農業節水灌溉自動化技術應用策略

山東省鄄城縣左營鎮政府 王新華

農業作為第一產業，在為社會提供糧食資源、保障能源安全方面具有非常重要的作用。但是從實際情況來看，我國農業仍然殘存著小農經濟的模式，規模化和自動化程度還不夠。而農業灌溉自動化技術是發展現代農業的重要舉措，不僅能提升農業工作的效率，而且可以積極推動農業發展的轉型。我國農業灌溉自動化技術的研究與開發雖然起步較晚，但近幾十年來也取得了很大的進步。目前我國灌溉自動化技術相對于發達國家還不夠成熟，智能化程度也不高，很多農村進行農業灌溉仍然采取半自動灌溉的方式[1]。而且農村地區缺乏農業灌溉自動化技術的專業人才，在硬件基礎設施上還沒有形成完整的設備鏈。農業節水灌溉自動化技術可以憑借信息技術實現對農作物的精準灌溉，從而有效避免了水資源的浪費，促進了農作物產量的增加。因此，農業節水灌溉自動化技術擁有廣闊的應用前景，而針對農業節水灌溉自動化技術和優化控制的研究就顯得尤為必要了。

1 農業節水灌溉自動化技術概述

1.1 自動化節水灌溉技術介紹

自動化灌溉技術能夠把通訊技術、計算機技術、傳感采集技術融為一體，運用這些技術把一些信息采集出來，操作者再根據這些有效的數據來做好農田灌溉時間的確定和灌溉量的多少。自動化灌溉控制系統會按照自動化技術中的傳感器采取的農田信息和灌溉的控制參數和儲水量進行有針對性的灌溉，以達到高效節水的效果[1]。而農業節水灌溉自動化技術的一個重要優勢就是可以實現對農作物所需水量的精準識別，而且可以利用大數據技術進行數據分析，最終，經過中央控制系統的有效處理，自動識別農作物所需的水量，從而進行灌溉水資源的精準分配[3]。除此之外，農業灌溉自動化技術還具備自我調整的功能。在灌溉實踐中，一旦實際灌溉水量和系統確定水量出現較大差別時，農業節水灌溉自動化系統就會自動停止灌溉，從而為有關人員進行灌溉調整提供時間。這在很大程度上提升了灌溉的精準性和灌溉效率。

1.2 農業節水灌溉自動化技術的優點

1.2.1 操作難度小

從實際情況來看，我國大多數農民的文化素質水平較低，普遍不具備機械專業的知識背景。以前的農業節水灌溉技術還不太完善，自動化和智能化的程度也沒有那么高，復雜的農業灌溉系統并不適合農村的實際發展狀況。而如今隨著農業技術的發展，以及農業節水灌溉自動化系統的普遍應用，依靠其易操作性、較強的可靠性和穩定性，得到了廣大農民的認可，同時其也比較適合我國當前農村的實際情況。

1.2.2 抗腐蝕能力強

農業灌溉必須考慮農村的實際特點。由于我國農村的很多農作物都使用了化學農藥，所以在農業灌溉的過程中，系統會不可避免地受到農藥殘余成分的影響，很多輸水管道會經受農藥殘余的長期腐蝕。因此在保證農業灌溉自動化技術的條件下，輸水管道的建設較多采用抗腐蝕性較強的材料，以降低輸水管道被農藥殘余腐蝕的概率，并延長系統整體的使用壽命，從而降低設備維修的成本。

1.2.3 可實現自動化的調整

自動化節水灌溉系統具有很強的自我調整能力，系統自動對灌溉區域農作物的生長狀況和所需的水量進行分析，農業工作者只要保證水量充足，系統就能自動實現灌溉用水的精準識別和分配。除此之外，節水灌溉自動化系統還具備自我調節的能力，一旦發現系統數據和實際灌溉水量數據存在較大差別時，就會自動停止輸水，并進行系統內部的自我修正。

2 農業節水灌溉自動化系統的設計

2.1 系統的組成和結構

節水灌溉自動化系統包含多元化元素，具備多樣化特點。一般來說，這包括灌溉系統上的水泵、現場水泵動力單元、電動閥控制單元、土壤濕度計、視頻系統和計算機自動化系統監控中心[5]。水利灌溉自動化系統主要采用上層單元、可編程控制器和現場儀表檢測控制器連接的監控模式，并根據就地泵站的功能分為三層。

2.2 節水灌溉自動化系統的硬件構成

2.2.1 可編程控制器

可編程控制器廣泛應用于農業灌溉系統和供水自動化。可編程控制器一般安裝在現場，采用普通PLC繼電器接觸器的工作方式來實現泵閥的自動化，具有抗干擾、抗噪聲、性能好、效率高等特點。可編程控制器分為不同的類型，它們的結構方式、工作原理、編程方法都各不相同。很多農業灌溉節水系統采用的是西門子S7-200系列PLC。

西門子S7-200系列PLC是西門子的一款緊湊型產品，可在獨立工作和與其他設備通信的情況下執行復雜的控制功能。S7-200軟件控制器廣泛應用于自動化控制的幾乎所有領域，如各種機床、水利建筑、民用設施、環保設備等[2]。

2.2.2 多功能儀表

水泵電機電力參數是對泵站運行安全性進行評估的重要參數，也是衡量表征電機工作狀態的重要依據，因此，多功能儀表對于節水灌溉自動化系統而言，非常重要，比如常用的HR6300系列三相網絡電力儀表就具有非常完善的功能，能夠實現對數據的測量、控制和輸出。該多功能儀表裝置采取的是高清晰的液晶分段顯示模式，參數設置非常簡便，安裝難度小。該儀表具有以下幾個方面的特點：首先，可以直接從電流中獲得信號；第二，儀器可以設置不同的地址；最后，該儀表在斷電的情況下能夠實現電能保存。在恢復電能以后，儀表可以繼續工作。

2.2.3 土壤濕度傳感器

水分是土壤的重要組成部分。土壤水分測量是現代灌溉的基礎條件。而根據農作物生產環境和系統要求的不同，節水灌溉自動化系統可以采用phts土壤水分傳感器系統，這是一種精度高，更敏感的土壤濕度計，能夠在較短的時間內得到土壤的真實含水量，而且具備較強的抗外界干擾能力，不受土壤中化肥和殘余農藥的影響，其測量的范圍為100%及以下，其分辨率為0.1%的8次方。而在利用該儀器對土壤水分進行測量時應該設立多個測量點。

2.2.4 紅外熱成像儀

很多農作物在生長的過程中受到外界因素的影響較大，從而直接影響了作物產量和品質。所以，及時獲得農作物生產的相關信息對于開展農業現代化來說具有非常重要的意義。而運用高分子的紅外熱線也可以快速測定農作物表面溫度的情況，同時，實現環境因子監測，以實時顯示作物的生長狀況，從而預測生長趨勢，判斷作物是否受到干旱、高溫或鹽堿的影響[3]。

在運用紅外熱成像儀時，可以在農田中原則具有代表性的區域，并且通過網絡將相關數據傳輸到管理中心。通過相關軟件可以對定時間拍攝的紅外成像照片進行數字化的分析，最終得到關于農作物溫度和農作物蒸發量的關系曲線。再結合土壤的含水量，應用智能化的模型來確定灌溉的時間和灌溉用水量。

2.3 系統的通信設計

根據灌溉農田的分布情況，節水灌溉自動化系統采取了無線擴頻通信方式實現所有農業地區都有通信網絡。無線寬帶，即擴展頻譜通信，這種通信模式與衛星通信和光纖通信一同被稱之為當前最為主流的三大通信模式。這種溝通方式與狹隘的溝通方式有很大的不同。其優點是具有較強的室內抗噪聲性、較高的保密性和良好的隱蔽性。它不能被攔截和重用在多個地方，因此，無線通信模型經常與普通計算機進行通信，以實現灌溉計算機智能處理中心、泵站現地測控單元、泵閥控制單元之間的網絡通信。

2.4 智能化灌溉決策系統

節水灌溉自動化系統包括計算機全自動運行和手工控制兩種方式[5]。在計算機全自動運行模式中，計算機軟件系統會建立灌溉模型和灌溉制度，同時也可以對農田余水量、農田的土壤含水量、植物的水分蒸發量等數據進行分析，并以此為依據對系統的注水量進行調節，從而實現灌溉效率的提升。節水灌溉自動化系統的工作步驟為：第一步，開啟水泵和電動閥，開始灌溉；第二步，一旦農田的含水量達到了預設值，那么就會自動關閉水泵和電動閥；第三步，計算機系統進行遠程控制和監測；第四步，確定灌溉的水流量、時間；第五步，開始設定各種灌溉限值。

3 節水灌溉自動化系統的功能

3.1 數據采集

節水灌溉自動化系統的現場控制單元能夠對系統設備和每個傳感器信號進行精確地采集與測量，這也是該系統實現節水灌溉的保障。泵閥測控單元配備觸摸屏，能夠在泵室內采集灌溉系統設備的參數，為工作人員提供便利，其采集的主要信息包括灌溉農田的氣溫、灌溉農田的土壤含水含量、各個支管放水閥的開啟或關閉狀態、各出水口的用水量等。

3.2 現場控制

現場灌溉的泵站分為兩個單元機柜，水泵柜和閥門柜，另外兩個單元機柜上都有操作按鈕。工作人員通過操作按鈕來調整變頻器頻率，而且對水泵技術的控制器采用的是可編程控制器，性能可靠、運行穩定、操作簡單[4]。

3.3 遠程監控

監控中心設在兩個工作站，分別是監控工作站和視頻工作站。該工作站可以實時恢復采集到的數據，并通過無線擴展傳輸到控制中心的智能服務終端。業務終端可以通過以太網傳輸對客戶端進行監控。監測站的數據采集具有現實性的特點，同時可以實現對泵站的監控、對數據報表的出具等。監控工作站可以對泵站機組的權限進行分配，提高管理效率。而視頻工作站能夠用圖像和視頻的方式完成對現場工作狀態的記錄，并將參數進行顯示，從而幫助管理進行調整。

4 農業節水灌溉自動化應用策略

4.1 提高自動化控制技術水平

農業節水灌溉自動化系統的核心是自動化的控制技術。因為在工作的過程中需要使用到各類傳感器和紅外熱成像儀，實現對灌溉區域農田的土壤、水分、天氣、溫度、濕度等各種因素的分析，然后通過數據匯總，得到農作物灌溉的最佳時間和最佳灌溉量。自動化控制技術從農作物的實際生產狀況出發，能夠實現水分的精準分配，減少用水浪費，提高灌溉效率。另一方面，農業節水灌溉自動化技術的國有化程度嚴重不足。而農村地區的耕種面積廣泛，農作物種類多樣，因此必須實現節水灌溉生化技術的國有化。有關部門應該針對我國農產品種植和治理的特點，開展節水灌溉技術的研究。而自動化控制系統一定要具備簡單、易操作的特點。

4.2 加強對系統的日常維護

加強對農業灌溉技術自動化系統設備的保養與維護是實現現代化灌溉技術的前提。所以在日常工作中，一定要加強對設備的維護工作。一方面，應該建立農民與技術人員的實時溝通機制。技術人員負責對設備進行安裝和管理，同時還應該對農作物的生產狀況進行調查。在調查的基礎上對技術和相關的設備性能進行改進，使之適應當地的農業生產條件。另一方面，農民加強對農作物生產狀況的觀測，記錄好灌溉中植物的數據變化，從而為日后農業節水灌溉自動化技術的升級提供數據依據[5]。

4.3 大力培養專業化人才

一方面，有關部門應該加強對農民的培訓，激發農民農業現代化的意識。各個地區可以組織農業技術人員開展對農民的培訓工作，從而提高農民應用農業技術的能力。另外相關部門應該加強農業節水灌溉技術廣泛應用的宣傳工作，使得農民更好地接受和適應自動化技術。除此之外，農業科學研究院還可以開展同農業高等院校的合作，引入有關人才，推動灌溉節水自動化系統的發展。

5 結語

自古以來我國都是以農業為本，我國也是農業大國。當前節水灌溉自動化技術日益成熟，同時也廣泛應用于農業灌溉中，而作為農業大國的我國在農業節水灌溉自動化技術的應用方面還不太完善，還需要更多的優化與改善。未來農業的發展離不開科技和創新，為了我國農業能夠更好地發展，必須加大在農業自動化技術方面科研投入，以保證我國農業發展跟上時代潮流。期望本文的研究能為節水灌溉自動化系統的發展和優化提供一定的參考與借鑒。