農業(yè)灌溉自動控制系統(tǒng)研究

摘要：所謂灌溉自動化，即在農業(yè)生產過程中，使用一定的設備、元件，通過適當的灌溉方式，在準確地分析各種生產要素的基礎上，對農作物的不同生長階段分別進行定時、定量的自動、半自動灌溉。應用節(jié)水型農業(yè)灌溉技術是今后發(fā)展的必然趨勢，研究自動化控制灌溉用水量是發(fā)展節(jié)水農業(yè)的先決條件。

關鍵詞：自動化；農業(yè)；自動控制

1 引言

我國目前灌區(qū)用水管理還僅僅停留在依靠農民的實際生產經驗和手工計算分析階段，仍局限于節(jié)水灌溉單項技術的推廣應用，技術集成和自動化水平較低，還未大面積和大規(guī)模采用計算機技術。同時，各灌區(qū)又限于設備和儀器原因，沒有能力測試土壤墑情、土壤濕度等信息。大部份測試都是采用人工作業(yè)和人工記錄方法，大于勞動處于低水平重復狀態(tài)，費時費力，工作效率低，資料準確性差，不能滿足現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需要。

由于各灌區(qū)測試數據參差不齊，沒有系統(tǒng)性，而且缺乏數據自動收集系統(tǒng)和數據輸送系統(tǒng)，沒有計算機自動處理能力，使灌區(qū)資料不能統(tǒng)一匯總計算分析，給生產管理帶來許多不便。因此，必須開展新的、技術含量更高的技術試驗研究，引進國外先進設備、先進技術，建立灌溉系統(tǒng)計算機網絡，為科學決策、優(yōu)化調度提供及時可靠的數據。從而，在高產節(jié)水條件下，提高對田間工程和農業(yè)措施的要求，達到增產節(jié)水的目的。具體還應因地制宜，按本地實際情況(氣象、土壤、耕作技術、作物生育期等)開展適應性強的科研與開發(fā)，采用節(jié)水的決策軟件，對水資源進行優(yōu)化調制和實時灌溉，把有限的水資源應用于農業(yè)生產中。

農業(yè)要從管理粗放型向依靠科技進步、信息化、現(xiàn)代化方向轉變，要及時引進利用當今國內外先進的技術，大力推進以科技服務、信息服務為主的服務體系建設，逐步建立農業(yè)水土工程建設管理體系。為了及時進行灌溉、排水、防洪和其他水土管理工作，需要水資源和灌溉渠系的監(jiān)測控制設備，如遙測設備、灌水器械或灌排系統(tǒng)的閘門，進行自動化操作。高效農業(yè)和精細農業(yè)要求實現(xiàn)水資源的高效利用，必須把水資源開發(fā)、輸配水、灌水技術和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情、作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮，綜合分析處理，做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調用，實現(xiàn)按需、按期、按量自動供水。因此，灌溉自動化是新世紀農業(yè)發(fā)展的方向。

2 建設灌溉及節(jié)水型農業(yè)自動化控制系統(tǒng)的必要性

近年來，計算機的應用日益普及，不僅被農業(yè)院校、研究機構大量采用，而且在縣、鄉(xiāng)各水利部門的使用也呈上升趨勢。然而，目前計算機功能的開發(fā)應用還多局限于文字處理、數據處理等方面。而利用計算機進行農業(yè)灌溉管理、農田信息采集、數據處理及預報、調控等功能尚未開發(fā)利用。隨著各類傳感器件和信息傳輸系統(tǒng)監(jiān)測成為可能，為大量微型機的進一步開發(fā)利用創(chuàng)造了條件。運用計算機實施農田灌溉自動化是完全可行的。

目前比較穩(wěn)定可靠的農用傳感器有測量溫度、降雨量、流量、相對濕度、土壤濕度、水面蒸發(fā)量、水位和電導率(土壤鹽分)等的傳感器。在節(jié)水灌溉管理系統(tǒng)中，微機通過設置在田間的各類傳感器不斷獲取信息，并依賴以土壤特性和灌溉管理、農作物需水規(guī)律的知識與模型為依據的軟件支持，為管理者及時提供關于農田實時水分狀況、通氣狀況、儲水數量、灌溉日期及灌水量的預報，并通過操縱機構實施灌溉自動化。根據水資源狀況及產量目標，計算機可以協(xié)助人們確定科學的灌溉制度，減少灌溉水的浪費。

甘肅省河西地區(qū)是我國悠久的具有多樣生態(tài)、生產類型和鮮明特色的綠洲農業(yè)經濟區(qū)，是西北內陸河流域灌溉農業(yè)的精華寶地之一。農業(yè)生產主要依靠石羊河、黑河及疏勒河三大水系的灌溉來維持和發(fā)展，水是制約河西地區(qū)農業(yè)和經濟發(fā)展的最關鍵因素。主要表現(xiàn)在粗放的灌溉方式與落后的灌水技術已不適應現(xiàn)代農業(yè)的要求，科學合理地利用有限的水資源，有效地控制大田用水量，根據天然來水量、水庫蓄水量、可開采地下水量及農作物生長的需要及時供應水量是促進節(jié)約用水的必要的科學手段。因此實施灌溉及節(jié)水型農業(yè)自動化控制系統(tǒng)勢在必行。

3自動控制系統(tǒng)的組成結構

灌區(qū)自動測控系統(tǒng)由有線、無線或混合組網構成，灌區(qū)及節(jié)水型農業(yè)自動化控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其作用是全面監(jiān)測各數據采集點的工作狀況，收集各數據采集點的相關參數并整理、記錄和存儲，作好數據分析。工作方式有自動和人工兩種，自動方式是中心計算機設備根據軟件設置自動采集土壤墑情、氣象參數、降水量和蒸發(fā)量等數據以判斷作物所需的水量，然后根據采集到的各閘控站河道水量、水庫水量及地下水量等數據合理安排供水量，供水量通過渠道監(jiān)測設施取得數據，以此數據反控各閘控站而控制供水量，并啟動田間自動灌溉設備進行灌溉。人工方式是由操作員下達指令，取得各閘控站采集的河道、水庫和地下水三部分的可供水量數據，依據反饋回來的各種氣象信息和作物生長需水信息啟閉渠道閘門，分配水量，按照調度方案測控渠道流量，修正配水系數。這兩種方式均可預報輪灌周期。

閘門控制站

根據中心控制站的指令，采集河道、水庫、地下水和水位數據，并啟閉閘門自動運行到位。各閘門控制站兼有水位和降水量數據采集任務，可根據閘控站數據采集點的安裝條件，采用具有數據遠傳功能和即時固態(tài)存儲數據功能的水位計，現(xiàn)有的壓力式水位計、超聲波水位計、浮子式水位計和氣泡式水位計等均能滿足數據采集任務。它與中心控制站之間的數據傳輸方式有有線傳輸方式和無線傳輸方式，有線方式就是利用當地郵電程控交換系統(tǒng)(PSTN)電話線或專用線進行數據交換，有主動式、被動式和互動式。無線傳輸方式是采用專用微波電路或超短波進行數據傳輸。

田間無人氣象站

監(jiān)測具有代表性的小范圍內的氣象參數，將數據發(fā)送到中心控制站，供配水預測參考。參數有田間降水量、田間微水位、蒸發(fā)量、風速、風向、日光輻射強度以及溫度、濕度等。采用蒸發(fā)器傳感器，因為蒸散耗水量與水面蒸發(fā)量關系密切，當供水量為蒸發(fā)量的0.7倍時，作物的水分利用率與經濟效益均較佳。

作物生長與土壤養(yǎng)分、土壤墑情監(jiān)測

根據田間作物所需養(yǎng)分，使用葉面儀、葉面蒸發(fā)儀以及土壤濕度傳感器，根據土壤濕度(吸力)及相應的作物需灌指標來確定何時需要灌溉。采用溫度與濕度傳感器，當二者測定值滿足:大于25℃和小于30%時為干熱風天氣，這時應開啟灌溉設備，以減輕干熱風對作物的危害。利用土壤含水量測試儀測試不同深度土壤水分含量，以確定不同作物根系所在深度的需水量;利用土壤養(yǎng)分測定儀等采集作物生長狀態(tài)參數，在運行終端站點通過檢查置數器發(fā)送相關參數，供中心控制站接收和處理各種參數，從而全面判斷灌區(qū)水資源需求量和利用狀況。

渠道水情遙測與流量監(jiān)測

在主要的干渠、支渠和斗渠上均設置無人水情遙測站，自動測報渠道水位值，了解配水情況，水位監(jiān)測設備可以采用固態(tài)存儲的各種類型水位計。在標準的渠道上同時配用先進的明渠流量計，精確計算渠道流量，通過閘門控制站進行調水分配。數據傳輸可以采用閘門控制站的數據傳輸方式。

田間自動灌溉設施

目前，各灌區(qū)基本實現(xiàn)了干渠、支渠和斗渠防滲襯砌渠道的配套，節(jié)水灌溉技術的推廣應當集中轉向解決田間深層滲漏的田間灌溉方式方面。采用先進的節(jié)水灌溉設備和灌溉方式，包括畦灌、膜上灌、波涌灌、噴灌、滴灌以及微灌等，在保證作物正常生長的前提下，可以將用水量控制在最佳數值，獲得最佳的經濟效益。

結語

田間節(jié)水灌溉技術推廣選擇的方向，既要符合灌區(qū)的實際又要符合我國國情。應用節(jié)水型農業(yè)灌溉技術是今后發(fā)展的必然趨勢，研究自動化控制灌溉用水量是發(fā)展節(jié)水農業(yè)的先決條件。二十一世紀是信息化時代!傳統(tǒng)的農業(yè)必將和現(xiàn)代的控制技術與信息技術和生物技術相結合!到那時!我們就可以看到農業(yè)生產的全盤自動化了。

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