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背景
目前，高效智能水肥药一体技术已成为推动种植业发展的重要生产技术之一，其节水、节肥、省药、省工、增产和增效等优点非常显著。灌溉自动化技术能够严格执行灌水指令和灌溉制度，不仅可以定时、定量、定次地科学灌溉，而且能够提高灌溉的质量和均匀度，进而保证水肥一体化的科学性、可靠性，成为精准施药、精准灌溉、精量施肥的重要技术支撑和推进农业现代化发展的重要途径之一。农业向高产、高效、现代化的方向发展，要求农业灌溉也要朝精量化、智能化、信息化方向发展。
北京林果非常发达，平谷区盛产大桃和蔬菜，目前果园或温室内存在灌溉设备陈旧，施肥、施药方式较落后，造成劳动力浪费，灌溉、施肥施药不均匀等问题，对此通过大量实地调研并与基层技术人员交流合作，探讨了新型的施肥灌溉模式，研发新型的省水省肥省药作业系统成为解决问题的关键。针对栽培模式开发新的技术模式，实现精量地为作物提供水肥药，节约水资源、节省劳动力、提高水肥药利用率的目的。
原理
将灌溉施肥施药一体系统布设于果园出水口处，采用地面管道的方式布设设施果园线路，每棵果树处在支管道打孔，使用旁通阀引出一个出水口，出水量可由旁通阀控制。物联网控制系统的无线网络节点布设于温室一侧，沿东西向一字排列，通过WIFI无线网络通讯，无线信号最终汇聚到果园控制室的总控箱内，用户可通过总控箱发送果园灌溉指令，经WIFI无线网络对果园的无线网络节点进行控制，进而通过无线局域网控制果园灌溉施肥施药，同时用户也可使用智能手机或电脑上的软件，通过3G网络向总控箱发送控制指令，进而经过WIFI无线网络转发给每一个无线网络节点，从而实现对果园灌溉施肥施药的物联网远程控制。
管道设计
设计标准主要是参照国标及行业标准。包括：《节水灌溉工程技术规范》GB/T 50363-2006、《节水灌溉技术规范》SL207-98、《喷灌与微灌工程技术管理规程》SL236-1999、《工业通信设计规范》GBJ42-81。
管路布设结合设施果园的布局，实现一机多用，全面覆盖。管路为地表式，管道选取PE复合材料管，如图1所示，在果园总出水口处依次连接闸阀、过滤器、施肥施药机，然后接入果园主管道；主管道采用50 mm PE管，从果园中部北侧向南延伸到果园中部南侧，然后向东西两个方向分流，直至果园最东侧和最西侧；每三行果树引出一条支管道接入电磁阀，而后管道一分为三，沿每一行果树向北分流，直至果园最北侧；支管道采用32 mm PE管；果树出水口处在支管道打孔，使用旁通阀将支管道水流引到果树根部，通过旁通阀控制单棵果树灌溉流量。主管道末端设有泄水井，用于冬季防冻。
果园支路设计及实际连接如图2所示，1号和3号为外螺纹PE直接用于连接2号电磁阀，4号为正三通，将管道进行分流，5号为一行果树的变径直通，将水流引入每行果树的灌溉管道，6号为出水口旁通阀，给果树浇水并控制单棵果树灌溉流量。图3为实物图。
物联网监测与控制系统设计
监测系统设计
系统用于监测设施桃园环境下的空气温湿度、地表0 cm土壤温湿度、地下20 cm土壤温湿度、40 cm土壤温湿度、60 cm土壤温湿度等参数，并通过
无线网络实时回传至云端数据库，用户可使用电脑或智能手机访问WEB网站查看、管理、统计、分析果园环境数据。图4为设施桃园物联网环境监测系统实物图。
为了水肥药一体的远程控制实现，并将作业历史数据进行远程管理，开发专门基于web的信息化服务平台，实现果园的信息化管理，通过web信息化服务平台进行果园肥药信息的统计分析，在线提供肥药作业的参数推荐。并采用分布式结构，实现多节点、独立分区的施肥施药物联网控制技术及装备，突破施肥施药一体化节点组网单一的局限性布点方式。图5和图6为基于WEB的系统界面。
控制系统设计
此模式的物联网控制系统网络架构如图7所示，用户通过智能手机或电脑软件发送控制指令，指令通过网络传输给云端服务器进而通过3G无线网络转发给果园里的无线热点，无线热点通过WIFI无线网络，将控制指令转发给指定要控制的电磁阀无线网络节点。
实践
示范点选取
经过前期的大量走访调研和技术分析，选取温室果树栽培需求和定位明确的示范基地进行实践和推广，地点是平谷区渔子山一处设施桃园作为示范点（东经117°19′07″，北纬 40°20′67″）。水肥药一体化作为该系统实践的重点，主要解决水肥一体模式下的肥药浓度、流量和工作时序的监控，通过Web方式实现作业信息的多终端共享，达到水肥药优化配置的模式，并将系统和开沟条施结合，实现有机肥和厩肥的先深施后灌水，解决果园滴灌蒸发影响肥料扩散的瓶颈问题。
示范点概况
鱼子山示范点应用情况如图8所示。整个示范点园中共42行果树，每行果树3棵，栽培的果树品种为矮化密植新品种桃树。园中旧有的灌溉是通过温室一侧出水口直接出水，整个温室进行漫灌，灌溉方式需要进行改善。施药主要依靠喷雾器雾化喷洒农药，部分根部施药采用深埋方法。园中的施肥方式为人工撒肥或挖沟填埋，施肥无法做到精准、高效，且浪费劳动力。该示范点位于夏鱼路边，交通便利，建设完成后便于组织参观和学习。
应用效果
园区原有方式每次灌溉的时间在10 h以上，每次施药每颗果树开挖累计所需时间30 h以上，施肥人工需要两人次，施药需要2～4人次，经过系统的集成应用，通过细管水肥药一体化技术，实现施肥和施药的时间缩短为旧有的10%以下，水肥药同时作业，人工缩短为1人次。田间试验及生产实践表明，该技术装备及所配套的技术模式非常适合林果的省肥省药作业，发挥了极好的效果。■
*果类蔬菜产业技术体系北京市创新团队支持。
**作者简介：马伟，男，博士，研究方向是农业机械化工程。
目前，高效智能水肥药一体技术已成为推动种植业发展的重要生产技术之一，其节水、节肥、省药、省工、增产和增效等优点非常显著。灌溉自动化技术能够严格执行灌水指令和灌溉制度，不仅可以定时、定量、定次地科学灌溉，而且能够提高灌溉的质量和均匀度，进而保证水肥一体化的科学性、可靠性，成为精准施药、精准灌溉、精量施肥的重要技术支撑和推进农业现代化发展的重要途径之一。农业向高产、高效、现代化的方向发展，要求农业灌溉也要朝精量化、智能化、信息化方向发展。
北京林果非常发达，平谷区盛产大桃和蔬菜，目前果园或温室内存在灌溉设备陈旧，施肥、施药方式较落后，造成劳动力浪费，灌溉、施肥施药不均匀等问题，对此通过大量实地调研并与基层技术人员交流合作，探讨了新型的施肥灌溉模式，研发新型的省水省肥省药作业系统成为解决问题的关键。针对栽培模式开发新的技术模式，实现精量地为作物提供水肥药，节约水资源、节省劳动力、提高水肥药利用率的目的。
原理
将灌溉施肥施药一体系统布设于果园出水口处，采用地面管道的方式布设设施果园线路，每棵果树处在支管道打孔，使用旁通阀引出一个出水口，出水量可由旁通阀控制。物联网控制系统的无线网络节点布设于温室一侧，沿东西向一字排列，通过WIFI无线网络通讯，无线信号最终汇聚到果园控制室的总控箱内，用户可通过总控箱发送果园灌溉指令，经WIFI无线网络对果园的无线网络节点进行控制，进而通过无线局域网控制果园灌溉施肥施药，同时用户也可使用智能手机或电脑上的软件，通过3G网络向总控箱发送控制指令，进而经过WIFI无线网络转发给每一个无线网络节点，从而实现对果园灌溉施肥施药的物联网远程控制。
管道设计
设计标准主要是参照国标及行业标准。包括：《节水灌溉工程技术规范》GB/T 50363-2006、《节水灌溉技术规范》SL207-98、《喷灌与微灌工程技术管理规程》SL236-1999、《工业通信设计规范》GBJ42-81。
管路布设结合设施果园的布局，实现一机多用，全面覆盖。管路为地表式，管道选取PE复合材料管，如图1所示，在果园总出水口处依次连接闸阀、过滤器、施肥施药机，然后接入果园主管道；主管道采用50 mm PE管，从果园中部北侧向南延伸到果园中部南侧，然后向东西两个方向分流，直至果园最东侧和最西侧；每三行果树引出一条支管道接入电磁阀，而后管道一分为三，沿每一行果树向北分流，直至果园最北侧；支管道采用32 mm PE管；果树出水口处在支管道打孔，使用旁通阀将支管道水流引到果树根部，通过旁通阀控制单棵果树灌溉流量。主管道末端设有泄水井，用于冬季防冻。
果园支路设计及实际连接如图2所示，1号和3号为外螺纹PE直接用于连接2号电磁阀，4号为正三通，将管道进行分流，5号为一行果树的变径直通，将水流引入每行果树的灌溉管道，6号为出水口旁通阀，给果树浇水并控制单棵果树灌溉流量。图3为实物图。
物联网监测与控制系统设计
监测系统设计
系统用于监测设施桃园环境下的空气温湿度、地表0 cm土壤温湿度、地下20 cm土壤温湿度、40 cm土壤温湿度、60 cm土壤温湿度等参数，并通过
无线网络实时回传至云端数据库，用户可使用电脑或智能手机访问WEB网站查看、管理、统计、分析果园环境数据。图4为设施桃园物联网环境监测系统实物图。
为了水肥药一体的远程控制实现，并将作业历史数据进行远程管理，开发专门基于web的信息化服务平台，实现果园的信息化管理，通过web信息化服务平台进行果园肥药信息的统计分析，在线提供肥药作业的参数推荐。并采用分布式结构，实现多节点、独立分区的施肥施药物联网控制技术及装备，突破施肥施药一体化节点组网单一的局限性布点方式。图5和图6为基于WEB的系统界面。
控制系统设计
此模式的物联网控制系统网络架构如图7所示，用户通过智能手机或电脑软件发送控制指令，指令通过网络传输给云端服务器进而通过3G无线网络转发给果园里的无线热点，无线热点通过WIFI无线网络，将控制指令转发给指定要控制的电磁阀无线网络节点。
实践
示范点选取
经过前期的大量走访调研和技术分析，选取温室果树栽培需求和定位明确的示范基地进行实践和推广，地点是平谷区渔子山一处设施桃园作为示范点（东经117°19′07″，北纬 40°20′67″）。水肥药一体化作为该系统实践的重点，主要解决水肥一体模式下的肥药浓度、流量和工作时序的监控，通过Web方式实现作业信息的多终端共享，达到水肥药优化配置的模式，并将系统和开沟条施结合，实现有机肥和厩肥的先深施后灌水，解决果园滴灌蒸发影响肥料扩散的瓶颈问题。
示范点概况
鱼子山示范点应用情况如图8所示。整个示范点园中共42行果树，每行果树3棵，栽培的果树品种为矮化密植新品种桃树。园中旧有的灌溉是通过温室一侧出水口直接出水，整个温室进行漫灌，灌溉方式需要进行改善。施药主要依靠喷雾器雾化喷洒农药，部分根部施药采用深埋方法。园中的施肥方式为人工撒肥或挖沟填埋，施肥无法做到精准、高效，且浪费劳动力。该示范点位于夏鱼路边，交通便利，建设完成后便于组织参观和学习。
应用效果
园区原有方式每次灌溉的时间在10 h以上，每次施药每颗果树开挖累计所需时间30 h以上，施肥人工需要两人次，施药需要2～4人次，经过系统的集成应用，通过细管水肥药一体化技术，实现施肥和施药的时间缩短为旧有的10%以下，水肥药同时作业，人工缩短为1人次。田间试验及生产实践表明，该技术装备及所配套的技术模式非常适合林果的省肥省药作业，发挥了极好的效果。■
*果类蔬菜产业技术体系北京市创新团队支持。
**作者简介：马伟，男，博士，研究方向是农业机械化工程。