農(nóng)業(yè)灌溉智能化系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用探討

魏穎瓊 安昭先 安進(jìn)強(qiáng) 魏學(xué)桃

摘 要 和傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)相比，智能遙控灌溉會(huì)在機(jī)井處設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行控制，有利于水資源的合理調(diào)配，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)灌溉管理體系，同時(shí)還能夠有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益?；诖?，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉智能化系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)灌溉;智能化;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.29.092

農(nóng)業(yè)灌溉智能化是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)遙感技術(shù)綜合在一起，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物灌溉實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的管理方法。該體系的建立能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物的遠(yuǎn)程遙控和管理，包括灌溉用水量、灌溉時(shí)間間隔等。與傳統(tǒng)大面積灌溉技術(shù)相比，智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效節(jié)約水資源，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制，對(duì)于建立更加完善的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)灌溉管理體系有著積極的促進(jìn)作用。

1 田間信息智能化采集

對(duì)于田間信息智能化采集的研究，應(yīng)探討推廣過程及應(yīng)用中仍然存在的技術(shù)問題。從目前應(yīng)用情況來看，傳感器和傳感模式的選擇是目前主要面臨的技術(shù)問題。田間數(shù)據(jù)采集雖然能夠幫助農(nóng)民解決勞動(dòng)力短缺問題，但是數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)所需要的成本較高，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本。因此，需要積極討論出進(jìn)行低成本數(shù)據(jù)采集的方法，同時(shí)優(yōu)化田間自動(dòng)灌溉和和測(cè)量系統(tǒng)。例如，引入新的控制設(shè)備，使其能夠完成斷點(diǎn)續(xù)灌，同時(shí)可以進(jìn)行短信播報(bào)，提示農(nóng)戶目前的灌溉情況。同時(shí)還可以建立適合在田間使用的互聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，為農(nóng)戶提供優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)服務(wù)，借此提高系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

1.1 田間信息采集傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展研究

前期已經(jīng)有了GSM單節(jié)點(diǎn)傳感器的研究，未來可以在此基礎(chǔ)之上繼續(xù)進(jìn)行研究，其內(nèi)容要適應(yīng)大型灌區(qū)的測(cè)控需求。通過分析田間采集數(shù)據(jù)信息傳輸特點(diǎn)，將zigbee作為理論依據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展研究，從而研制出組網(wǎng)便捷性較強(qiáng)且運(yùn)行成本較低的傳感器[1]。

1.2 精準(zhǔn)灌溉土壤，研究自動(dòng)測(cè)控設(shè)備

灌溉系統(tǒng)可以識(shí)別土壤的具體情況，并根據(jù)土壤的具體情況對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控與灌溉。結(jié)合前期的研究成本，同時(shí)對(duì)比目前的實(shí)用效果，通過調(diào)研了解國內(nèi)外對(duì)于農(nóng)作物水量的研究以及土壤情報(bào)預(yù)測(cè)的方法，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建一個(gè)水灌溉知識(shí)系統(tǒng)。完善農(nóng)業(yè)水灌溉的管理控制系統(tǒng)，研制出田間無線閥門控制系統(tǒng)的配套設(shè)備，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。

1.3 技術(shù)水平與應(yīng)用范圍

傳統(tǒng)灌溉技術(shù)在應(yīng)用過程中主要依靠人力進(jìn)行勞作，具備較強(qiáng)的滯后性，且工作效率較低，很難在短時(shí)間內(nèi)完成大范圍的灌溉任務(wù)。目前的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)涉獵范圍非常廣，是一項(xiàng)綜合性非常強(qiáng)的技術(shù)，包括工程、自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)、通信、信息處理等領(lǐng)域。同時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，且系統(tǒng)進(jìn)行灌溉面積以及數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)控制時(shí)，不再受其他因素所控制，具備較高的自由度。通過田間信息采集傳感器，可以幫助農(nóng)民采集到土壤以及植物的信息，借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低投入、多功能的農(nóng)業(yè)灌溉[2]。另外，系統(tǒng)的應(yīng)用有助于農(nóng)業(yè)更加健康和快速的發(fā)展，這也有利于集成化、定量化、規(guī)范化的農(nóng)業(yè)生態(tài)節(jié)水。本項(xiàng)研究現(xiàn)在已經(jīng)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，且研究成果適用于北方的干旱以及南方的季節(jié)性干旱灌溉管理，具備非常高的應(yīng)用價(jià)值。

2 智能灌溉測(cè)控云終端

2.1 技術(shù)功能

智能灌溉測(cè)控云終端的主要組成部分包括數(shù)據(jù)采集單元、控制執(zhí)行單元、通信單元、數(shù)據(jù)加密單元以及處理單元等。整個(gè)測(cè)控云終端的智能技術(shù)包含許多功能，可以對(duì)用水以及用電進(jìn)行計(jì)量采集，也可以對(duì)管道的通水壓力、灌溉時(shí)地下水位信息進(jìn)行采集。平臺(tái)在接收到反饋信息后可以及時(shí)進(jìn)行處理，處理結(jié)果和采集數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)到云端，這樣能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的灌溉進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)自動(dòng)水泵和閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]。另外，系統(tǒng)還設(shè)定了防盜報(bào)警功能，設(shè)置了IC卡控制，如果水泵出現(xiàn)了非法啟用的情況，也可以及時(shí)報(bào)警，加快了問題的處理速度。

2.1.1 顯示功能

整個(gè)智能化系統(tǒng)的顯示屏采用的是液晶屏。顯示屏上可以輪流顯示現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用信息，如總的用水量、總的用電量、剩余金額、是否出現(xiàn)報(bào)警信息、水位情況以及水壓力情況等，技術(shù)人員根據(jù)這些顯示信息，可以采用手動(dòng)調(diào)整的方式來干擾系統(tǒng)運(yùn)行，使其恢復(fù)到合理的工作狀態(tài)。

2.1.2 計(jì)量功能

通過系統(tǒng)的計(jì)量功能，可以精確計(jì)量農(nóng)戶所需的總用水量、在灌溉時(shí)所用的總電量以及水泵的使用時(shí)間，這些內(nèi)容都可以通過計(jì)量裝置完整地記錄下來。同時(shí)記錄單還可以顯示出每家每戶的剩余金額和累計(jì)用水量，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)于每家的位置以及管道壓力值進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而確保農(nóng)戶用水的安全性。

2.1.3 存儲(chǔ)歷史記錄的功能

每一個(gè)智能遙控云終端可以存儲(chǔ)約200個(gè)用戶信息，保存的數(shù)據(jù)量可以超過1萬個(gè)。所記錄的用戶數(shù)據(jù)信息包括刷卡時(shí)間、刷卡次數(shù)、卡中余額、使用的水量以及用電量等，還可以對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，如用戶每個(gè)泵的總用水量以及用電量，都可以進(jìn)行準(zhǔn)確記錄和存儲(chǔ)，為智能系統(tǒng)的完善提供參考。

2.1.4 斷電保護(hù)功能

如果設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)突然斷電的情況，再次通電后，水泵不會(huì)直接啟動(dòng)，需要用戶再次刷卡后水泵才會(huì)啟動(dòng)，這樣也避免了用戶離開期間，水泵自行恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)后帶來的水資源浪費(fèi)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中也會(huì)配置備用電源，如果出現(xiàn)停電情況，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)切換成太陽能資源或者后備電源，做到不間斷供電。

2.1.5 斷相保護(hù)功能

在運(yùn)行過程中，三相輸入電源出現(xiàn)斷相情況，設(shè)備會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，且水泵會(huì)立刻停止運(yùn)輸。若三相輸入電源出現(xiàn)斷線的情況，或者是水泵在運(yùn)行時(shí)電流、電壓不夠穩(wěn)定，控制水泵將會(huì)在8 s后停止運(yùn)行，避免水泵因?yàn)殡妷汉碗娏鞑环€(wěn)定而出現(xiàn)損壞。

2.1.6 自檢預(yù)警功能

系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)后沒有得到及時(shí)處理，系統(tǒng)將會(huì)每天進(jìn)行一次預(yù)警信息上報(bào)，直到預(yù)警問題得到解決。同時(shí)系統(tǒng)中的設(shè)備也具有自動(dòng)報(bào)警功能，如水泵房箱體被非法打開時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而系統(tǒng)也會(huì)及時(shí)響應(yīng)，并向中心發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警，報(bào)警持續(xù)時(shí)間至少30 s，若報(bào)警后沒有得到及時(shí)處理，系統(tǒng)將會(huì)每天上報(bào)一次，直到問題得到解決。

2.1.7 位移報(bào)警功能

在水泵使用過程中，一旦出現(xiàn)移動(dòng)或者傾斜度過大的問題，很容易出現(xiàn)運(yùn)行故障。如果水泵箱體被非法移動(dòng)，或者將其傾斜了45°以上，設(shè)備會(huì)立刻向中心發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警，報(bào)警持續(xù)時(shí)間至少30 s。如果報(bào)警之后沒有及時(shí)處理，將會(huì)每天上報(bào)，直到問題得到解決。

2.1.8 電網(wǎng)線路斷一相報(bào)警

有時(shí)電網(wǎng)電路會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行不穩(wěn)定或故障問題，導(dǎo)致斷一相的問題。與上述情況類似，設(shè)備會(huì)迅速向中心發(fā)送報(bào)警信息，然后蜂鳴30 s。

2.1.9 線路斷三箱報(bào)警

線路有時(shí)會(huì)因?yàn)樵O(shè)備故障或者運(yùn)行不穩(wěn)定出現(xiàn)斷三相問題，出現(xiàn)斷三相問題之后，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并持續(xù)蜂鳴30 s，蜂鳴報(bào)警完畢后，如果未處理，每天都會(huì)上報(bào)一次信息。

2.1.10 終端停電與來電

380 V的電源在停電后再次來電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻向中心發(fā)送提示信息，為檢修工作的進(jìn)行提供參考。在系統(tǒng)的構(gòu)成中，如果閥門、壓力變送器、電能表、計(jì)量表以及傳感器等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)向中心發(fā)送報(bào)警信息，如果沒有及時(shí)處理，會(huì)每天定時(shí)上報(bào)。遇到用戶余額不足的情況時(shí)，使用屏幕將會(huì)不停地閃爍提示信息，同時(shí)蜂鳴報(bào)警器也會(huì)持續(xù)響動(dòng)，在用戶余額為零時(shí)，水泵也將停止供水。在此期間，如果已經(jīng)被通知需要關(guān)停水泵而又出現(xiàn)非法啟用的情況，水泵將會(huì)立刻向中心發(fā)送信息，報(bào)警后信息沒有及時(shí)處理，也會(huì)每日上報(bào)。

2.2 功能特點(diǎn)

在灌溉時(shí)可以采取刷卡取水制，智能灌溉系統(tǒng)可以使用IC卡進(jìn)行控制，一個(gè)IC卡可以控制多口井，也可以一口井由多個(gè)IC卡進(jìn)行控制，操作起來比較容易。系統(tǒng)使用的是內(nèi)嵌寬電壓穩(wěn)壓電路，這種電路在使用過程中即便是電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，也能夠保證系統(tǒng)灌溉時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，并利用智能化灌溉技術(shù)是符合國家機(jī)井類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求的。即便是沒有軟件以及硬件的資金投入，也可以隨時(shí)啟動(dòng)或者屏蔽階梯的計(jì)費(fèi)功能。

3 結(jié)語

我國一直以來都是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，水資源相對(duì)短缺?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)就是合理利用有限的水資源來發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，而智能化精準(zhǔn)灌溉是可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。將田間傳感器、控制器以及互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起進(jìn)行應(yīng)用，可以讓灌溉過程變得更加便利，使農(nóng)民不再局限于有限的空間中，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展有著積極的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高國昌.農(nóng)業(yè)灌溉智能化系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)機(jī)，2016（6）：11，13.

[2] 董征宇.基于物聯(lián)網(wǎng)的葡萄園信息獲取與智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（4）：206-209.

[3] 陳立軍.傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國高新區(qū)，2018（9）：215-216.

（責(zé)任編輯：趙中正）