智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究

段從文

（蘭州市中川水上綠化管理處，甘肅 蘭州730000）

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，但是受水資源不足、人多地少、環(huán)境污染嚴(yán)重以及技術(shù)落后等原因的影響，我國農(nóng)業(yè)用水的浪費(fèi)率高，這對于發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必須解決的重要問題。本文通過分析國外經(jīng)驗(yàn)，研究分析適合我國的智能化設(shè)備農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。

1 節(jié)水灌溉技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展

（1）節(jié)水灌溉技術(shù)。節(jié)水灌溉技術(shù)主要包含兩個(gè)方面：工程節(jié)水技術(shù)；灌溉控制技術(shù)。①工程節(jié)水技術(shù)：工程節(jié)水技術(shù)主要指的是利用原有的灌溉設(shè)施并對其進(jìn)行現(xiàn)代化技術(shù)改造，或者重新建設(shè)先進(jìn)的灌溉設(shè)備其目的是通過設(shè)備改造和創(chuàng)新減少水資源的損失，節(jié)水利用原則一是減少輸水損失、二是減少無效灌溉；具體技術(shù)有管道輸水，滴灌等等。②灌溉控制技術(shù)：灌溉控制技術(shù)主要指的是利用自動(dòng)化控制技術(shù)，根據(jù)自然環(huán)境、農(nóng)作物用水需求以及可用水量等因素，綜合協(xié)調(diào)保障供水，其供水原則更加精細(xì)化和可控化。相比較傳統(tǒng)的人工控制灌溉，灌溉控制技術(shù)不再依靠人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制灌溉，而是利用對地理環(huán)境以及作物生長的特性，大大提高了水資源的利用率，從而滿足用水需求的同時(shí)，做到不浪費(fèi)水。

（2）國外農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制技術(shù)應(yīng)用。國外在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制技術(shù)上有發(fā)展時(shí)間長，智能化水平高，其自動(dòng)控制系統(tǒng)更加完善和先進(jìn)。主要是利用計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，檢測和掌握土壤環(huán)境，從而有效控制和掌握實(shí)際需水量，使用滴灌和噴灌，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化管理，只需要在控制室就能夠完成整個(gè)操作過程，在自動(dòng)灌溉配套設(shè)施中，流量控制閥、減壓閥等，能夠大大提高整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行效率，促使作物獲得最佳的生長環(huán)境。

（3）國內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制技術(shù)發(fā)展。國內(nèi)節(jié)水灌溉技術(shù)開始于20世紀(jì)50年代，但是由于在管理和推廣方面的問題，開展的效果并不理想。進(jìn)入新時(shí)期以來，我國在灌溉技術(shù)上取得了較快發(fā)展，但是先進(jìn)的設(shè)備住喲還是依靠從外國進(jìn)口，并且未能形成完備的控制體系，相比較國外地區(qū)，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有其特殊性，土地相對分散，并且地形較為復(fù)雜，一些國外的灌溉控制系統(tǒng)在適應(yīng)性上存在不小的問題，并且這些設(shè)備價(jià)格昂貴，在我國推廣的難度大，我國在發(fā)展灌溉控制系統(tǒng)時(shí)需要加強(qiáng)自主創(chuàng)新，提高對控制系統(tǒng)的整合和升級，開發(fā)適用性強(qiáng)、成本低、效率高的智能化灌溉控制系統(tǒng)。

2 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)

（1）節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)工作原理。節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是利用土壤測量儀器探測田間土壤各種信息，并對于收集到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并在控制器上予以顯示。同時(shí)這些信息及時(shí)傳輸和推送到PC上位機(jī)的人機(jī)界面上，實(shí)現(xiàn)對信息的掌握和控制。從接收的信息上結(jié)合預(yù)設(shè)的農(nóng)作物需水量和以及整個(gè)灌溉系統(tǒng)的灌溉用水量、水速進(jìn)行有效控制。一旦需要灌溉就可以啟動(dòng)相關(guān)按鈕進(jìn)行灌溉操作，整個(gè)過程中的信息都能夠在人機(jī)界面中得到顯示，主要包括灌溉時(shí)間、灌溉量以及剩余時(shí)間和水量等信息，如果不需要進(jìn)行灌溉，就可以發(fā)出控制指令，機(jī)器就會(huì)停止操作。

（2）灌溉實(shí)現(xiàn)與控制。在灌溉系統(tǒng)中，最核心的是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵的方式將水注入管道，從而實(shí)現(xiàn)灌溉的目的。而這個(gè)過程中，執(zhí)行灌溉任務(wù)的是電磁閥，電磁閥在這個(gè)系統(tǒng)中充當(dāng)管理者角色，它能夠控制區(qū)域灌溉與否，并且連接著灌溉干支流的各個(gè)管道，在整個(gè)系統(tǒng)中形成若干個(gè)連接點(diǎn)。灌溉支管上安置了若干個(gè)噴頭，根據(jù)區(qū)域需水量進(jìn)行灌溉或?qū)^(qū)域?qū)嵭休喠鞴喔取τ诜制瑓^(qū)域，安放一定量的土壤水分傳感器，土壤水分傳感器的主要作用是監(jiān)控所在地點(diǎn)的土壤水分，并將檢測到的數(shù)據(jù)和結(jié)果通過通訊設(shè)備傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)再根據(jù)預(yù)先的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，根據(jù)對比分析結(jié)果實(shí)施灌溉。

圖1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（3）節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體的原理和實(shí)際的需求，對于灌溉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其工作采用的是某型單片機(jī)，并采用控制電磁閥對于田間進(jìn)行灌溉操作，其系統(tǒng)主要是利用傳感器測量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制電路等等，結(jié)合上述的功能及總體結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。在研究智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時(shí)，將灌溉控制系統(tǒng)劃分成兩個(gè)部分，一個(gè)是硬件電路，另一個(gè)是軟件程序。硬件電路主要是負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行，并且硬件設(shè)備能夠根據(jù)其實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和完善，軟件部分主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部分之間的關(guān)系，控制硬件的執(zhí)行，屬于整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，而整個(gè)系統(tǒng)的完成質(zhì)量主要是硬件設(shè)備和軟件服務(wù)相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，只有二者相互協(xié)調(diào)才能發(fā)揮節(jié)水灌溉系統(tǒng)的最大功效。

3 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建議

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容。智能化設(shè)施的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)主要集中在四個(gè)方面：①單片機(jī)主機(jī)；②模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；③LED數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)電路；④超限報(bào)警電路。軟件主要從五個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：①灌溉系統(tǒng)主系統(tǒng)設(shè)計(jì)；②采樣子程序設(shè)計(jì)；③數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)；④尺度變換程序設(shè)計(jì)；⑤轉(zhuǎn)碼程序設(shè)計(jì)。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要遵循以下幾個(gè)方面的原則。一是實(shí)事求是。中國的特殊自然環(huán)境和人文環(huán)境，決定了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)，所以在技術(shù)推廣和應(yīng)用中，需要不斷的注意實(shí)事求是原則，加強(qiáng)整個(gè)設(shè)備的適用性和實(shí)用性，保證整個(gè)設(shè)備在能夠符合中國國情，并利于推廣使用，這一點(diǎn)對于任何設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。二是與時(shí)俱進(jìn)。在設(shè)計(jì)和開發(fā)相關(guān)控制系統(tǒng)時(shí)，研發(fā)人員要重視與時(shí)俱進(jìn)，不僅要立足于現(xiàn)在還要著眼未來，要加強(qiáng)在技術(shù)上的考慮和投入。在布局規(guī)劃上，灌溉系統(tǒng)不僅要服務(wù)于農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)，更能夠指導(dǎo)農(nóng)業(yè)進(jìn)步。三是開拓創(chuàng)新性。智能時(shí)代的到來已經(jīng)深入的影響人民的衣食住行用，在農(nóng)業(yè)發(fā)展上，智能化革命的影響也將不斷加深，所以在控制設(shè)備的研發(fā)中，要充分利用和發(fā)揮職能化的優(yōu)勢，提高產(chǎn)品的智能化和創(chuàng)新性，更好的為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)。四是試用檢驗(yàn)。在設(shè)計(jì)完成及制造組裝之后，還需對強(qiáng)智能化設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)改進(jìn)完善，以保證設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。