基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的茶園智能化噴灌系統(tǒng)

蔡 彬，繆子梅，褚琳琳，肖夢(mèng)華(.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 0；.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098；.浙江省水利河口研究院，杭州 000)

江蘇是中國(guó)享有盛譽(yù)的古茶區(qū)之一，茶葉歷史悠久，以單位產(chǎn)量高、生產(chǎn)效益好、名茶影響大等顯著特點(diǎn)，在全國(guó)茶產(chǎn)業(yè)中占有重要地位[1]。茶葉生長(zhǎng)所需水分主要依賴(lài)天然降水，然而由于江蘇省降水量時(shí)空分布不均，茶葉產(chǎn)區(qū)存在伏旱和秋旱現(xiàn)象。為確保茶樹(shù)正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)，補(bǔ)充性灌溉尤為重要。

研究表明，通過(guò)改變影響茶園的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等小氣候因子，噴灌在改善茶園土壤物理?xiàng)l件和土壤養(yǎng)分狀況等因素，從而有效改善茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2,3]。隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透和微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)硬件、軟件的飛速發(fā)展，智能化噴灌技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能化噴灌技術(shù)是一種將灌溉、施肥、及根據(jù)不同作物進(jìn)行智能化精準(zhǔn)噴灌有機(jī)結(jié)合的綜合性技術(shù)，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)解析控制，根據(jù)植物不同生育期的耗水量，對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)給水噴灌。

從最早的水力控制、機(jī)械控制，到目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度、智能化程度及可靠性越來(lái)越高，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)便。我國(guó)智能化噴灌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展到目前為止大致可分為引進(jìn)、仿制、一定的自主研發(fā)生產(chǎn)這3個(gè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，噴灌產(chǎn)品門(mén)類(lèi)和系列基本配套，形成了噴灌噴頭、管材與管件、凈化過(guò)濾設(shè)備、施肥設(shè)備、控制及安全裝置等五大類(lèi)噴灌產(chǎn)品。較有規(guī)模的噴灌設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已有20～30家，但智能化噴灌技術(shù)比較落后，由于缺乏信息采集設(shè)備和變量灌溉控制設(shè)備(變量噴頭、變量供水設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)器等)，技術(shù)尚不成熟。同時(shí)已有的智能化噴灌系統(tǒng)存在絕大多數(shù)僅考慮作物需水信息的采集，為實(shí)現(xiàn)根據(jù)需水信息的自動(dòng)化控制；或灌溉控制系統(tǒng)僅考慮單一因素，未考慮環(huán)境因素；或僅在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行，未在野外環(huán)境下的驗(yàn)證等問(wèn)題[4-6]。

綜上所述，在精確采集茶樹(shù)需水信息和土壤、氣象相關(guān)信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、PLC技術(shù)開(kāi)發(fā)智能化茶園噴灌系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確灌溉，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)現(xiàn)代化提供技術(shù)支撐。

1 智能化噴灌系統(tǒng)組成

智能化噴灌系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)裝置和執(zhí)行裝置組成。監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括茶樹(shù)生長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)不同土層深度的土壤濕度、溫度、鹽分傳感器，以及降水、溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)軟件和LABVIEW實(shí)現(xiàn)灌溉監(jiān)控；執(zhí)行裝置是利用灌溉控制器、變頻器、PLC、電機(jī)、水泵、電磁閥、田間檢測(cè)設(shè)備通過(guò)，無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)變頻恒壓灌溉。 技術(shù)人員首先通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置讀取的茶樹(shù)不同生長(zhǎng)期的需水參數(shù)，及傳感器采集的實(shí)時(shí)土壤數(shù)據(jù)，建立茶樹(shù)生長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，制定一套符合地區(qū)性茶葉生長(zhǎng)的灌溉制度。通過(guò)執(zhí)行裝置完成灌溉(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2 智能化噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)江蘇省鎮(zhèn)江市南山茶場(chǎng)，茶園的地理坐標(biāo)為31°56′N(xiāo), 119°10′E。試驗(yàn)從2016年3-12月。試驗(yàn)區(qū)的規(guī)模面積是4.333 hm2，供試作物為白茶。2016年3月，由于試驗(yàn)基地茶林面積大，茶苗行間距為120 cm，苗間距為52 cm。根據(jù)茶園田塊分布形狀，土壤狀況，噴頭射程太近，管道密度大，噴頭多，每次安裝的工作量大；射程太遠(yuǎn)，水泵功率大，水滴打擊強(qiáng)度大，影響茶林幼苗的生長(zhǎng)，霧化指標(biāo)不好。因此我們選用了中等射程的20PY2型噴頭，在噴頭出口壓力為350 kPa時(shí)，噴頭流量為Q=3.2 m3/h，實(shí)際測(cè)量有效噴灑半徑達(dá)R=16.8 m，完全符合茶林生長(zhǎng)的要求。

選擇搖臂式20PY2噴頭，其設(shè)計(jì)單噴頭強(qiáng)度4.5 mm/h，霧化指標(biāo)3680。根據(jù)茶園分區(qū)灌溉的要求，選擇U-PVC耐壓型給水管道，公稱(chēng)壓力達(dá)到1.25 MPa，主供水管為D90，分供水管道分別為D70，D50、D32；噴頭立管選擇DN25鍍鋅鋼管和閥門(mén)井，并在地面處加水泥塊加以固定。根據(jù)茶園不規(guī)則形狀，設(shè)計(jì)劃分4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域路管道設(shè)立11～14個(gè)噴水噴頭和閥門(mén)，分區(qū)灌溉。選擇ISG80-200型水泵作為噴頭的供水水源，設(shè)計(jì)流量50 m3/h，揚(yáng)程50 m，電機(jī)功率15 kW。

試驗(yàn)觀測(cè)的太陽(yáng)輻射平衡要素為太陽(yáng)總輻射、冠層的反射率、從大氣層向下的長(zhǎng)波輻射、從茶園冠層向上的長(zhǎng)波輻射，觀測(cè)儀器型號(hào)為CNR-4 (Kipp&Zonen, the Netherlands)，儀器安裝在離地面2.5 m處。土壤熱通量由安裝在距地面2 cm深處的土壤熱通量板HFP01-L10 (Campbell, USA) 測(cè)得。5個(gè)不同土壤深度(5、10、20、50和70 cm)處分別安裝了Hydra Probea探頭傳感器，用來(lái)測(cè)量土壤的含水率和土壤的溫度。冠層以上1.5和2.0 m處的空氣溫度和相對(duì)濕度用型號(hào)為HMP155A(Vaisala, Finland)溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。所有儀器在試驗(yàn)開(kāi)始前均已經(jīng)過(guò)校核。三杯式風(fēng)速計(jì)A100L2 (MetOne，USA)安裝在地表以上2 m處用來(lái)測(cè)量風(fēng)速。雨量傳感器TE525MM (Campbell, USA)用來(lái)測(cè)量降雨量。所有檢測(cè)數(shù)據(jù)每10 s取樣一次，平均每10 min通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀CR3000-NB (Campbell，USA)記錄。本研究區(qū)域主要盛行風(fēng)是西風(fēng)，試驗(yàn)區(qū)左右200 m處它們有類(lèi)似的作物覆蓋及相似的灌溉制度，因此沒(méi)有考慮風(fēng)速的影響。波文比能量平衡法用來(lái)估算茶園每小時(shí)的蒸發(fā)蒸騰量。

2.2 灌溉制度確定

根據(jù)作物生長(zhǎng)生理耗水需求，以及試驗(yàn)地區(qū)氣象條件，確定茶園高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灌溉制度。

旱作物生育期任意時(shí)段內(nèi)，土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)水量平衡方程可以表示為：

Wt-W0=P0+K+I+ETc

(1)

式中：Wt與W0分別為計(jì)算時(shí)段末與時(shí)段初土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量；P0為有效降雨量；K為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量；I為凈灌溉水量；ETc為作物實(shí)際蒸騰蒸發(fā)耗水量。

根據(jù)茶樹(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)不同生育階段、不同氣候狀況下對(duì)水分的需求量，制定基于茶園實(shí)際耗水過(guò)程的精確灌溉制度(見(jiàn)表1)。

2.3 噴灌智能化系統(tǒng)

配電系統(tǒng)在確保噴灌設(shè)備正常啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了智能化自動(dòng)灌溉的設(shè)備形式，配套安裝了與茶園安裝的檢測(cè)儀的通訊模塊，建立了模塊之間的通訊協(xié)議，通訊模塊的性能參數(shù)如下。

(1)三進(jìn)四出2.4G無(wú)線通信I/O模塊，使用2.4G無(wú)線通訊方式；設(shè)備無(wú)線通訊地址可以設(shè)置；自動(dòng)識(shí)別設(shè)備功能，同樣地址的設(shè)備即插即用；設(shè)備之間硬件自動(dòng)應(yīng)答實(shí)現(xiàn)身份確定，確保數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠不丟碼。

表1 茶園灌溉制度的確定及水量平衡分量的旬變化規(guī)律

(2)模塊產(chǎn)品 PC端支持RS232和RS485可選,波特率可選(1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600，115 200 bps)，通訊線路TVS硬件保護(hù)，達(dá)到+-15 kV和600 W高強(qiáng)的抗干擾性。

(3)檢測(cè)儀是根據(jù)土壤干濕度和茶葉葉片的蒸發(fā)量及氣候條件等檢測(cè)的結(jié)果，發(fā)送噴灌信號(hào)。由檢測(cè)儀通過(guò)PLC RS485發(fā)送無(wú)線信號(hào)到機(jī)房，機(jī)房的接收通訊模塊通過(guò)比對(duì)確認(rèn)接收到無(wú)線信號(hào)后，即產(chǎn)生I/O輸出電平信號(hào)，電氣柜中的小型繼電器(KM1)接收信號(hào)閉合后做如下動(dòng)作要求：①KM1閉合后，KA2和KM3閉合，啟動(dòng)真空泵抽真空，同時(shí)抽真空管道上的電磁閥打開(kāi)，管道抽真空上水，抽真空的時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先在數(shù)字時(shí)間繼電器KTI上設(shè)置。在KTI經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后時(shí)間繼電器KT1由常閉轉(zhuǎn)為常開(kāi)，即真空泵和電磁閥斷開(kāi)，同時(shí)KT1的延時(shí)閉合端閉合啟動(dòng)，主線路KA1閉合，即灌溉給水泵啟動(dòng)，管道上水，對(duì)茶園進(jìn)行噴灌。②經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的噴灌后氣象檢測(cè)儀根據(jù)檢測(cè)土壤干濕度和茶葉葉面的灌水量的結(jié)果達(dá)到需要的灌水量，又發(fā)送一個(gè)無(wú)線指令信號(hào)，機(jī)房的接收通信模塊通過(guò)比對(duì)確認(rèn)接收到無(wú)線信號(hào)后，及又產(chǎn)生I/O輸出電平信號(hào)，切斷電氣柜中的小型繼電器(KM1)動(dòng)作要求，KM1斷開(kāi)，導(dǎo)致KA1斷開(kāi)，灌溉泵停止運(yùn)行，完成了茶園一次智能化的精確灌溉的要求(見(jiàn)圖2)。

(4)無(wú)線網(wǎng)路控制系統(tǒng)拓展。無(wú)線通訊模塊通過(guò)拓展，不僅能接收氣象檢測(cè)儀的信號(hào)，還可以接收手機(jī)的信號(hào)，通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看氣象資料，監(jiān)測(cè)茶園的實(shí)時(shí)情況，發(fā)送通訊信號(hào)，啟閉機(jī)房的噴灌設(shè)備，通過(guò)手機(jī)視頻查看機(jī)房的水泵等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)況，與物聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)時(shí)檢測(cè)茶園的茶葉生長(zhǎng)情況，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能，無(wú)線遙控現(xiàn)代化的茶園(見(jiàn)圖3)。

圖2 電氣圖

圖3 通訊測(cè)試界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)茶園實(shí)際需求，結(jié)合傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、PLC技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套智能化噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)茶園土壤及大氣相關(guān)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)茶樹(shù)不同生長(zhǎng)期不同水分需求進(jìn)行智能化灌溉。該系統(tǒng)能適時(shí)、適量進(jìn)行灌溉，在提高工作效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提高科學(xué)管理水平，且運(yùn)行可靠，穩(wěn)定性高。

但由于智能自動(dòng)化噴灌是根據(jù)氣象土壤檢測(cè)儀對(duì)氣候變化，土壤干濕度的檢測(cè)分析結(jié)果發(fā)出的噴灌指令，噴灌噴水時(shí)間滯后且范圍有偏差，今后應(yīng)修改土壤檢測(cè)探頭的檢測(cè)信號(hào)和軟件程序，將滯后的時(shí)間提前發(fā)出無(wú)線信號(hào)，做到精確灌溉。

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