數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)在日光溫室的應用

李慧勇

(山西省水利水電科學研究院,山西太原 030002)

以美國為代表的發(fā)達國家于上世紀 90年代就已經(jīng)開始了將信息技術與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合的數(shù)字農(nóng)業(yè)研究,而在我國還處于初級階段。數(shù)字農(nóng)業(yè)的重點在發(fā)展節(jié)水、節(jié)肥數(shù)字農(nóng)業(yè)技術體系和發(fā)展精細設施農(nóng)業(yè)技術。水資源短缺是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素,農(nóng)業(yè)灌溉用水面臨的主要問題是仍然為粗放型灌溉。一味的追求高產(chǎn),只會造成資源浪費、作物品質(zhì)不斷下降和對環(huán)境的污染。通過數(shù)字農(nóng)業(yè)可以解決這些傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)弊端,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到和諧發(fā)展。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)不僅可以提高農(nóng)田灌溉效率、在一定程度上可以減少病蟲害,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,同時降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國,數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)作為一種先進而又高效的灌溉方式有著很大的市場需求。

1 數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)簡介

由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展,對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預報,實際動態(tài)管理,采用土壤水分傳感器來監(jiān)測土壤墑情,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉管理自動化。精細地面灌溉和高效農(nóng)業(yè)就要求我們必須提高水資源的利用率。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)是利用傳感器技術、自動控制技術、計算機技術等多種高新技術組建而成的,包括土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)自動采集器、數(shù)據(jù)傳輸設備等軟件的開發(fā)和硬件的配置,實現(xiàn)了對不同作物土壤墑情自動監(jiān)測與精準灌溉管理自動化。

1.1 數(shù)字自控灌溉硬件系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)硬件部分由中央控制計算機、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)自動采集器、數(shù)據(jù)傳輸設備、自動控制技術等對土壤水分進行全面自動化監(jiān)控和灌溉的自動控制。

為了對灌溉水量做到精量控制,給試驗提供可靠的、精確的數(shù)據(jù),我們在灌溉管路中安裝了脈沖式電子計量水表和尼爾森直吸式電磁閥,同時通過模塊對數(shù)據(jù)進行采集。做到每個試驗小區(qū)都可以精量灌溉。

1.2 數(shù)字自控灌溉軟件系統(tǒng)

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)軟件部分由遠程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及遠程監(jiān)測終端組成,可以實時顯示土壤水分狀態(tài),將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、傳輸、分析運算等處理,及時、準確地提供土壤水分的變化情況。并按照一定的控制算法進行實時決策,產(chǎn)生控制指令并輸出控制信號,從而實現(xiàn)灌溉的自動控制。在整個數(shù)字自控灌溉系統(tǒng)中,我們選用泓格控制模塊,能為整個系統(tǒng)提供實時通信和數(shù)據(jù)采集儲存。

1.3 數(shù)字自控灌溉系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)示范區(qū)灌溉的信息采集、信息處理和實時控制。系統(tǒng)灌溉過程既可手動控制又可自動控制,自動控制可根據(jù)灌溉計劃進行定時控制,也可根據(jù)土壤水分條件進行控制。

系統(tǒng)的工作原理是由傳感器感測現(xiàn)場的環(huán)境變量,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并與計算機進行通信,計算機將采集的實時數(shù)據(jù)進行計算處理,并按照一定的控制算法進行實時決策,產(chǎn)生控制指令并輸出控制信號,從而實現(xiàn)灌溉的自動控制。

自動化精量灌溉操作分三種形式：手動灌溉控制、時序灌溉控制、按需灌溉控制。手動可以打開一個電磁閥或關閉一個處于打開的電磁閥,開閉電磁閥可按時間的長短來設置,也可按流量的多少來設置,設置好后點擊所需的電磁閥,確認無誤即可進行灌溉。時序控制灌溉方式可以對電磁閥進行隨意編組和排列順序,對一組或一個電磁閥定時或定量控制。按需灌溉方式是通過實時測量每個區(qū)域的土壤含水量與設置土壤含水量的限值的比較來進行灌溉的,也就是該區(qū)域的土壤含水量低于預設的下限值時,打開對應的電磁閥進行灌溉,當土壤含水量達到預設的上限值時即關閉電磁閥。

其它功能有灌溉歷史曲線、報警信息、數(shù)據(jù)報表、幫助信息等,這些功能可以一目了然的觀測土壤含水量以及曲線趨勢;各類事件和報警信息;系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)報表及歷史數(shù)據(jù)報表;查看關于系統(tǒng)的使用說明和相關幫助。

2 數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)在日光溫室的應用

根據(jù)試驗的要求和針對不同示范區(qū)的作物種植情況、作物灌溉制度、種植模式,我們基于力控組態(tài)軟件和泓格組件控制模塊開發(fā)了適于日光溫室大棚經(jīng)濟作物的自控灌溉系統(tǒng),同時根據(jù)大棚經(jīng)濟作物,對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性進行校驗,對系統(tǒng)灌溉參數(shù)率定。

2.1 試驗區(qū)基本情況

在我院高效節(jié)水示范基地日光溫室大棚內(nèi)進行了微噴種植西紅柿的試驗。該溫室大棚采用相應的傳感器分別將溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、土壤濕潤度等信息通過智能傳感器變送模塊傳入數(shù)據(jù)采集控制器中,由控制器根據(jù)內(nèi)置的控制邏輯和方法對溫室的天窗,遮陽系統(tǒng),強制降溫系統(tǒng)等設備進行相應的控制,從而實現(xiàn)無人值守,大幅度提高管理水平,降低管理成本,提高生產(chǎn)效率。是理想的試驗場所。

2.2 試驗處理設置

本試驗設置處理兩個,處理一根據(jù)土壤墑情與灌溉預報結(jié)果,通過數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)和智能控制灌溉軟件,進行按期、按需、按量自動供水。處理二采用常規(guī)灌溉,即根據(jù)農(nóng)戶的灌溉習慣來灌溉。除灌溉時間和灌溉數(shù)量有差別外,其余栽培方式、施肥等都相同。

處理一中在西紅柿根系層 0～20 cm、20～50 cm深處埋設土壤水分傳感器,根據(jù)西紅柿全生育期的需水要求以及土壤類型來設置土壤含水量的上下限值,土壤平均含水率下限根據(jù)土壤有效含水率確定,土壤平均含水率上限根據(jù)非充分灌溉原理確定,當土壤含水率下限達到 15.6%(占土壤田間持水量的 65%)時,需要灌溉。上限達到 21.6%(占土壤田間持水量的 90%)時,停止灌溉。當土壤水份傳感器實時監(jiān)測的土壤分層含水量的平均值低于預設的下限值時,打開對應的電磁閥進行灌溉,當實時監(jiān)測的土壤含水量達到預設的上限值時即關閉電磁閥,一次灌溉完成,從而實現(xiàn)自動精準灌溉。

3 應用效果

3.1 經(jīng)濟效益

采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)不僅能省水、省時,而且增產(chǎn),減少病蟲害的發(fā)生,提高西紅柿的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.1.1 增收

處理一全生育期產(chǎn)量達到 5 800 kg?畝,而處理二的全生育期產(chǎn)量只有 4 900 kg?畝,采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)全生育期產(chǎn)量可提高 15.51%。

3.1.2 節(jié)水

處理一灌水次數(shù)雖然略多于處理二,但是總的灌溉時間和灌溉定額是少于處理二的,從整個生育期灌溉控制系統(tǒng)輸出的結(jié)果可以看出,采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)水產(chǎn)比增加15.75%,畝節(jié)水 23m3。 見表 1。

表1 不同處理節(jié)水增效情況對比表

3.1.3 節(jié)工效益

采用數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng),根據(jù)作物生長需要自動灌溉,按一次灌溉節(jié)約 2工日計算,全生育期可以節(jié)工 14工日,每工日按 50元計算,則節(jié)工效益為 1 400元。

3.2 社會效益和生態(tài)效益

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)的應用減少了大量的無效的水量消耗,提高了灌溉水利用率,緩解了農(nóng)田灌溉用水緊張局面,節(jié)約和保護了當?shù)赜邢薜乃Y源,對水資源可持續(xù)利用,創(chuàng)造良好的水環(huán)境具有重要的作用。對解決當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增產(chǎn)和增收、產(chǎn)量與品質(zhì)、高效和可持續(xù)發(fā)展等問題起到積極的促進作用,具有可觀的社會和生態(tài)效益。

3 結(jié)論

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)可以按時、按需、按量進行灌溉,實現(xiàn)水資源的高效利用。但其投入較高、對試驗人員的要求比較嚴格,大面積的推廣還有一定的困難。

數(shù)字農(nóng)業(yè)自控灌溉系統(tǒng)的應用可以提高單位水分生產(chǎn)率,單位面積產(chǎn)量,減輕或避免化肥、農(nóng)藥流失、揮發(fā)而造成的流域水環(huán)境和土壤環(huán)境的污染,代表著我國未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。