數字農業自控灌溉系統在日光溫室的應用

李慧勇

(山西省水利水電科學研究院,山西太原 030002)

以美國為代表的發達國家于上世紀 90年代就已經開始了將信息技術與傳統農業相結合的數字農業研究,而在我國還處于初級階段。數字農業的重點在發展節水、節肥數字農業技術體系和發展精細設施農業技術。水資源短缺是我國農業生產的主要制約因素,農業灌溉用水面臨的主要問題是仍然為粗放型灌溉。一味的追求高產,只會造成資源浪費、作物品質不斷下降和對環境的污染。通過數字農業可以解決這些傳統農業弊端,使農業生產得到和諧發展。

數字農業自控灌溉系統不僅可以提高農田灌溉效率、在一定程度上可以減少病蟲害,增加農作物產量,同時降低農產品的成本。我國作為一個農業大國,數字農業自控灌溉系統作為一種先進而又高效的灌溉方式有著很大的市場需求。

1 數字農業自控灌溉系統簡介

由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展,對灌區用水進行監測預報,實際動態管理,采用土壤水分傳感器來監測土壤墑情,實現農業灌溉管理自動化。精細地面灌溉和高效農業就要求我們必須提高水資源的利用率。

數字農業自控灌溉系統是利用傳感器技術、自動控制技術、計算機技術等多種高新技術組建而成的,包括土壤墑情自動監測系統、土壤水分傳感器、數據自動采集器、數據傳輸設備等軟件的開發和硬件的配置,實現了對不同作物土壤墑情自動監測與精準灌溉管理自動化。

1.1 數字自控灌溉硬件系統

數字農業自控灌溉系統硬件部分由中央控制計算機、土壤水分傳感器、數據自動采集器、數據傳輸設備、自動控制技術等對土壤水分進行全面自動化監控和灌溉的自動控制。

為了對灌溉水量做到精量控制,給試驗提供可靠的、精確的數據,我們在灌溉管路中安裝了脈沖式電子計量水表和尼爾森直吸式電磁閥,同時通過模塊對數據進行采集。做到每個試驗小區都可以精量灌溉。

1.2 數字自控灌溉軟件系統

數字農業自控灌溉系統軟件部分由遠程監控模塊、數據分析模塊、數據庫管理模塊及遠程監測終端組成,可以實時顯示土壤水分狀態,將采集到的數據進行存儲、傳輸、分析運算等處理,及時、準確地提供土壤水分的變化情況。并按照一定的控制算法進行實時決策,產生控制指令并輸出控制信號,從而實現灌溉的自動控制。在整個數字自控灌溉系統中,我們選用泓格控制模塊,能為整個系統提供實時通信和數據采集儲存。

1.3 數字自控灌溉系統功能介紹

該系統的主要功能是實現示范區灌溉的信息采集、信息處理和實時控制。系統灌溉過程既可手動控制又可自動控制,自動控制可根據灌溉計劃進行定時控制,也可根據土壤水分條件進行控制。

系統的工作原理是由傳感器感測現場的環境變量,現場數據采集模塊將傳感器輸出的電信號轉換成數字信號并與計算機進行通信,計算機將采集的實時數據進行計算處理,并按照一定的控制算法進行實時決策,產生控制指令并輸出控制信號,從而實現灌溉的自動控制。

自動化精量灌溉操作分三種形式：手動灌溉控制、時序灌溉控制、按需灌溉控制。手動可以打開一個電磁閥或關閉一個處于打開的電磁閥,開閉電磁閥可按時間的長短來設置,也可按流量的多少來設置,設置好后點擊所需的電磁閥,確認無誤即可進行灌溉。時序控制灌溉方式可以對電磁閥進行隨意編組和排列順序,對一組或一個電磁閥定時或定量控制。按需灌溉方式是通過實時測量每個區域的土壤含水量與設置土壤含水量的限值的比較來進行灌溉的,也就是該區域的土壤含水量低于預設的下限值時,打開對應的電磁閥進行灌溉,當土壤含水量達到預設的上限值時即關閉電磁閥。

其它功能有灌溉歷史曲線、報警信息、數據報表、幫助信息等,這些功能可以一目了然的觀測土壤含水量以及曲線趨勢;各類事件和報警信息;系統的實時數據報表及歷史數據報表;查看關于系統的使用說明和相關幫助。

2 數字農業自控灌溉系統在日光溫室的應用

根據試驗的要求和針對不同示范區的作物種植情況、作物灌溉制度、種植模式,我們基于力控組態軟件和泓格組件控制模塊開發了適于日光溫室大棚經濟作物的自控灌溉系統,同時根據大棚經濟作物,對系統運行的穩定性、可靠性進行校驗,對系統灌溉參數率定。

2.1 試驗區基本情況

在我院高效節水示范基地日光溫室大棚內進行了微噴種植西紅柿的試驗。該溫室大棚采用相應的傳感器分別將溫室內的溫度、濕度、光照強度、土壤濕潤度等信息通過智能傳感器變送模塊傳入數據采集控制器中,由控制器根據內置的控制邏輯和方法對溫室的天窗,遮陽系統,強制降溫系統等設備進行相應的控制,從而實現無人值守,大幅度提高管理水平,降低管理成本,提高生產效率。是理想的試驗場所。

2.2 試驗處理設置

本試驗設置處理兩個,處理一根據土壤墑情與灌溉預報結果,通過數字農業自控灌溉系統和智能控制灌溉軟件,進行按期、按需、按量自動供水。處理二采用常規灌溉,即根據農戶的灌溉習慣來灌溉。除灌溉時間和灌溉數量有差別外,其余栽培方式、施肥等都相同。

處理一中在西紅柿根系層 0～20 cm、20～50 cm深處埋設土壤水分傳感器,根據西紅柿全生育期的需水要求以及土壤類型來設置土壤含水量的上下限值,土壤平均含水率下限根據土壤有效含水率確定,土壤平均含水率上限根據非充分灌溉原理確定,當土壤含水率下限達到 15.6%(占土壤田間持水量的 65%)時,需要灌溉。上限達到 21.6%(占土壤田間持水量的 90%)時,停止灌溉。當土壤水份傳感器實時監測的土壤分層含水量的平均值低于預設的下限值時,打開對應的電磁閥進行灌溉,當實時監測的土壤含水量達到預設的上限值時即關閉電磁閥,一次灌溉完成,從而實現自動精準灌溉。

3 應用效果

3.1 經濟效益

采用數字農業自控灌溉系統不僅能省水、省時,而且增產,減少病蟲害的發生,提高西紅柿的產量和質量。

3.1.1 增收

處理一全生育期產量達到 5 800 kg?畝,而處理二的全生育期產量只有 4 900 kg?畝,采用數字農業自控灌溉系統全生育期產量可提高 15.51%。

3.1.2 節水

處理一灌水次數雖然略多于處理二,但是總的灌溉時間和灌溉定額是少于處理二的,從整個生育期灌溉控制系統輸出的結果可以看出,采用數字農業自控灌溉系統水產比增加15.75%,畝節水 23m3。 見表 1。

表1 不同處理節水增效情況對比表

3.1.3 節工效益

采用數字農業自控灌溉系統,根據作物生長需要自動灌溉,按一次灌溉節約 2工日計算,全生育期可以節工 14工日,每工日按 50元計算,則節工效益為 1 400元。

3.2 社會效益和生態效益

數字農業自控灌溉系統的應用減少了大量的無效的水量消耗,提高了灌溉水利用率,緩解了農田灌溉用水緊張局面,節約和保護了當地有限的水資源,對水資源可持續利用,創造良好的水環境具有重要的作用。對解決當地農業生產的增產和增收、產量與品質、高效和可持續發展等問題起到積極的促進作用,具有可觀的社會和生態效益。

3 結論

數字農業自控灌溉系統可以按時、按需、按量進行灌溉,實現水資源的高效利用。但其投入較高、對試驗人員的要求比較嚴格,大面積的推廣還有一定的困難。

數字農業自控灌溉系統的應用可以提高單位水分生產率,單位面積產量,減輕或避免化肥、農藥流失、揮發而造成的流域水環境和土壤環境的污染,代表著我國未來農業的發展方向。