農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用策略

山東省鄄城縣左營(yíng)鎮(zhèn)政府 王新華

農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)，在為社會(huì)提供糧食資源、保障能源安全方面具有非常重要的作用。但是從實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)農(nóng)業(yè)仍然殘存著小農(nóng)經(jīng)濟(jì)的模式，規(guī)?；妥詣?dòng)化程度還不夠。而農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要舉措，不僅能提升農(nóng)業(yè)工作的效率，而且可以積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型。我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)雖然起步較晚，但近幾十年來(lái)也取得了很大的進(jìn)步。目前我國(guó)灌溉自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還不夠成熟，智能化程度也不高，很多農(nóng)村進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉仍然采取半自動(dòng)灌溉的方式[1]。而且農(nóng)村地區(qū)缺乏農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人才，在硬件基礎(chǔ)設(shè)施上還沒(méi)有形成完整的設(shè)備鏈。農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)可以憑借信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的精準(zhǔn)灌溉，從而有效避免了水資源的浪費(fèi)，促進(jìn)了農(nóng)作物產(chǎn)量的增加。因此，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，而針對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)和優(yōu)化控制的研究就顯得尤為必要了。

1 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)概述

1.1 自動(dòng)化節(jié)水灌溉技術(shù)介紹

自動(dòng)化灌溉技術(shù)能夠把通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感采集技術(shù)融為一體，運(yùn)用這些技術(shù)把一些信息采集出來(lái)，操作者再根據(jù)這些有效的數(shù)據(jù)來(lái)做好農(nóng)田灌溉時(shí)間的確定和灌溉量的多少。自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)會(huì)按照自動(dòng)化技術(shù)中的傳感器采取的農(nóng)田信息和灌溉的控制參數(shù)和儲(chǔ)水量進(jìn)行有針對(duì)性的灌溉，以達(dá)到高效節(jié)水的效果[1]。而農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物所需水量的精準(zhǔn)識(shí)別，而且可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終，經(jīng)過(guò)中央控制系統(tǒng)的有效處理，自動(dòng)識(shí)別農(nóng)作物所需的水量，從而進(jìn)行灌溉水資源的精準(zhǔn)分配[3]。除此之外，農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)還具備自我調(diào)整的功能。在灌溉實(shí)踐中，一旦實(shí)際灌溉水量和系統(tǒng)確定水量出現(xiàn)較大差別時(shí)，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停止灌溉，從而為有關(guān)人員進(jìn)行灌溉調(diào)整提供時(shí)間。這在很大程度上提升了灌溉的精準(zhǔn)性和灌溉效率。

1.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 操作難度小

從實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)大多數(shù)農(nóng)民的文化素質(zhì)水平較低，普遍不具備機(jī)械專(zhuān)業(yè)的知識(shí)背景。以前的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)還不太完善，自動(dòng)化和智能化的程度也沒(méi)有那么高，復(fù)雜的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)并不適合農(nóng)村的實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r。而如今隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，依靠其易操作性、較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，得到了廣大農(nóng)民的認(rèn)可，同時(shí)其也比較適合我國(guó)當(dāng)前農(nóng)村的實(shí)際情況。

1.2.2 抗腐蝕能力強(qiáng)

農(nóng)業(yè)灌溉必須考慮農(nóng)村的實(shí)際特點(diǎn)。由于我國(guó)農(nóng)村的很多農(nóng)作物都使用了化學(xué)農(nóng)藥，所以在農(nóng)業(yè)灌溉的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)不可避免地受到農(nóng)藥殘余成分的影響，很多輸水管道會(huì)經(jīng)受農(nóng)藥殘余的長(zhǎng)期腐蝕。因此在保證農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的條件下，輸水管道的建設(shè)較多采用抗腐蝕性較強(qiáng)的材料，以降低輸水管道被農(nóng)藥殘余腐蝕的概率，并延長(zhǎng)系統(tǒng)整體的使用壽命，從而降低設(shè)備維修的成本。

1.2.3 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的調(diào)整

自動(dòng)化節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)灌溉區(qū)域農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和所需的水量進(jìn)行分析，農(nóng)業(yè)工作者只要保證水量充足，系統(tǒng)就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)灌溉用水的精準(zhǔn)識(shí)別和分配。除此之外，節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)還具備自我調(diào)節(jié)的能力，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和實(shí)際灌溉水量數(shù)據(jù)存在較大差別時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止輸水，并進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的自我修正。

2 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)包含多元化元素，具備多樣化特點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這包括灌溉系統(tǒng)上的水泵、現(xiàn)場(chǎng)水泵動(dòng)力單元、電動(dòng)閥控制單元、土壤濕度計(jì)、視頻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控中心[5]。水利灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用上層單元、可編程控制器和現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)控制器連接的監(jiān)控模式，并根據(jù)就地泵站的功能分為三層。

2.2 節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.2.1 可編程控制器

可編程控制器廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)和供水自動(dòng)化?？删幊炭刂破饕话惆惭b在現(xiàn)場(chǎng)，采用普通PLC繼電器接觸器的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)泵閥的自動(dòng)化，具有抗干擾、抗噪聲、性能好、效率高等特點(diǎn)?？删幊炭刂破鞣譃椴煌念?lèi)型，它們的結(jié)構(gòu)方式、工作原理、編程方法都各不相同。很多農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水系統(tǒng)采用的是西門(mén)子S7-200系列PLC。

西門(mén)子S7-200系列PLC是西門(mén)子的一款緊湊型產(chǎn)品，可在獨(dú)立工作和與其他設(shè)備通信的情況下執(zhí)行復(fù)雜的控制功能。S7-200軟件控制器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的幾乎所有領(lǐng)域，如各種機(jī)床、水利建筑、民用設(shè)施、環(huán)保設(shè)備等[2]。

2.2.2 多功能儀表

水泵電機(jī)電力參數(shù)是對(duì)泵站運(yùn)行安全性進(jìn)行評(píng)估的重要參數(shù)，也是衡量表征電機(jī)工作狀態(tài)的重要依據(jù)，因此，多功能儀表對(duì)于節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)而言，非常重要，比如常用的HR6300系列三相網(wǎng)絡(luò)電力儀表就具有非常完善的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量、控制和輸出。該多功能儀表裝置采取的是高清晰的液晶分段顯示模式，參數(shù)設(shè)置非常簡(jiǎn)便，安裝難度小。該儀表具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：首先，可以直接從電流中獲得信號(hào)；第二，儀器可以設(shè)置不同的地址；最后，該儀表在斷電的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)電能保存。在恢復(fù)電能以后，儀表可以繼續(xù)工作。

2.2.3 土壤濕度傳感器

水分是土壤的重要組成部分。土壤水分測(cè)量是現(xiàn)代灌溉的基礎(chǔ)條件。而根據(jù)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境和系統(tǒng)要求的不同，節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)可以采用phts土壤水分傳感器系統(tǒng)，這是一種精度高，更敏感的土壤濕度計(jì)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得到土壤的真實(shí)含水量，而且具備較強(qiáng)的抗外界干擾能力，不受土壤中化肥和殘余農(nóng)藥的影響，其測(cè)量的范圍為100%及以下，其分辨率為0.1%的8次方。而在利用該儀器對(duì)土壤水分進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)該設(shè)立多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

2.2.4 紅外熱成像儀

很多農(nóng)作物在生長(zhǎng)的過(guò)程中受到外界因素的影響較大，從而直接影響了作物產(chǎn)量和品質(zhì)。所以，及時(shí)獲得農(nóng)作物生產(chǎn)的相關(guān)信息對(duì)于開(kāi)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義。而運(yùn)用高分子的紅外熱線(xiàn)也可以快速測(cè)定農(nóng)作物表面溫度的情況，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)顯示作物的生長(zhǎng)狀況，從而預(yù)測(cè)生長(zhǎng)趨勢(shì)，判斷作物是否受到干旱、高溫或鹽堿的影響[3]。

在運(yùn)用紅外熱成像儀時(shí)，可以在農(nóng)田中原則具有代表性的區(qū)域，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?。通過(guò)相關(guān)軟件可以對(duì)定時(shí)間拍攝的紅外成像照片進(jìn)行數(shù)字化的分析，最終得到關(guān)于農(nóng)作物溫度和農(nóng)作物蒸發(fā)量的關(guān)系曲線(xiàn)。再結(jié)合土壤的含水量，應(yīng)用智能化的模型來(lái)確定灌溉的時(shí)間和灌溉用水量。

2.3 系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)

根據(jù)灌溉農(nóng)田的分布情況，節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)采取了無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻通信方式實(shí)現(xiàn)所有農(nóng)業(yè)地區(qū)都有通信網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)寬帶，即擴(kuò)展頻譜通信，這種通信模式與衛(wèi)星通信和光纖通信一同被稱(chēng)之為當(dāng)前最為主流的三大通信模式。這種溝通方式與狹隘的溝通方式有很大的不同。其優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的室內(nèi)抗噪聲性、較高的保密性和良好的隱蔽性。它不能被攔截和重用在多個(gè)地方，因此，無(wú)線(xiàn)通信模型經(jīng)常與普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)灌溉計(jì)算機(jī)智能處理中心、泵站現(xiàn)地測(cè)控單元、泵閥控制單元之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

2.4 智能化灌溉決策系統(tǒng)

節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行和手工控制兩種方式[5]。在計(jì)算機(jī)全自動(dòng)運(yùn)行模式中，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)會(huì)建立灌溉模型和灌溉制度，同時(shí)也可以對(duì)農(nóng)田余水量、農(nóng)田的土壤含水量、植物的水分蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)對(duì)系統(tǒng)的注水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)灌溉效率的提升。節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的工作步驟為：第一步，開(kāi)啟水泵和電動(dòng)閥，開(kāi)始灌溉；第二步，一旦農(nóng)田的含水量達(dá)到了預(yù)設(shè)值，那么就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉水泵和電動(dòng)閥；第三步，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)；第四步，確定灌溉的水流量、時(shí)間；第五步，開(kāi)始設(shè)定各種灌溉限值。

3 節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的功能

3.1 數(shù)據(jù)采集

節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制單元能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備和每個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行精確地采集與測(cè)量，這也是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的保障。泵閥測(cè)控單元配備觸摸屏，能夠在泵室內(nèi)采集灌溉系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)，為工作人員提供便利，其采集的主要信息包括灌溉農(nóng)田的氣溫、灌溉農(nóng)田的土壤含水含量、各個(gè)支管放水閥的開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)、各出水口的用水量等。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)控制

現(xiàn)場(chǎng)灌溉的泵站分為兩個(gè)單元機(jī)柜，水泵柜和閥門(mén)柜，另外兩個(gè)單元機(jī)柜上都有操作按鈕。工作人員通過(guò)操作按鈕來(lái)調(diào)整變頻器頻率，而且對(duì)水泵技術(shù)的控制器采用的是可編程控制器，性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單[4]。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

監(jiān)控中心設(shè)在兩個(gè)工作站，分別是監(jiān)控工作站和視頻工作站。該工作站可以實(shí)時(shí)恢復(fù)采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)擴(kuò)展傳輸?shù)娇刂浦行牡闹悄芊?wù)終端。業(yè)務(wù)終端可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸對(duì)客戶(hù)端進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)采集具有現(xiàn)實(shí)性的特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的監(jiān)控、對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表的出具等。監(jiān)控工作站可以對(duì)泵站機(jī)組的權(quán)限進(jìn)行分配，提高管理效率。而視頻工作站能夠用圖像和視頻的方式完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的記錄，并將參數(shù)進(jìn)行顯示，從而幫助管理進(jìn)行調(diào)整。

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化應(yīng)用策略

4.1 提高自動(dòng)化控制技術(shù)水平

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的核心是自動(dòng)化的控制技術(shù)。因?yàn)樵诠ぷ鞯倪^(guò)程中需要使用到各類(lèi)傳感器和紅外熱成像儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉區(qū)域農(nóng)田的土壤、水分、天氣、溫度、濕度等各種因素的分析，然后通過(guò)數(shù)據(jù)匯總，得到農(nóng)作物灌溉的最佳時(shí)間和最佳灌溉量。自動(dòng)化控制技術(shù)從農(nóng)作物的實(shí)際生產(chǎn)狀況出發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)水分的精準(zhǔn)分配，減少用水浪費(fèi)，提高灌溉效率。另一方面，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的國(guó)有化程度嚴(yán)重不足。而農(nóng)村地區(qū)的耕種面積廣泛，農(nóng)作物種類(lèi)多樣，因此必須實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉生化技術(shù)的國(guó)有化。有關(guān)部門(mén)應(yīng)該針對(duì)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品種植和治理的特點(diǎn)，開(kāi)展節(jié)水灌溉技術(shù)的研究。而自動(dòng)化控制系統(tǒng)一定要具備簡(jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)。

4.2 加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的日常維護(hù)

加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化灌溉技術(shù)的前提。所以在日常工作中，一定要加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)工作。一方面，應(yīng)該建立農(nóng)民與技術(shù)人員的實(shí)時(shí)溝通機(jī)制。技術(shù)人員負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝和管理，同時(shí)還應(yīng)該對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)狀況進(jìn)行調(diào)查。在調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)技術(shù)和相關(guān)的設(shè)備性能進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。另一方面，農(nóng)民加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)狀況的觀測(cè)，記錄好灌溉中植物的數(shù)據(jù)變化，從而為日后農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的升級(jí)提供數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

4.3 大力培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)化人才

一方面，有關(guān)部門(mén)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)農(nóng)民的培訓(xùn)，激發(fā)農(nóng)民農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的意識(shí)。各個(gè)地區(qū)可以組織農(nóng)業(yè)技術(shù)人員開(kāi)展對(duì)農(nóng)民的培訓(xùn)工作，從而提高農(nóng)民應(yīng)用農(nóng)業(yè)技術(shù)的能力。另外相關(guān)部門(mén)應(yīng)該加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)廣泛應(yīng)用的宣傳工作，使得農(nóng)民更好地接受和適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)。除此之外，農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院還可以開(kāi)展同農(nóng)業(yè)高等院校的合作，引入有關(guān)人才，推動(dòng)灌溉節(jié)水自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

自古以來(lái)我國(guó)都是以農(nóng)業(yè)為本，我國(guó)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)。當(dāng)前節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)日益成熟，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中，而作為農(nóng)業(yè)大國(guó)的我國(guó)在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用方面還不太完善，還需要更多的優(yōu)化與改善。未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)科技和創(chuàng)新，為了我國(guó)農(nóng)業(yè)能夠更好地發(fā)展，必須加大在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)方面科研投入，以保證我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展跟上時(shí)代潮流。期望本文的研究能為節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化提供一定的參考與借鑒。