智能農(nóng)業(yè)灌溉——“互聯(lián)網(wǎng)+中的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”

中國是農(nóng)業(yè)大國，“互聯(lián)網(wǎng)加現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”。大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，應用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)。，推動農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備和信息化水平，推動農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國轉(zhuǎn)變，搭建全球農(nóng)業(yè)高新技術(shù)展示交流大平臺。

近年來，隨著全球水資源的日益短缺，世界各國都在積極探索節(jié)水的有效途徑和措施?？刂谱詣踊?jié)水灌溉技術(shù)的水平代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。灌溉系統(tǒng)自動化水平低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。節(jié)水灌溉作為一項現(xiàn)代工程技術(shù)，無論是工程節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水還是管理節(jié)水，都必須以節(jié)水灌溉設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化為基礎(chǔ)。節(jié)水灌溉技術(shù)是為解決水資源短缺和提高灌溉效率而發(fā)展起來的現(xiàn)代灌溉技術(shù)之一。

智慧農(nóng)業(yè)是中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進程中不可或缺的力量，也是未來全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。中國以互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為主要技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)，是一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。它結(jié)合現(xiàn)代管理系統(tǒng)，集成各種信息技術(shù)，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)中的綜合應用。目前已廣泛應用于溫室種植、畜牧養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等領(lǐng)域。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不需要任何人控制。該系統(tǒng)可以自動感應何時需要灌溉以及需要多長時間。系統(tǒng)可以自動開啟或關(guān)閉灌溉；可以在土壤過干時增加噴灌量，過濕時減少噴灌量。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)涉及傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多項高新技術(shù)。這些新技術(shù)的應用為中國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要基礎(chǔ)。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)——智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤類型以及光照量優(yōu)化用水量，還可以監(jiān)測雨后土壤濕度。研究現(xiàn)實表明，與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的成本相近，但可節(jié)水16%至30%。農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%。由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍較低，水的利用率只有45%，而水資源利用率高的國家達到了70% ~ 80%。因此，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問題對于緩解水資源短缺十分重要。我們的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)就是在這種背景下應運而生的。

該系統(tǒng)遵循以下幾點:

1.系統(tǒng)的模塊化和層次化設(shè)計，以提高效率、增加可維護性和便于擴展；

2.靈活的硬件配置，用戶可以在不改變軟件的情況下，隨意升級和更換受控的硬件設(shè)備；

3.人機界面友好，實現(xiàn)了灌溉過程的無人值守，降低了人員的工作強度，提高了灌溉效率；

4.抗電磁干擾能力強，保證系統(tǒng)能在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下可靠運行；

5、自動故障檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備布局要求美觀。

為了節(jié)約噴灌用水，實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能:

1.數(shù)據(jù)采集功能:可接收土壤濕度傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)。模擬信號處理就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)。

2.控制功能:具有定時控制和循環(huán)控制功能，用戶可根據(jù)需要靈活選擇控制方式。

3.電機過載保護功能:當電機過載時，電機立即停止轉(zhuǎn)動，停止灌水過程，故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復運行。

4.雨天自動停機:濕度傳感器的開關(guān)量作為可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能。

5.省電功能:定時控制器在斷電時正常計時，因此用作可編程控制器的電源控制。在預定的灌溉控制時間內(nèi)，定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器根據(jù)預先編制的程序依次接通各控制裝置的電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間，定時器自動關(guān)閉可編程控制器的電源，既降低了系統(tǒng)的功耗，又延長了設(shè)備的使用壽命。

6.急停功能:發(fā)生緊急事故時，按下急停按鈕，電機立即停止運轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，噴頭停止灌溉。

7.故障自動檢測功能:當灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如水管破裂(水壓為零)、傳感器故障、電機故障、變頻器故障、電磁閥故障等。，水泵立即停止運行，電磁閥關(guān)閉，故障報警燈閃爍，警笛鳴響。操作員可以按下“靜音”按鈕取消響鈴，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除后才會自動停止閃爍。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)方案

每種植物都有適合其生長的濕度。如果濕度過高，植物的根系會在土壤中腐爛。如果濕度太低，就不足以滿足植物生長所需的水分。灌溉是在適合植物生長的濕度范圍內(nèi)，更大程度地滿足土壤濕度?？梢苑譃榇笥凇⒌扔?、小于三種情況。系統(tǒng)根據(jù)可編程控制器中預先編制的程序，按照一定的灌溉水量自動灌溉。最終灌溉由系統(tǒng)自動實現(xiàn)，無需人類直接參與，人類的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。

控制器、傳感器和變頻器是實現(xiàn)智能灌溉不可或缺的設(shè)備。但是要想讓整個草坪得到等量的水，實現(xiàn)均勻智能灌溉，必須設(shè)計一套完整的系統(tǒng)。

一套完整的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關(guān)量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表、顯示面板等組成。

水源:包括各種可能使用的水源，如自來水、河流、井水、池塘等。根據(jù)與灌溉區(qū)的距離，重要的是選擇的水源有足夠的供水。

電源模塊:穩(wěn)定可靠的電源是整個系統(tǒng)安全可靠運行的重要前提，要求電源模塊穩(wěn)定可靠，具有一定的功率裕度。

顯示:通過顯示面板上的指示燈，操作者可以清楚地看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于控制和維修。

其他輔助設(shè)備:冷卻風扇、UPS等輔助設(shè)備是完善整個系統(tǒng)所必需的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。

智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)

1.智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)工作時，濕度傳感器采集土壤中的干濕度信號，檢測到的濕度信號經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標準電流模擬信號轉(zhuǎn)換成濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器。50%-60% RH預設(shè)為可編程控制器中的標準濕度值。相對于50%-60% RH，實測濕度信號可分為三種情況:在此范圍內(nèi)、超出此范圍和低于此范圍?？删幊炭刂破鲗⒖刂菩盘杺魉徒o變頻器，變頻器根據(jù)濕度值相應調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。電機驅(qū)動水泵從水源抽水。需要灌溉時，電磁閥會自動打開，水通過主管道和支管道輸送到噴頭，噴頭會自動旋轉(zhuǎn)到自己的旋轉(zhuǎn)角度。沖洗結(jié)束時，電磁閥自動關(guān)閉。為了避免遠離水源的噴頭無法供應足夠的壓力，在電磁閥的一側(cè)安裝了壓力表，以保證噴頭的水壓符合設(shè)定的噴水范圍，避免因水壓不足導致噴頭范圍縮小的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)草坪灌溉的智能控制。

2.智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜上所述，為了實現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)需要可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電機、水泵、電磁閥、管網(wǎng)等設(shè)備。

①可編程控制器:負責發(fā)送和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。

②傳感器:由于設(shè)計時間較短，且忽略了溫度對灌溉的影響，所以只用土壤濕度傳感器代替溫度傳感器。傳感器收集土壤中的濕度信號，以確定是否需要灌溉。

③A/D模塊:由于可編程控制器不能接收模擬信號，所以需要將傳感器的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

④變頻器:通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)噴灌流量，達到節(jié)水的目的。

⑤電機和水泵:電機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。

⑥電磁閥:控制是否進行噴灌。

⑦管網(wǎng):灌溉系統(tǒng)中輸送水的管道。

高效節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)勢

(1)推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應用，不僅大大提高了水的利用率，而且?guī)恿宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)田水利建設(shè)模式，提高了土地利用率。

(2)改變了傳統(tǒng)的工作模式，大大降低了運營成本，提高了勞動生產(chǎn)率。

各種高效節(jié)水灌溉技術(shù)

(1)噴灌比漫灌節(jié)水30%。主要用于田間密植作物，適合區(qū)域控制，具有增產(chǎn)和提高耕地利用率的優(yōu)點。但由于能耗高，蒸發(fā)損失大，需要大容量水源，只能在風力不超過3級的條件下使用。

(2)微灌微灌是一種先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，只能為作物需要水的部位提供所需的水，由“澆地”變?yōu)椤皾沧魑铩?。微灌用于設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟作物，適用于所有地形和土壤，具有節(jié)水增產(chǎn)的效果。灌溉均勻，比噴灌至少節(jié)水50%。微灌很容易實現(xiàn)水肥一體化。但微灌對水質(zhì)和日常系統(tǒng)維護要求較高。

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