基于計算機技術的農業節水灌溉系統設計

文/張鴻翔

我國為全球農業大國，農業灌溉用水量相當龐大，在所有用水中農業用水綜合占比高達80%，因此如何有效解決農業灌溉用水等相關問題，為解決當前國內水資源緊缺的一個關鍵路徑。伴隨著計算機技術的迅猛發展，如今在農業節水灌溉過程中，可以利用先進的計算機自動化技術來完成。通過自動控制與計算機技術的有效融合，針對有關數據展開精準采集，這樣有助于自動化灌溉的順利實施。此外，目前智能測量儀器也得到廣泛應用，讓控制設備精準度得以大幅度提升，可以結合農作物生長情況以及相關需求選擇最匹配的控制儀器，最終完成節水節能的目的。

1 設計原理

在系統運作過程中，對集中理算監控等相關工作主要借助中央控制器來完成。以計算機作為核心的氣象工作站，通常將對輻射、濕度、溫度以及具體分享等相關參數展開全面收集，然后借助傳感器采集土壤濕度等情況，將采集信息數據傳送至中央控制器。結合接收到的數據信息，中央控制器將自動將其與標準數據展開綜合性對比，結合對比結果下發指令，然后指令通過控制器下達至電磁閥，結合實際情況對電磁閥開啟或關閉。一旦電磁閥接收到開啟命令，將在第一時間利用機泵抽水并灌溉農作物，具體設計原理可見圖1。

2 系統設計

在設計節水灌溉系統的過程中，其中關鍵結構為控制系統，該系統設計的是否到位相對灌溉系統的正常運行帶來很大影響。一般來說，控制系統除了計算機、串口線、接口、電磁閥以及相關軟件之外，還包括雨量以及濕度傳感器等設備，具體組成可見圖2。

利用這些控制軟件對土壤濕度展開監測，然后借助傳感器對水量信息加以收集，結合數據情況下發指令，對電磁閥是否開啟以及開啟時間進行控制。此外，結合農作物具體生長情況，對灌溉詳細時間點進行設置，然后下發控制指令。

2.1 硬件設計

2.1.1 計算機

內存容量不低于2GB，CPU 頻率需超過2.00GHz，磁盤容量不能小于500GB，此外對主板以及鼠標都有嚴格控制。

2.1.2 采集數據

為確保節水灌溉系統的正常運行，通常首先要對灌溉區降雨以及土壤濕度等狀況進行充分了解，通過這些數據信息對灌水量進行確認。目前在灌溉系統運作過程中，采集數據常用到的設備有兩種，第一種為濕度傳感器，另外一種為雨量傳感器。

（1）濕度傳感器。土壤里面所含水分高低對農作物生長將帶來很大影響，如果水分比較欠缺，農作物很有可能因為缺水營養不良甚至旱死。因此監測土壤濕度顯得很有必要，有助于對土壤水分含量進行實時掌握。本文節水灌溉系統使用的適度傳感器型號為RHD- 100，直徑為3 毫米，測量時間保持在2 秒，工作電壓與電流分別為5 ～ 12 V、 21 ～26 mA。此外，該系統所用的探針長為5.5 厘米。

（2）雨量傳感器。雨量傳感器除了上翻斗、計數以及計量翻斗之外，還包括干簧管、承雨口與螺釘等零部件。在工作過程中，利用承雨口收集雨水，經過漏斗雨水將被送至上翻斗，當雨水量達到相應數值時上翻斗發生側翻，通過節流管等雨水被送至計量翻倒。當雨水量達到一定數值時計量翻斗發生側翻，此時翻斗上配置的磁鋼開始掃描干簧管，事先通電的干簧管在磁化作用下將出現閉合，借助二芯電纜將信號傳輸出去，計數器將接收到信號。翻轉以此相當于0.1mm 降雨量，然后對降雨量進行統計，結合統計數據結果以及農作物自身需求，最終確定農作物是否缺水并及時進行灌溉。

2.1.3 輸出驅動

信息收集完畢后，利用輸出驅動模塊電磁閥將接收到計算機信號，結合信號情況輸出驅動模塊將產生相應的推力。在該系統運作過程中，調節閥主要使用的為直動式，首先對電磁閥通電，在電磁吸力作用下閥芯開始提起，同時關閉件開啟，灌溉水就可以順利通過，此時電磁閥處于工作狀態；如果將電源切斷，電磁力也將不存在，閥門在彈簧力作用下被關閉，此時電磁閥處于停止狀態。

圖1：節水灌溉系統原理

圖2：控制系統結構

圖3：軟件系統工作流程

2.2 軟件設計

在設計節水灌溉系統時，實現語言主要借助VB.NET 軟件進行編程，后臺數據庫主要選擇Access。如果需要維護數據庫，用戶僅需登錄操作頁面并按照相關提示操作即可。節水灌溉系統操作流程具體可見圖3。

登錄節水灌溉系統后，首先需要對用戶個人信息加以驗證，結合相關需求管理員可對個人信息、土壤以及農作物等詳細信息加以刪減。如果為一般用戶，其權限僅能監控或者查詢相關信息，結合農作物對水分需求控制水泵，操作完成后即可退出系統。

節水灌溉系統通常處于露天環境下，結合農作物種類進行不同區域的劃分，不同農作物對水分及土壤需求存在差異，因此如果多種農作物進行混合種植，通過該節水灌溉軟件可選擇三個不同的區域。然后結合土壤濕度、深度、灌溉水源利用率等相關參數，對數據進行發送或重新設置。

（1）系統管理模塊。該模塊除了可隨時診斷設備工作狀態，同時還能在緊急情況下進行自動報警，針對出現故障的節點展開精準定位，對系統運作狀況實施全方位監控。在管理過程中主要以無線基站作為核心，確保系統穩定運行，同時設備利用率也得到提升，維護成本也將出現相應降低。該系統操作靈活方面，可結合實際情況隨時進行維護或升級。

（2）地塊信息模塊。利用該模塊可以對農作物土壤營養成分含量等信息進行充分了解，通過計算農作物水分需求量，對該地區用水灌溉量進行精準判斷，然后結合所得數據對灌溉設備展開自動化控制，最終對系統進行選方位控制。

（3）自動灌溉模塊。為了確保系統高效運作，同時全面提升灌溉效率、節省水資源，需結合不同生長節點農作物水分需求量的差異，針對循環灌溉信息進行設置，確保農作物在不同生長節點充足的水分供應。

3 系統運行流程

（1）在農作物生長過程中，主要借助信息采集系統對雨水量、氣候以及濕度等數據展開大范圍收集，同時將所的數據及時傳遞至控制系統。

（2）接收到采集系統發送的數據后，利用PLC 控制器對其進行整理，同時借助監控系統將數據顯示出來。

（3）通過相應的指令以及控制策略，監控系統將向執行單位下發命令。

（4）收到監控系統命令后，水泵將根據命令對電磁閥開啟或者關閉。

為確保系統的穩定運行，在設置系統時除設置自動模式外，還要設置手動模式，以便出現任何故障可切換運行，確保系統的穩定運作。

4 結束語

在節水灌溉系統設計過程中，用到了包括通信、自動化以及無線電等諸多先進技術，有助于農田灌溉數據收集與整理。該系統在設計時結構并不復雜，耗能較為理想，同時運行成本較低，操作過程可保證穩定性以及持久性，讓節水灌溉變得更加智能化與系統化，提升節水灌溉效率的同時，還能大幅度接收水資源，因此具備很高的經濟與社會價值，在農田灌溉實際操作中可推廣應用。