丘陵茶園物聯(lián)網(wǎng)霧灌系統(tǒng)設(shè)計實踐與技術(shù)應(yīng)用＊
——以宜賓市翠屏區(qū)明威鄉(xiāng)燕山村茶園信息化霧灌項目為例

□周小波 楊建國 唐波 盧珍 李光輝 羅清 郭躍生 胡志國

/1.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院 2.宜賓市翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局

丘陵茶園物聯(lián)網(wǎng)霧灌系統(tǒng)設(shè)計實踐與技術(shù)應(yīng)用＊
——以宜賓市翠屏區(qū)明威鄉(xiāng)燕山村茶園信息化霧灌項目為例

□周小波1楊建國1唐波1盧珍1李光輝1羅清2郭躍生2胡志國2

/1.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院 2.宜賓市翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局

文章介紹了宜賓市翠屏區(qū)明威鄉(xiāng)燕山村茶園，依托四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院科研人才力量，在分析該區(qū)域自然基本情況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，對人工造霧方式進行了選擇，采用丘陵山區(qū)灌溉控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，改善了低山茶園氣候條件，提高了茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量。

茶園霧灌，遠程無線控制

1 項目概況

宜賓市翠屏區(qū)自然條件優(yōu)越，土壤、氣候等條件適宜發(fā)展早茶。截至2015年底，全區(qū)的生態(tài)早茶總面積達到6 666.67 hm2， 投 產(chǎn) 面 積 3 000.00 hm2，總產(chǎn)量達到3 260 t，實現(xiàn)產(chǎn)值3.165億元，茶葉產(chǎn)業(yè)綜合產(chǎn)值近22億元[1]。環(huán)金秋湖一帶是翠屏區(qū)規(guī)劃的北域早茶基地，包括邱場鎮(zhèn)、明威鄉(xiāng)、金坪鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的7個村，燕山村就在該區(qū)域內(nèi)，規(guī)劃面積70 hm2。該區(qū)域是典型的低山淺丘地形，由多個山頭組成，最高點海拔為364 m，最低點海拔為315 m。為了改善低山區(qū)茶園氣候條件，為茶樹提供適宜的濕度條件，2013年起，翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局牽頭，在園區(qū)內(nèi)建成了管道固定式霧灌系統(tǒng)，收到了較好的效果。2016年，翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局提出，要在總結(jié)已實施項目經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進一步提升霧灌系統(tǒng)的造霧效果，減少管道系統(tǒng)對茶園機械化作業(yè)的影響；要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與霧灌系統(tǒng)有機結(jié)合，提升系統(tǒng)的裝備水平。受翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局的委托，四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院承擔(dān)了該項目霧灌系統(tǒng)的設(shè)計工作，在多方案比較的基礎(chǔ)上，選擇將送風(fēng)噴霧機與物聯(lián)網(wǎng)灌溉控制系統(tǒng)相結(jié)合，較好地解決了丘陵地區(qū)地形復(fù)雜、管道鋪設(shè)困難、信號線安裝復(fù)雜等工程技術(shù)難題，達到了較好的效果。

2 造霧方式

茶樹有機體中90%～95%的干物質(zhì)是靠光合作用合成的，紅光、黃光極易被茶樹吸收利用。隨著高度的增加，云霧、多雨日也相應(yīng)增多，漫射光較多，茶樹生長在含紅光、黃光較多的漫射光環(huán)境中，有利于氨基酸、維生素的形成，所產(chǎn)的茶葉芽嫩、葉肥、香味濃郁，因此，有“高山出好茶”的說法[2]。翠屏區(qū)明威鄉(xiāng)燕山村茶園海拔高度在315～364 m，要在淺丘地區(qū)生產(chǎn)出高品質(zhì)茶葉，通過人工造霧，改變區(qū)域小氣候是可行的辦法。為了減少管道安裝對茶園生產(chǎn)作業(yè)的影響，項目組通過多方案比較，確定采用風(fēng)送造霧機造霧。但是，常規(guī)的風(fēng)送造霧機霧滴直徑較大，和自然界形成的霧差別很大，因此，項目組需要重新對造霧系統(tǒng)進行設(shè)計。噴頭是造霧系統(tǒng)的核心部件之一，噴頭霧化指標(biāo)常用D50表示，即粒徑的顆粒累積體積占全部顆粒體積的50%，也稱體積中徑（VMD），是目前衡量霧滴直徑大小最常用的指標(biāo)。根據(jù)VMD的大小，將霧滴類型劃分為氣霧（＜50 μm）、中彌霧（50～100 μm）、細霧 （101～200 μm）、中等霧（＞400 μm）共5個等級[3]。自然界形成的霧，霧滴直徑在10～15 μm，常用的節(jié)水灌溉造霧設(shè)備很難將液態(tài)水制成氣霧。研究表明，在一定范圍內(nèi)，液體壓力與噴頭霧化效果正相關(guān)，噴嘴直徑對噴霧的效果作用則相反。為了達到比較好的噴霧效果，在進行該項目規(guī)劃設(shè)計前，項目組在實驗室進行了對比試驗，通過調(diào)節(jié)水泵的壓力、更換不同的噴頭，測定出了滿足該項目需求的噴頭形式和設(shè)計參數(shù)，從而為科學(xué)設(shè)計提供了依據(jù)。

3 控制系統(tǒng)

在完成風(fēng)送噴霧機的改進設(shè)計和工程布置之后，控制方式的選擇又是另一個難題。該片區(qū)茶園分布在大小不同的幾十個山頭，項目組把風(fēng)送噴霧機安裝在山頭和山脊線上。給各噴霧機供電，可以通過安裝多臺電力變壓器分片控制，分別采用地埋電纜供電。但由于項目所在地地形復(fù)雜、控制距離長、控制對象多，各風(fēng)送噴霧機的控制電纜和信號電纜不宜采用有線方式解決。在此情況下，用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就能很好地解決這個難題。物聯(lián)網(wǎng)的核心是：任何物件都擁有一個可以找到它的地址，任何物件都可以控制和通信，也就是全面感知和智能化處理與控制。物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個技術(shù)體系。其中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛”，其利用各類傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的采集和感知；網(wǎng)絡(luò)層則負責(zé)利用通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)信息的可靠傳輸；應(yīng)用層主要是進行信息的協(xié)同，為用戶提供服務(wù)[4]。項目組將每臺風(fēng)送噴霧機作為一個整體控制對象，將主水泵、水平旋轉(zhuǎn)電機、豎直擺動電機、數(shù)據(jù)采集部件等集中通過安裝在風(fēng)送噴霧機上的一臺PLC對所有開關(guān)動作進行管理，PLC與遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)交換，遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊利用GPRS將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)街醒肟刂剖业慕邮斩?。接收端通過數(shù)據(jù)處理，完成對特定對象的操作和數(shù)據(jù)采集等工作?？刂葡到y(tǒng)方案如圖1所示。

4 補水方式

風(fēng)送噴霧機安裝在山頭和山脊線上，每臺風(fēng)送噴霧機設(shè)置了一個取水池，在主取水池中安裝了一臺水泵，通過管道把每臺風(fēng)送噴霧機串聯(lián)起來，每個水池中安裝有液位傳感器，根據(jù)水位變化進行自動補水。供水泵采用變頻恒壓控制方式，根據(jù)管道壓力變化控制水泵運行，始終保持管網(wǎng)壓力在一定的范圍之內(nèi)，滿足不同高度和距離的風(fēng)送霧灌機補水需求。

圖1 控制系統(tǒng)方案圖

5 應(yīng)用效果

項目設(shè)計完成后，通過各方的共同努力，完成了全部設(shè)備的安裝調(diào)試，并交付使用，霧灌系統(tǒng)運行如圖2所示。運行效果：風(fēng)送霧灌機運行穩(wěn)定，造霧效果較理想；遠程控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制可靠，基本達到設(shè)計要求，但是機組噪音較大。其他學(xué)者的研究表明，在正常運行狀態(tài)下，氣動噪聲是風(fēng)機的主要噪聲之一，通常包括基頻噪聲（葉片通過頻率噪聲）、渦流噪聲、聲波疊加和反射形成的腔體共鳴噪聲等[5]。低壓軸流風(fēng)機的氣動噪聲以寬頻成分的紊流噪聲為主[6]。項目組設(shè)計了一個試驗，通過觀測在不同供電頻率條件下噪聲的變化，找到合理的風(fēng)機轉(zhuǎn)數(shù)值，在這個轉(zhuǎn)數(shù)條件下觀測噴頭的造霧效果和供水壓力的變化情況，以期找到更加合理的設(shè)備運行參數(shù)設(shè)置方案。性能改進測試試驗裝置的原理圖如圖3所示。

圖2 霧灌系統(tǒng)運行圖

圖3 性能改進測試試驗裝置原理圖

試驗裝置的變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機電機的供電頻率，調(diào)節(jié)范圍為10～50 Hz，調(diào)整頻率間隔為5 Hz。利用HS5633聲級計測定風(fēng)機在不同供電頻率條件下，側(cè)方位和進風(fēng)口的噪聲值，試驗數(shù)據(jù)如表1、圖4所示。

從表1、圖4數(shù)據(jù)可得，當(dāng)風(fēng)機供電頻率低于28 Hz時，能將機組噪音控制在65 dB（A）以下。此時，風(fēng)機的出口風(fēng)速較低，霧滴離開出風(fēng)口后能快速累積，集結(jié)成霧，但是成霧的范圍與工頻運行條件相比，大大縮小。

表1 風(fēng)機供電頻率與噪聲測試數(shù)據(jù)表

圖4 風(fēng)機供電頻率與噪聲測試曲線圖

6 結(jié)論

將風(fēng)送噴霧機與茶葉生產(chǎn)灌溉相結(jié)合，在低山區(qū)應(yīng)用人工造霧設(shè)施，能夠調(diào)節(jié)和改變區(qū)域間小氣候，為茶葉生長提供適宜的溫濕度條件。其他學(xué)者的研究表明，氣候條件的改變對茶葉產(chǎn)量提高和品質(zhì)提升有促進作用；在丘陵地區(qū)建設(shè)信息化灌溉系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)技術(shù)，信號線布設(shè)困難、故障隱患多，利用公共移動網(wǎng)絡(luò)，采用無線遠程控制方式，是可行的技術(shù)措施；由于氣動噪聲的存在難以避免，目前其他學(xué)者的研究也表明，通過技術(shù)手段降低風(fēng)機氣動噪音的效果有限，雖然采取降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速的辦法能比較有效地降低風(fēng)機噪聲，結(jié)合造霧系統(tǒng)的改進，能使造霧效果更理想，但卻降低了單臺風(fēng)送噴霧機的控制面積，要達到同樣的控制面積，需要增加風(fēng)送噴霧機的布設(shè)數(shù)量，會增加工程投資。

[1]何至偉,段波,范洋.宜賓市翠屏區(qū)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2016,1:7.

[2]華曉白,陳言照.福建省羅源縣氣候條件對當(dāng)?shù)夭枞~生長的影響分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2016,6（3）:56-57.

[3]胡桂琴,許林云,周宏平,崔業(yè)民.影響空心圓錐霧噴頭霧滴粒徑的多因素分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,33(2):133-136.

[4]韓貴黎,蔡宗慧.基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2017,12:215-218.

[5]趙忖,祁大同,毛義軍.離心風(fēng)機氣動噪聲控制的理論與實驗研究[J].風(fēng)機技術(shù),2013,6:23-34,40.

[6]徐宇峰,張杰,周邵萍,吳彥東.低壓軸流風(fēng)機的內(nèi)部渦流特性及氣動噪聲[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,40(02):262-266.

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目“西南丘陵旱地糧油作物節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥綜合技術(shù)集成與示范”（項目編號:20150312704）。