自動控制在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用與研究

柏大團(tuán)　孫佃亮　邱鳳翔

摘 要：系統(tǒng)討論了自動化控制節(jié)水灌溉技術(shù)在特色水果園區(qū)的應(yīng)用，一方面，通過自動化控制，以實現(xiàn)土壤水分控制，對水資源的實施精確計量，為按方收費(fèi)提供依據(jù)，促進(jìn)用水觀念更新；另一方面，通過集中管理，加強(qiáng)控制，按時按需供水，嚴(yán)格控制灌溉用水量，達(dá)到節(jié)水用水目的。系統(tǒng)主要由土壤水分檢測傳感器、大棚數(shù)據(jù)采集和控制模塊、管理主機(jī)組成。使用土壤濕度傳感器、管理主機(jī)等采集、管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了節(jié)水灌溉技術(shù)的自動化控制與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：B/S；水分檢測；土壤水分自動控制；

中圖分類號：S275；TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）04-0047-06

灌溉是自然降水的補(bǔ)充，它可以彌補(bǔ)降雨量的不足與降水時空的不均，是保證作物生長的重要措施。以往的灌溉系統(tǒng)，由于配套設(shè)施不完備，只能采用大水漫灌或人工灑水的方式，不但造成水資源的浪費(fèi)，且由于難以控制水均勻度，易造成過量澆水或灌溉不足的現(xiàn)象，對植物的生長非常不利。

我國水資源短缺，水資源人均占有量僅為世界人均水量的1/4，加上時空分布很不均勻，造成我國水旱災(zāi)害頻繁。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)業(yè)用水量約為總用水量的80%，水資源的利用率僅為45%，利用率十分低下，與此同時，發(fā)達(dá)國家的水資源利用率則高達(dá)70%～80%。因此，盡快改進(jìn)灌溉措施，提高水資源的利用率，是我們目前急需解決的問題。我們以贛榆縣特色水果產(chǎn)業(yè)園為例，探討自動控制在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用。

園區(qū)地處贛榆縣西北部丘陵山區(qū)，占地3 000畝，主要負(fù)責(zé)果苗的培育和果樹的種植。園區(qū)內(nèi)有種苗培育大棚和果樹種植基地，主要包括種苗繁育中心，藍(lán)莓種植基地、黑莓種植基地、黃桃種植基地、獼猴桃種植基地、蘋果梨種植基地，等等，其中種苗繁育中心是最核心的部分。歷來育苗是水果生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，果樹育苗期生長的好壞關(guān)系到以后收成的多少。完善的育苗技術(shù)可以使果樹縮短營養(yǎng)生長期，提早收益，達(dá)到早產(chǎn)，豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。由于果苗對生長環(huán)境要求比較嚴(yán)格，因此，需要嚴(yán)格調(diào)控果苗生長環(huán)境因素。其中土壤水分控制是耗時耗力的環(huán)節(jié)，一旦控制不好，對果苗培育有較大影響。目前市場上有一些針對溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，只能進(jìn)行簡單的監(jiān)測和報警，不能及時地控制和調(diào)節(jié)相應(yīng)環(huán)境參數(shù)，仍然需要大量的人力物力。為了解決這個問題，我們提出一種基于B/S結(jié)構(gòu)的土壤水分自動控制和管理系統(tǒng)。使用光纖遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)信號，將大棚內(nèi)若干監(jiān)測點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)匯聚并處理，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心服務(wù)器，解析后存入SQL server2005數(shù)據(jù)庫中。另外，管理主機(jī)中的主服務(wù)程序可以通過控制電子閥門開閉，主要采用滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水灌溉四種灌溉方式，對土壤水分自動調(diào)節(jié)。整個園區(qū)采用自動控制系統(tǒng)，在分干管的放水孔口設(shè)置電磁閥和信號收發(fā)設(shè)備，通過電纜傳輸?shù)奖梅績?nèi)的控制中心，控制中心根據(jù)需水的孔口數(shù)量確定打開電磁閥的個數(shù)，自動或手動開機(jī)灌溉，將大大降低了園區(qū)工作人員的勞動強(qiáng)度。

1 方案設(shè)計

鑒于園區(qū)面積過大，而且基于B/S結(jié)構(gòu)的土壤水分自動控制和管理系統(tǒng)此前只是在計算機(jī)上進(jìn)行過模擬操作。因此，我們優(yōu)先選取種苗繁育中心進(jìn)行試點(diǎn)，符合預(yù)期后將在全園區(qū)內(nèi)運(yùn)用此項系統(tǒng)進(jìn)行管理工作。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

種苗繁育中心現(xiàn)有大棚十個，基于系統(tǒng)設(shè)計，需要對選取的種苗繁育中心大棚進(jìn)行全面監(jiān)測，每一監(jiān)測點(diǎn)可以監(jiān)測面積40平米左右，育苗中心大棚普遍占地16m×20m，為了滿足整個大棚的土壤水分檢測，又能保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性，我們將大棚的土壤水分監(jiān)測區(qū)域分為8塊，每塊的面積為5m×8m，選擇合適位置，將土壤水分含量傳感器埋入10～20cm土層中，整個育苗中心共計設(shè)立50監(jiān)測點(diǎn)以滿足系統(tǒng)需要。為了讓土壤水分采集更為精確，我們在每個監(jiān)測點(diǎn)安裝土壤水分監(jiān)測傳感器，實時采集大棚內(nèi)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)焦芾碇鳈C(jī)的自動處理系統(tǒng)。

土壤水分自動控制系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由管理主機(jī)、大棚數(shù)據(jù)采集和控制模塊、土壤水分傳感器構(gòu)成。主要任務(wù)是自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的土壤水分，使其保持在適宜作物生長的最佳值。首先由管理主機(jī)定時發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令到大棚監(jiān)測點(diǎn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；控制模塊將采集到的最新土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)返回到管理主機(jī)；由管理主機(jī)內(nèi)的主服務(wù)程序處理后存儲到SQL server2005 中；與預(yù)先設(shè)置的土壤水分上下限值進(jìn)行比較判斷。當(dāng)某個大棚土壤水分指標(biāo)超出預(yù)設(shè)的范圍時，管理主機(jī)會向相應(yīng)大棚的控制模塊發(fā)送閥門開或閉的指令，控制電子閥門開閉。

1.2 土壤水分傳感器

受土壤的理化性狀、地形的差異作用、氣候變化和人為的土壤管理措施等因素的影響，土壤水分狀況亦有不同的表現(xiàn)特征。為確保數(shù)據(jù)的可靠與準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用KM2901M FDR高精度四探針土壤水分傳感器（如圖2）來實時探測大棚內(nèi)土壤水分。該傳感器采用世界先進(jìn)的最新FDR原理制作，其性能和精度可與TDR型和FD型土壤水分傳感器相媲美，是一種四探針結(jié)構(gòu)高精度、高可靠性、受土壤質(zhì)地影響不明顯的快速土壤水分測量傳感器， 在可靠性與測量速度上具有更大的優(yōu)勢；可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)，對表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測和在線測量，并實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，因此也叫農(nóng)田墑情檢測儀。KM2901傳感器在工作中通常采用4-20mA、0-5V或RS485多種工業(yè)通用接口，可直接接入各種顯示儀表，實現(xiàn)土壤水分監(jiān)測；與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可對土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測或移動測量。

KM2901M土壤水分傳感器具有以下特點(diǎn)：

（a）加長四探針結(jié)構(gòu)，精度高，響應(yīng)速度快；

（b）采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼探針，強(qiáng)度高，永不生銹；

（c）測試方便，可以直接插入土壤，也可以埋于土中；

（d）防水防塵，可以直接置于泥水中長期使用；

（e）品種多，接口全，高性價比。

KM2901M土壤水分的性能指標(biāo)如表格1所示。

1.3 節(jié)水灌溉方式和水分自動控制

1.3.1 灌溉方式

整個園區(qū)內(nèi)實行節(jié)水灌溉模式，主要采用滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水四種方式。比如種植基地內(nèi)植株比較稀疏，主要采取滴灌和低壓管道輸水相結(jié)合的灌溉方式；而育苗中心主要從事育苗任務(wù)，植株多而密，且多是幼苗，主要采用噴灌方式進(jìn)行灌溉。因為我們此次只在育苗中心進(jìn)行試點(diǎn)，因此，只考慮噴灌方式。噴灌是用噴灌設(shè)備，給水施加一定壓力，從噴頭噴射到空中，形成細(xì)小的水滴，均勻的噴灑到土壤表面，為植物正常生長提供必要水分的灌溉方式。與傳統(tǒng)的地面灌水方法相比較，節(jié)水灌溉具有節(jié)水、節(jié)能、省工等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的智能溫室多采用懸掛式自動噴灌系統(tǒng)，主要由國外的噴灌機(jī)，配以國產(chǎn)軌道和水泵、輸水管組成。這些溫室自動噴灌機(jī)，基本功能都是固定的，無法根據(jù)用戶的需要來定制和增減；控制器隨噴灌機(jī)行走，在噴灌過程中難以進(jìn)行控制。同時測定土壤含水量的方法，從傳統(tǒng)的烘干法、電測法，到現(xiàn)代的核技術(shù)手段，種類繁多，各有所長，但都不盡如人意。與傳統(tǒng)的智能溫室采用的噴灌方式相比，本次設(shè)計引進(jìn)了先進(jìn)的設(shè)計理念和灌溉方式，用KM2901M型土壤水分傳感器自動檢測土壤水分，通過大棚數(shù)據(jù)采集和控制模塊發(fā)送至管理主機(jī)中，由主服務(wù)程序進(jìn)行分析，與主機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，判斷土壤含水量的多少，控制電子閥門對作物進(jìn)行研究噴水灌溉，使整個種植區(qū)的土壤水分維持在一個適合作物生長的合理的范圍內(nèi)。

1.3.2 水分自動控制

①數(shù)據(jù)采集，服務(wù)程序會定時發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令到數(shù)據(jù)采集和控制模塊，然后接收模塊返回的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析后存入SQLserver2005數(shù)據(jù)庫中。

②程序采用多線程技術(shù)，每個大棚的水分自動控制分別在一個線程中運(yùn)行，同時，運(yùn)行卻互不影響。每個線程定時分析對應(yīng)大棚的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，與管理人員設(shè)置的土壤水分上下限值進(jìn)行比較，判斷是否要向數(shù)據(jù)采集和控制模塊發(fā)送控制閥門開關(guān)指令。水分自動控制流程如圖3所示。

2 網(wǎng)頁設(shè)置和歷史數(shù)據(jù)

由于園區(qū)內(nèi)包含有許多水果品種，各種作物所需生長環(huán)境也各不相同，為便于區(qū)分，我們對所有大棚進(jìn)行系統(tǒng)的編號，并在管理系統(tǒng)軟件內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，每個大棚都有相應(yīng)的編號，大棚內(nèi)的作物也進(jìn)行了細(xì)分；并設(shè)置水分自動控制上下限值的功能，即采集到的數(shù)據(jù)都存儲在后臺SQLserver2005數(shù)據(jù)庫中，主服務(wù)程序根據(jù)管理人員設(shè)置的水分自動控制上下限判斷是否進(jìn)行電子閥門開關(guān)動作，以實現(xiàn)對園區(qū)的實時控制。網(wǎng)頁效果如圖4所示。在網(wǎng)頁中，我們可以設(shè)置對應(yīng)大棚的水分自動控制上下限值，選擇是否開啟水分自動控制。

基于B/S結(jié)構(gòu)的土壤水分自動控制和管理系統(tǒng)包含一個專門的控制網(wǎng)站，園區(qū)內(nèi)部通過局域網(wǎng)進(jìn)行訪問和共享；并通過專用服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與遠(yuǎn)程維護(hù)，在任何地方，只要有網(wǎng)絡(luò)，我們都可以通過專門途徑登錄控制系統(tǒng)網(wǎng)站，根據(jù)需要修改土壤水分自動控制數(shù)據(jù)。另外網(wǎng)站提供了歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可以根據(jù)大棚編號，開始和截止時間查詢，查詢結(jié)果使用表格顯示，并且可以打印保存，效果如圖5所示。另外，控制網(wǎng)站還包含其他功能，比如遠(yuǎn)程閥門控制，實時視頻查看功能等。

3 水分自動控制效果驗證

我們選取獼猴桃育苗大棚自動控制效果進(jìn)行驗證，通過自動管理系統(tǒng)對育苗中心獼猴桃育苗大棚的土壤水分進(jìn)行監(jiān)測，測得的數(shù)據(jù)如表2所示：

根據(jù)獼猴桃生長習(xí)性與生長環(huán)境，土壤水分低于70%，獼猴桃生長萎靡不振，枝葉出現(xiàn)卷縮現(xiàn)象；土壤水分高于90%，植株出現(xiàn)澇黃現(xiàn)象。水分在70%～90%之間，植株生長旺盛，枝葉強(qiáng)壯。因此，上下限分別設(shè)為70%與90%。從表2中可以看到，在9：00～17：00之間，系統(tǒng)采集到的的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，土壤水分在70%到90%之間，最大和最小值均沒有超出預(yù)設(shè)范圍。這表明，該系統(tǒng)能夠自動的對土壤水分進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過在育苗中心的試點(diǎn)，基本實現(xiàn)節(jié)水灌溉的自動化控制，取得相對準(zhǔn)確可信的成果。后續(xù)可以將此管理系統(tǒng)在整個園區(qū)內(nèi)展開，一來可以對水資源的使用實施精確計量，為按方收費(fèi)提供依據(jù)，促進(jìn)用水觀念更新；另外，本系統(tǒng)可以根據(jù)不同的作物，不同的季節(jié)，不同的地域，制定不同的控制策略，集中管理，加強(qiáng)控制，按時按需供水，嚴(yán)格控制灌溉用水量，達(dá)到節(jié)水用水目的。尤其在干旱缺水地區(qū)可以大范圍推廣，實現(xiàn)科學(xué)種植，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)利益。

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責(zé)任編輯 祁秀春