随着设施园艺产业的发展,先进工程技术越来越多地应用到设施园艺生产中。设施园艺的典型代表是温室,传统的温室生产水资源管理粗放,一般采用大水漫灌方式,施肥技术落后,过度施用化肥造成水肥资源浪费严重,同时也造成严重的环境污染。为促进农业可持续发展,提高水肥利用效率是设施园艺发展必须解决的问题,其有效措施是在温室生产中实行精准灌溉施肥。精准灌溉施肥技术已逐渐成为一种在技术上密集配套、生产及管理上高度集约化的现代农艺生产技术体系,其自动化程度高且能有效提高水肥利用效率。国外发达国家如以色列、美国、荷兰等国家早已将灌溉施肥技术应用于设施园艺生产,其产品已非常成熟且形成产业并对外出口,但国外相关产品售价高,同时由于国外装备生产农艺要求还不能完全适应我国气候条件和种植环境,使得国外的设备很难发挥出应有的效果,设施生产效果不显著。我国科研工作者也在积极研究灌溉施肥技术,虽取得了一些成果,但由于起步较晚,研究基础薄弱,我国的灌溉施肥技术目前还处于初级阶段,仍有诸多问题有待解决:如水肥耦合对园艺作物工作机理还有待深入研究;精准灌溉施肥装备关键技术有待突破;智能化控制决策的研究有待加强;研究开发的产品性能还不够稳定,价格偏高,不利于推广应用;与信息化技术结合还不够紧密,特别是当前物联网+灌溉施肥技术还没有真正在温室灌溉施肥上进行推广应用。针对以上问题,本论文围绕温室精准管理灌溉施肥的关键技术,以形成实用化自主研发产品为目标,重点就温室番茄的需肥和需水规律、灌溉施肥系统控制决策、灌激施肥机本体关键部件的结构优化及对施肥机性能的影响、以及灌溉施肥监控系统等关键技术展开研究。主要结果如下:(1)在营养液膜栽培模式下,基于Penman-Monteith方程,以番茄需水量为研究对象,建立了温室番茄的需水模型,并由模型得出冬茬试验温室中,单株番茄植株苗期总需水量约为9.2L,开花坐果期18.2L、果实膨大期37.6L、成熟期28.4L;春茬试验温室中,单株番茄植株苗期总需水量约为13.4L,开花坐果期27.2L、果实膨大期39.3L、成熟期33.4L,可作为番茄生产中灌溉量的参考。(2)在营养液膜栽培模式下,以荷兰番茄专用配方配制营养液进行试验研究,监测不同施肥浓度对番茄生长指标及生理指标情况的影响,分析试验数据并寻找规律,研究表明当EC值为2500μS/cm、pH为6±0.1时对番茄植株第一花序开花坐果率、株高、株粗、根长等番茄生长指标,番茄叶绿素含量等生理指标,以及番茄干鲜重等各项监测指标表现最优。因此番茄开花坐果期的营养液EC值为2500μS/cm,可作为番茄开花坐果期EC调控参考依据,验证和评估了荷兰番茄专用配方的适用性,为指导温室番茄营养液优化管理和决策提供参考和技术支撑。(3)提出了基于两级预测的温室WSN系统数据传输方法。在引入莱特准则进行序列异常值检测的基础上,分别在传感器节点和服务器建立一阶分段线性回归方程并结合自适应加权算法形成两级预测模型,大幅度减少温室WSN系统的传感器节点数据传输次数。同时结合温室环境自动控制的特点,提出了一种基于抛物线的可变误差阈值确定方法,进一步减少无线传输的数据量。(4)在研究灌溉施肥模型的基础上,应用模糊控制技术,依据灌溉施肥过程中不同品种作物生长及环境控制要求及系统输入输出变量的特性,制定了适用于灌溉施肥模糊控制专家系统的控制量论域及模糊控制规则,应用Matlab/Simulink模糊逻辑工具箱,设计了一个二维的模糊控制系统,同时为验证该模糊控制系统的有效性,应用Matlab/Simulink软件进行了仿真,结果表明此模糊控制系统对营养液的EC值具有较好的调控能力,能满足工作需要。(5)依据经济流速流量对照表,综合考虑施肥装置及管路系统的沿程损失与局部损失,研究分析基于CFD数值计算的文丘里施肥器最优结构参数组合。模拟数据及所开发水肥一体化灌溉施肥机的运行数据表明,CFD数值优化后的文丘里施肥器吸肥流量提高约38.6%,与模糊自动控制系统相配合的水肥一体化灌溉施肥机的吸肥流量总体提高约47.6%,节能效果显著。(6)基于结构化设计理念,研发了应用于温室环境的精准灌溉施肥硬件平台和软件系统。采用嵌入式网络技术,基于高性能32位微处理器STM32F103ZET6,设计用于水肥EC、pH等参数信息监测及灌溉施肥的一体式控制器。控制器融合了 ZigBee无线短距离通信技术,与基于MSP430F149处理器设计的温室环境无线监测节点一起组建了温室环境无线传感网络,实现温室灌溉环境在线信息监测。针对温室生产对互联网+智能灌溉施肥的迫切需求,基于ASP.NET及WEB服务开发了远程网络监控平台,借助网络通信实现异地信息监测与设备监控等功能,实现了温室灌溉施肥网络化、智能化控制与管理,提高了系统的智能化与可扩展性,为温室精准灌溉施肥提供了较好的解决方案。