節水灌溉控制系統的應用研究

池麗敏，張　倩，陳　丹

（1.南京市水利規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210006；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津市300250）

節水灌溉控制系統的應用研究

池麗敏1，張倩2，陳丹1

（1.南京市水利規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210006；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津市300250）

節水灌溉控制是研究如何根據土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進行合理的灌溉決策，即將傳統的憑經驗由人工手動閥門控制灌溉方式改為自動進行適時適量、按需精確灌溉控制。整個控制系統主要有四個模塊:檢測模塊、數據處理模塊、數字模塊及控制模塊。根據設定值控制灌溉，整個控制系統能夠正常工作，實現了適時、按需精確灌溉，達到高效節水的目的。

節水灌溉；灌溉控制；自動控制

0　引言

節水灌溉技術包括兩方面內容:（1）工程節水技術:通過對原有灌溉工程設施進行改造或使用先進的灌溉工程設施以達到減少輸水損失和減少田間用水損失的方法。如渠道防滲、管道輸水、噴灌、微噴灌、滴灌等。（2）灌溉控制技術:通過采用自動控制技術，結合作物需水特性、地理環境、土壤特征與節水灌溉制度等實行按需的、適時的自動灌溉控制[1]。

工程節水技術主要是從兩個方面來實現節水的目的，一是減少水在田間傳輸過程中的滲漏損失，如渠道防滲和管道輸水技術;二是減少灌溉過程中的無效灌溉，即均勻灌水或是只對作物根部附近的土壤進行灌溉。利用工程節水技術一般可提高水資源利用率到50%～70%，相對傳統的灌溉方式來說己經有很大改善，但是仍存在30%以上的水資源浪費，且與優質高產仍有一段距離。這主要是因為這種灌溉模式仍然是靠人工控制，灌溉的多少全憑經驗，不能實現按作物的需水特性精確、高效灌溉。而灌溉控制技術的發展正可以彌補工程節水技術的這一缺陷，它采用先進的科學技術，檢測土壤墑情，根據地理環境和作物生長的需水特性按需、精確灌溉，可大大提高水資源的利用率，實現優質高產。

我國對節水灌溉十分重視，采取了很多節水灌溉方式，并取得了較好的節水效果，現代高效節水灌溉技術是我國設施農業今后發展的主要方向。但是在節水灌溉控制技術方面，我國還處于較低水平，國內基本上還沒能生產出成型的、能夠推廣的自動控制灌溉產品，基本還是手動閥門來操作。因此，一套成型的能夠推廣的自動灌溉控制系統是目前我國發展節水灌溉十分緊要的問題[2-10]。

1　節水灌溉控制系統的發展

1.1國外的發展

節水灌溉在世界各國的農業中占有重要地位，國外節水灌溉發展時間長，電子技術水平較高，所以與節水灌溉配套的自動控制系統也較完善和先進。目前在國際上技術比較成熟、應用較廣的灌溉控制技術主要有兩種：專家系統和微機測控技術。

專家系統是一個模擬人腦思維方式，以知識為基礎的計算機軟件系統，即采用計算機控制灌溉系統，用埋在地下的濕度傳感器測得土壤濕度信息，或者通過檢測植物莖、果的直徑變化來決定對作物的灌溉計劃和灌溉量。在溫室等設施內較多使用小型灌溉控制器，通常能控制幾路或十幾路電磁閥，內置若干套灌溉管理程序，預先設定灌水開始、結束時間和間隔時間，自動化、智能化控制，運行精密可靠、節省人力[11]。

微機測控技術，它是將計算機技術、傳感與檢測技術以及通訊技術結合起來，能夠檢測土壤墑情、環境特征，并依據檢測結果來決定灌溉量與灌溉時間，擺脫了傳統的全憑經驗灌溉的灌溉模式[11-13]。

1.2國內的發展

我國的節水灌溉技術和設備自20世紀50年代從國外引進后，在很長一段時間內，主要是示范應用。到20世紀90年代后，隨著經濟的發展、水資源的緊張及國家的重視，節水灌溉得到了快速地發展，從國外引進許多先進節水灌溉設備，同時我國在滴灌等節水灌溉技術上的研究也取得很大進步，但是在自動灌溉控制系統方面技術還比較落后，基本上還沒有自行成型的自動控制產品，絕大部分都依靠從國外進口。因此，加速開發適合我國國情的成套、適用、可靠、低成本、高效率、先進的智能節水灌溉控制系統是十分必要和緊迫的。另外隨著我國農業現代化進程的加快、農業結構的調整以及計算機技術、通信技術及自動控制技術等的迅速發展，節能精準灌溉技術將成為未來農業工程研究的主要方向和特點。

2　智能監控系統設計

節水灌溉自動控制系統的研究方案[14-17]是將傳感技術與單片機控制相結合，設計一個簡單、低成本、易推廣的控制系統，能夠實時檢測土壤及作物的一些灌溉控制參數，根據檢測結果實現按需、精準灌溉，到達高效節水、優質高產的目的。整個控制系統主要應該有四個模塊:檢測模塊、數據處理模塊、數字模塊及控制模塊。

2.1測量參數

不同的作物對水分的需求量是不一樣的。按需、精準灌溉就是要根據作物的需水特性來控制灌溉量，使土壤的含水量能剛好達到作物的需求。這樣做的目的不僅僅是節水，還能促使作物更好的生長，達到優質高產。因為對作物來說，土壤含水量并不是越多越好，對某些作物來說，水分太多反而會抑制生長，適量的水分對作物的生長才是最有益的。

要實現按需、精準灌溉，土壤水分是必須測量的最主要的參數。水分是天然土壤的一個重要組成部分，它不僅影響土壤的物理性質，制約著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，是構成土壤肥力的一個重要因素，而且它本身更是一切植物賴以生存的基本條件。除了土壤水分外，土壤溫度也是決定是否灌溉的一個重要參數，因為溫度過低，灌溉會凍傷作物的根系，因此，必須要監測土壤溫度，在土壤溫度過低時就停止澆水。

2.2傳感器數量

針對土壤情況不同，需要的傳感器數量是不一樣的。有的土壤一致性好，只需一個傳感器測量土壤墑情就可，但有的土壤一致性差，就需要多支傳感器來測量土壤墑情。同時，土壤的面積有大有小，也決定了需要不同數量的傳感器。因此，控制系統在設計時要配備多支傳感器。而且，配備多支傳感器也能增強控制系統功能，能夠同時控制不同作物的灌溉。但是，傳感器的數量也不能太多，傳感器路數太多也會增加控制系統的成本。在控制系統設計時要綜合考慮所需配備的傳感器數量。

2.3作物缺水判斷

不同的作物對水分的需求是不同的，周圍環境不同，作物的需水量也會有所不同。即使同一作物，在不同生長階段對水分的需求也不同。我國的作物有幾千種，不同的作物有不同的缺水狀況;我國面積廣大，氣候條件變化無常。怎樣才能使控制系統適應不同的作物，在不同氣候條件和不同季節都能實現按需灌溉，這是控制系統通用性設計最主要要解決的問題。如果解決不好，控制系統也就失去了其推廣的意義。

2.4灌溉控制方式

目前我國各個設施農業中灌溉系統的水狀況不一樣，有的采用電機控制水流、有的采用水泵加壓后才能進行灌溉，有的采用電磁閥代替手動閥門控制水流灌溉。因此，控制系統在設計時要考慮到控制信號的通用性，既能控制電機、水泵，又能控制電磁閥。

3　智能控制系統應用實例

某項目約500畝，溫室聯棟大棚，種植蔬菜，85只電磁閥門，采用智能控制系統。監控系統由現場控制裝置、環境數據采集系統、無線數據傳輸系統、等部分組成。

控制系統結構示意見圖1。

圖1　控制系統結構示意圖

數據采集系統將大棚生產中所需的溫濕度、光照等信息發送給現場控制裝置；在面積較大的溫室大棚中，可以采用基于ZigBee技術的數據采集終端。通過由3G網絡和Internet網絡組成的物聯網發送到管理中心，實現統一管理。有線和無線數據采集系統見圖2、圖3。

圖2　有線數據采集

圖3　無線數據采集

滴灌使用土壤水份測量設備，測量土壤水份。噴灌使用降雨量傳感器，測量降雨量。

可以實現多種灌溉模式。設備由太陽能電池供電，無線聯網。

有小型氣象站，可實現天氣預報功能，供系統決策使用。

智能控制軟件，泵站內有觸摸屏系統，監控中心也能控制。

4　結論與建議

節水灌溉技術是比傳統的灌溉技術明顯節約用水和高效用水的灌水方法。但我國節水灌溉技術目前存在一些問題，如采用噴灌、微灌和管道輸水等先進節水灌溉技術的比例還很低，節水灌溉設備質量差、配套水平低廠技術創新與推廣體系不健全灌溉用水管理技術落后，信息技術、計算機、自動控制技術等高新技術在灌溉用水管理的應用還很少，應當根據不同地區的自然經濟狀況，包括水資源狀況、氣候條件、農業生產經營方式、作物種類、經濟發展水平等，科學確定不同地區、不同階段的節水灌溉發展模式，加快研究開發先進、適用的農業高效用水技術及科學的智能控制系統。

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S275

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1009-7716（2016）03-0082-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.024

2015-11-24

池麗敏（1981-），女，河北張家口人，工程師，從事水利規劃設計工作。