灌溉水質不符合要求時應進行過濾、凈化處理。 7 智能水肥一體化系統的安裝與驗收 7.1 灌溉施肥系統安裝 7.1.1 灌溉首部安裝 灌溉首部的安裝應符合GB/T 50485規定。 7.1.2 田間首部安裝 田間首部應根據需要安裝空氣閥、控制閥、過濾器、施肥器。施肥器應根據流量、肥料性質和注入量選擇，并安裝在過濾器上游。過濾器宜采用80-120目篩網/疊片過濾器。 7.1.3 管道施工與安裝 a) 開挖管道溝槽并回填應符合GB/T 50268的規定。 b) 管道和灌水器的安裝應符合GB/T 50363的規定。 7.2 物聯網設備安裝 7.2.1 一般要求 a) 請使用廠家配備專用適配器供電或廠家提供的太陽能供電系統。 b) 室外使用或者比較惡劣室內環境場景中，應安裝在專用防護箱內。 c) 使用膠棒天線時，不應將設備置于完全密封的金屬箱體中，以免影響無線信號的傳輸。 d) 在室外安裝使用請增加避雷裝置。 e) 不應在粉塵、強靜電的環境中使用。 7.3 智能網關安裝 按照出廠標識，連接GSM天線和超遠距離廣域網天線。網關選擇專用適配器或太陽能供電系統。 7.3.1 物聯網終端安裝 按照出廠標識，連接天線、電動閥門、電源、物聯網終端。 7.3.2 氣象站安裝 設備應水平安裝在高于4.5米的立桿上，應參考相關標準。 7.4 項目驗收 7.4.1 完工驗收應提交下列文件： a) 設計文件； b) 施工記錄； c) 工程簽證單； d) 主要設備使用說明； e) 系統運行使用說明； f) 維修物料清單； g) 培訓記錄； h) 監理報告。 7.4.2 規模較小的項目完工驗收應提交下列文件： a) 設計文件； b) 工程簽證單； c) 主要設備使用說明； d) 系統運行使用說明； e) 維修物料清單； f) 培訓記錄。 7.4.3 規模較小的項目滿足以下任意條件： a) 項目金額不超過100萬； b) 項目實施面積不超過200畝； c) 工期不超過30日； d) 甲方無監理要求。 8 水肥綜合管理方案 8.1 測土 采集水肥一體化項目建設現場土樣。測定土壤中有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀、電導率（EC）、pH以及鐵、鎂、鈣等中、微量元素含量，作為施肥參考。 8.2 灌水施肥管理 灌水施肥管理要求： a) 肥料進入系統前，應攪拌至完全溶解，必要時應先進行過濾； b) 根據灌溉面積，調節變頻系統及田間首部閥門，應使田間首部各處壓力維持在灌水器額定工作壓力； c) 施肥前和施肥后應分別灌水10min-20min。 8.3 常見作物的水肥綜合管理方案 a) 京郊設施陽光玫瑰葡萄水肥綜合管理方案見附錄A。 b) 京郊設施番茄水肥綜合管理方案見附錄B。 c) 京郊設施草莓水肥綜合管理方案見附錄C。 ? 附 錄 A （資料性） 葡萄水肥綜合管理方案 A.1 葡萄灌水制度 生育時期 灌水時間 灌溉量 灌溉方式 土壤水分限值 備注 越冬休眠期 10月中旬，完全落葉并施基肥后 80m3/畝 漫灌 灌至90%田間最大持水量 濕潤層>40cm 11月中旬 60m3/畝 漫灌 灌至90%田間最大持水量 濕潤層>40 cm；日消夜凍 傷流-開花前 4/6-5/5 20m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 一周約1次，2-3次，每次7m3-10m3/畝 花期 5/6-5/14 0 避開花期灌溉，開花前5天起停止灌水 幼果膨大期 5/15-6/14 30m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 落花后按照一周一次每次7m3-10m3水 硬核期 6/15-8/1 50m3/畝 滴灌 保持50%-70%田間最大持水量 兩周一次，每次7m3-10m3/畝 轉色成熟期 8/2-10/1 40m3/畝 滴灌 保持50%-70%田間最大持水量 兩周一次，每次7m3-10m3/畝 采收 10/1-11/1 盡量避免灌水，如采收期過長可適度灌2m3-3m3/畝 A.2 葡萄施肥制度 時期 施肥種類 施肥品種 使用方式 用量（/畝） 絨球期 （3月底） 含腐植酸水溶肥 100-40-60+HA(30g/L) 滴灌 5kg 尿素硝酸銨溶液 422g/L 4kg-5kg 含氨基酸水溶肥 氨基酸100g/L，90-0-10，鈣100g/L、鎂10g/L 1kg 展葉4-5葉 含腐植酸水溶肥 100-40-60+HA(30g/L) 滴灌 5kg 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 5kg 花前5天左右 含腐植酸水溶肥 100-40-60+HA(30g/L) 滴灌 4kg-5kg 有機水溶肥 2kg 微量元素水溶肥 硼肥 葉面噴施 1500倍液 花期 停止灌水施肥，防止濕度過大 保花保果激素處理后（開滿花3天后） 微量元素水溶肥 鋅、硼肥 葉面噴施 濃度0.5% 大量元素水溶肥 170-170-170+TE或 200-200-200+TE 滴灌 4kg-5kg 尿素硝酸銨溶液 422g/L 3kg 螯合鈣 0.25kg 螯合鎂 0.1kg 坐果后 氨基酸鈣肥 葉面噴施 濃度0.5% 膨果激素處理前 大量元素水溶肥 170-170-170+TE或 200-200-200+TE 滴灌 4kg-5kg 尿素硝酸銨溶液 422g/L 3kg 有機水溶肥 5kg 螯合鈣 2kg 螯合鎂 2kg 每10d一次，約4次 大量元素水溶肥 170-170-170+TE或 200-200-200+TE 滴灌 4kg-5kg 螯合鈣 1kg 螯合鎂 0.5kg 有機水溶肥 5kg 氨基酸鈣肥 葉面噴施 濃度0.5% 每10d一次，約5次 大量元素水溶肥 50-150-400+TE 滴灌 5kg 有機水溶肥 5kg 螯合鈣 0.25kg EDTA 鎂 0.1kg 每14d一次，約2次 大量元素水溶肥 硫酸鉀鎂肥 滴灌 8kg-10kg 成熟前20天到采收停止水肥 采果15天后 大量元素水溶肥 170-170-170+TE或 200-200-200+TE 滴灌 4kg-5kg ? 附 錄 B （資料性） 番茄水肥綜合管理方案 B.1 番茄灌水制度 生育時期 灌溉量 灌溉方式 土壤水分限值 備注 苗期 20m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 3d-5d一次，每次10m3/畝，共2次 定植成活至開花初期 25m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 2d-5d一次，每次8m3 -10m3/畝，根據苗情灌溉2-3次 開花坐果期 20m3-72m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 7d-10d一次，每次10m3-12m3/畝，春季栽培共灌溉4-6次，秋季栽培共灌溉2-3次 果實采收期 30m3/畝 滴灌 保持60%-90%田間最大持水量 10d-15d一次，每次10m3-15m3/畝，灌溉2-3次 B.2 番茄施肥制度 時期 施肥種類 施肥品種 使用方式 用量（/畝） 底肥 有機肥 腐熟發酵好的動物糞便或商品有機肥 旋耕入土 500k 復合肥 15-10-20 40kg 土壤調理劑 40kg 菌肥 生物菌肥 80kg 微量元素水溶肥 顆粒硼 1kg 微量元素水溶肥 顆粒鋅 1kg 緩苗期 含氨基酸水溶肥 AA≥100g/L，Ca≥30g/L 滴灌 2kg 大量元素水溶肥 100-400-100+TE 1.5kg 生長前期 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 滴灌 7.5kg 含氨基酸水溶肥 AA≥100g/L，Ca≥30g/L 5kg 生長中前期 （2次） 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 滴灌 12kg 生長中期 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 滴灌 7.5kg 含氨基酸水溶肥 AA≥100g/L，Ca≥30g/L 5kg 生長中后期 大量元素水溶肥 120-50-350+TE 滴灌 7.5kg 采收期 （2次） 大量元素水溶肥 120-50-350+TE 滴灌 12kg 采收期 （1次） 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 滴灌 7.5kg 含氨基酸水溶肥 AA≥100g/L，Ca≥30g/L 5kg 采收期 （2次） 大量元素水溶肥 120-50-350+TE 滴灌 12kg 延續期 （3次） 大量元素水溶肥 200-200-200+TE 滴灌 7.5kg 含氨基酸水溶肥 AA≥100g/L，Ca≥30g/L 5kg 延續期 （2次） 大量元素水溶肥 120-50-350+TE 滴灌 12kg