“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成應(yīng)用與思考

陳駿

為探索行之有效的節(jié)水途徑和措施，近年來，我國相關(guān)部門和科研機構(gòu)開始研究推廣節(jié)水灌溉以及精量施肥技術(shù)。2016年江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心承擔“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成示范平臺建設(shè)項目，依托江蘇現(xiàn)代農(nóng)機科技示范園區(qū)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，開展“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成研究?，F(xiàn)結(jié)合項目實施情況，就該技術(shù)集成應(yīng)用推廣提出思考。

1 項目實施情況

1.1 “互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成內(nèi)容

該技術(shù)通過硬件設(shè)備控制、云端服務(wù)器的軟件處理，將以環(huán)境傳感器技術(shù)為代表的智能感知系統(tǒng)、以ZigBee協(xié)議技術(shù)為代表的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為代表的運維管理系統(tǒng)、以軟件與終端遠程控制為代表的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)、以電路控制系統(tǒng)為代表的取水系統(tǒng)、以7種各具特點的微噴滴灌終端部為代表的灌溉系統(tǒng)，集成為一套具有自動感知、自動動作、自動維護的灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化遠程灌溉管理。圖1為“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成平臺組成。

圖1 “互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)集成平臺組成

1.1.1 環(huán)境感知系統(tǒng)

在環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)置土壤和大氣環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，檢測土壤濕度和大氣溫度等環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)預(yù)留了備用數(shù)據(jù)接口，可供拓展傳感器數(shù)據(jù)接入，以便更加細致地感知環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，還設(shè)置了視頻監(jiān)視點，實時傳輸現(xiàn)場畫面，實時監(jiān)控工作狀態(tài)。

1.1.1.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器、土壤墑情傳感器、土壤含水量傳感器，主要用來測量土壤容積含水量，監(jiān)測土壤墑情及灌溉濕度，具有簡便安全、快速準確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標定等優(yōu)點。

1.1.1.2 光照傳感器

光傳感器是LUX-485環(huán)境光傳感器，它采用modbus協(xié)議，器件工作電流小，功耗低，測量范圍寬。片上光電二極管的光譜響應(yīng)針對人眼對環(huán)境光的響應(yīng)進行優(yōu)化，集成紅外線及紫外線屏蔽。自適應(yīng)增益電路可自動選擇正確的流明范圍優(yōu)化測試。

1.1.1.3 溫度傳感器

該項目采用MF53系列NTC熱敏電阻溫度傳感器，將高精度的NTC熱敏電阻器與PVC導(dǎo)線、鐵氟龍導(dǎo)線等導(dǎo)線連接，用絕緣、導(dǎo)熱、防水材料封裝成所需要的形狀，便于安裝和遠距離測控溫。

1.1.1.4 CO2傳感器

采用MH-Z14A二氧化碳氣體傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測。該傳感器是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術(shù)與精密光路設(shè)計技術(shù)、精良電路設(shè)計技術(shù)緊密結(jié)合而制作出的高性能傳感器。

1.1.1.5 雨量傳感器

雨量傳感器用于防洪、供水調(diào)度及電站水庫水情管理。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

該項目采用Zigbee、WiFi、3G/4G/5G公網(wǎng)三種無線通信技術(shù)。

1.1.2.1 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee是一種新興的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。它通過標準化通訊協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離(10～100 m)的多設(shè)備自動組網(wǎng)功能，具有低功耗、低復(fù)雜度、低成本、超視距、高可靠性、高保密度的特點，可以靈活地嵌入各種設(shè)備，適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，是一種便宜、低功耗、自組網(wǎng)的近程無線通信技術(shù)。圖2為ZigBee組網(wǎng)形式。

1.1.2.2 Wi-Fi無線通信技術(shù)

Wi-Fi俗稱無線寬帶，是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號，具有設(shè)備兼容性高、傳輸數(shù)據(jù)快、數(shù)據(jù)保密性強、覆蓋范圍廣、功耗低的優(yōu)點，適用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.1.2.3 3G/4G/5G移動空中公網(wǎng)

移動無線通信技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，移動終端已經(jīng)可以直接接入到互聯(lián)網(wǎng)世界。依托移動通信運營商基站的建設(shè)和升級，移動無線傳輸覆蓋范圍不斷擴大，傳輸速率、抗干擾性能及數(shù)據(jù)保密性正在逐步提升，非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)控制的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.3 運維管理系統(tǒng)

運維管理系統(tǒng)主要通過計算機信息終端、移動終端（如手機）實現(xiàn)接收信息、修改設(shè)置灌溉設(shè)備的自動控制參數(shù)、遠程控制灌溉設(shè)備、查看視屏監(jiān)控等功能。

1.1.3.1 終端查看信息

通過計算機信息終端或移動終端（手機）接入運維管理系統(tǒng)，可查看示范點內(nèi)土壤濕度、光照、二氧化碳濃度、環(huán)境溫度、近期降水、設(shè)備實施狀態(tài)等信息，以供用戶決策參考。

1.1.3.2 終端修改設(shè)置參數(shù)

通過計算機信息終端或移動終端（手機）接入運維管理系統(tǒng)，可設(shè)置自動控制參數(shù)。根據(jù)設(shè)定的溫度值，自動開啟或閉合濕簾風機、霧化噴淋等設(shè)備，達到干預(yù)環(huán)境條件的目的。

1.1.3.3 手動控制各項設(shè)備

通過計算機信息終端或移動終端（手機）接入運維管理系統(tǒng)，可最大程度地實現(xiàn)用戶對設(shè)備及環(huán)境條件的自主控制。

1.1.4 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

圖2 ZigBee的組網(wǎng)形式

通過電氣控制柜實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的本地操作以及自動遠程控制?？刂乒駜?nèi)的CPU處理模塊會根據(jù)用戶設(shè)定的各項參數(shù)，對比感應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)各傳感器設(shè)備反饋的環(huán)境數(shù)據(jù)。當環(huán)境數(shù)據(jù)超過或低于設(shè)定值時，相應(yīng)設(shè)備會進行自動化控制。

1.1.5 取水過濾加工系統(tǒng)

為了更好地滿足灌溉用水需求，該系統(tǒng)設(shè)置了水體處理系統(tǒng)、自動維護系統(tǒng)和水路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

1.1.5.1 水體處理系統(tǒng)

取自自然水體的原水雖然富含養(yǎng)分，但難免摻雜水藻、砂石等雜質(zhì)。水體處理系統(tǒng)可將原水送入自動反沖洗砂石濾罐，過濾雜質(zhì)顆粒。經(jīng)過濾處理后的水經(jīng)過泵房進出水轉(zhuǎn)換裝置直接送達噴滴灌首部。在水泵和自動反沖洗砂石濾罐之間還安裝了比例施肥器（含施肥桶、攪拌泵），能確保富含養(yǎng)分的水體可以順利通過微噴滴灌設(shè)備布灑到農(nóng)作物上。

1.1.5.2 自動維護系統(tǒng)

為有效過濾自然水體中的雜質(zhì)，砂石過濾器設(shè)置為2個1組。在過濾狀態(tài)下，當過濾器前后壓力差大于0.1 Mpa時,反沖洗控制器會給出信號，啟動三通閥工作，實現(xiàn)對過濾器的反沖洗，確保過濾器不被堵塞，正常工作。圖3為反沖洗自動控制示意圖。

1.1.5.3 泵房水路轉(zhuǎn)換

考慮到旱季缺水及取水地因維修清理無法正常取水等極端情況，以及系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)溫室、濕簾池、噴滴灌、綠化等不同水質(zhì)需求，泵房在設(shè)計時預(yù)留了自來水供水路徑，建有水路轉(zhuǎn)換裝置。通過該套控制裝置，可以實現(xiàn)模式切換功能。

1.1.6 微噴滴灌終端部

在園區(qū)內(nèi)共布置了7種各具代表性的微噴滴灌首部，包括倒懸微噴（吊掛式微噴頭）、地插微噴（半徑1 m全圓噴灑微噴頭）、射線噴灌（散射噴頭）、滴灌（壓力補償式滴頭）、微噴帶、滴箭（壓力補償式滴箭）及搖臂噴頭固定噴灌（半徑5 m）。

1.1.6.1 倒懸微噴

倒懸微噴又稱吊掛式微噴、懸掛式吊噴或懸吊式微噴。這種微噴具有倒置安裝的特點，具有防滴器（也稱止漏閥），可有效防止停噴后管道中充水滴漏傷苗現(xiàn)象，適用于溫室大棚中的花卉、蔬菜的灌溉。

1.1.6.2 地插微噴

地插微噴也稱插桿式微噴，微噴頭可任意設(shè)置和拆卸，噴頭噴灑穩(wěn)定，可360°全圓噴灑，水量分布均勻。它與懸吊式微噴是同一類噴頭，只不過是安裝方式不一樣。

1.1.6.3 射線微噴

射線微噴是固定微噴的一種，多使用進口或國產(chǎn)專用地埋噴頭。固定時，與草坪地面平齊；工作時，在水壓作用下，噴頭伸出草坪進行噴灌；停止噴灌時，由于水壓降低，噴頭又縮回草坪中?？梢罁?jù)草坪面積和地形選用不同的噴射半徑。

1.1.6.4 滴箭滴灌

滴箭是一種穩(wěn)流集束式滴箭組，由分水器、發(fā)絲管和滴箭組成。分水器的出水口與發(fā)絲管一端連接，發(fā)絲管另一端連接配有箭套的滴箭。滴箭流道采用迷宮型紊流流道，能有效減壓，確保下水均勻，使水沿著插桿的流道流動，避免沖刷土壤或基質(zhì)。滴箭常與壓力補償式滴頭聯(lián)用。

圖3 反沖洗自動控制示意圖

1.1.6.5 微噴帶噴灌

微噴帶是一種新型微灌設(shè)備，又稱“噴灌帶”“微噴帶”“噴水帶”“噴水管”“多孔軟管”等。微噴帶作業(yè)原理是用壓力將水經(jīng)過輸水管和微噴管帶送到田間，經(jīng)過微噴帶上的出水孔，在重力和空氣阻力的作用下，形成細雨般的噴灑。

1.1.6.6 滴灌

滴灌是按照作物需水要求，通過低壓管道系統(tǒng)與安裝在毛管上的灌水器，將水和作物需要的養(yǎng)分一滴一滴、均勻而又緩慢地滴入作物根區(qū)土壤中的灌水方法。滴灌的主要特點是灌水量?。ü嗨髅啃r流量為2～12 L），一次灌水延續(xù)時間較長，灌水的周期短，可以做到小水勤灌；同時，需要的工作壓力低，能夠較準確地控制灌水量，可減少無效的棵間蒸發(fā)，不會造成水的浪費；另外，滴灌還能自動化管理。

1.1.6.7 固定式搖臂噴灌

固定式噴灌除噴頭外，其余設(shè)施均固定不動，干、支管道常埋設(shè)在土層內(nèi)，噴頭可作圓形或扇形射線微噴，噴灌操作簡便，作業(yè)效率高，便于自動控制。

2 項目實施的成效

2.1 實際使用效果

設(shè)備投入使用后，江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心白馬基地示范點的農(nóng)作物灌溉已基本實現(xiàn)自動化遠程控制；同時，對于灌溉用水的要求也大大降低。通過實時監(jiān)測土壤環(huán)境，配合使用噴滴灌設(shè)備，基本能夠做到按作物生長需要補充水分。設(shè)置在灌溉系統(tǒng)中的比例施肥器能夠有效防止農(nóng)田過度施肥現(xiàn)象。通過天氣檢測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合當?shù)貧庀蟛块T的氣象預(yù)報，可適時調(diào)整施肥時間，避免因降水導(dǎo)致的肥水流失，減少水體污染。

2.2 示范宣傳效果

該套系統(tǒng)投入使用后，產(chǎn)生了較好的農(nóng)機化示范宣傳效果。自項目建設(shè)開始至投入運行的近三年時間里，江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心通過組織周邊農(nóng)戶觀摩、合作院校實地教學、友鄰單位參觀交流等形式，積極宣傳“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”集成技術(shù)，對推進設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了示范帶動作用。

3 技術(shù)推廣應(yīng)用思考

3.1 技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”集成技術(shù)自動化程度高、操控便捷，但技術(shù)應(yīng)用條件較高。

3.1.1 建設(shè)成本高

該技術(shù)平臺依賴于系統(tǒng)的科學設(shè)計、優(yōu)質(zhì)建設(shè)。這樣一套完善的系統(tǒng)對建設(shè)工藝以及系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的質(zhì)量水平和工作穩(wěn)定性要求較高，投入成本也較高。這是制約該技術(shù)推廣的首要問題。

3.1.2 使用技術(shù)要求高

“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”系統(tǒng)集成了大量電器控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，操作使用主要是通過電腦終端、移動終端（手機）、控制柜進行，對使用者技術(shù)水平要求較高。

3.1.3 智能化水平有待進一步提高

目前的“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”系統(tǒng)尚處于環(huán)境感知、通過網(wǎng)絡(luò)控制手段實施自動化工作的水平，尚不能對感知的數(shù)據(jù)加以分析。

3.2 對策與建議

3.2.1 細化建設(shè)標準

可以根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)的適用范圍，按照不同技術(shù)應(yīng)用需求，制定相應(yīng)的噴滴灌系統(tǒng)建設(shè)標準。例如：在研究制定適用于經(jīng)濟價值高、需要精細化管理作物的噴滴灌系統(tǒng)建設(shè)標準時，要著力于實現(xiàn)精細化控制，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)；在研究制定適用于低價值、大面積生產(chǎn)作物的噴滴灌系統(tǒng)建設(shè)標準時，要在滿足農(nóng)作物生長需要的同時，側(cè)重于節(jié)約種植管理成本。

3.2.2 注重社會生態(tài)效益

在“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”技術(shù)推廣應(yīng)用過程中，應(yīng)進一步規(guī)范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料、農(nóng)藥使用，使農(nóng)戶生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品能夠達到有機食品的標準，把社會生態(tài)效益轉(zhuǎn)變成實實在在的經(jīng)濟效益。

3.2.3 加強政策引導(dǎo)

由于“互聯(lián)網(wǎng)+微噴滴灌”系統(tǒng)建設(shè)成本高，推廣難度比較大，建議政府相關(guān)部門給予政策扶持和資金補助，調(diào)動農(nóng)機企業(yè)和用戶的積極性，形成多方合力，促進新技術(shù)新機具的推廣應(yīng)用。

3.2.4 做好智能化的技術(shù)準備

應(yīng)盡早謀劃農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、存儲與處理，為技術(shù)的智能化發(fā)展做好準備。