齊松濤+方部玲+曹越+孫雄飛

摘要： 以農(nóng)業(yè)休閑旅游園區(qū)“秣陵杏花村”智能灌溉系統(tǒng)為例介紹了系統(tǒng)組成、使用原理。該智能灌溉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室或大田的環(huán)境參數(shù)采集、存儲(chǔ)、顯示及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。智能控制系統(tǒng)的使用一方面大大解放了勞動(dòng)力，另一方面通過(guò)現(xiàn)代化噴滴灌系統(tǒng)精準(zhǔn)灌溉，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。系統(tǒng)使用一年半時(shí)間運(yùn)行良好。

關(guān)鍵詞： 智能灌溉；休閑農(nóng)業(yè)；無(wú)線(xiàn)控制；噴滴灌

中圖分類(lèi)號(hào)： S24；S275.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0421-03

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越受人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉設(shè)備的研究，在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)步。這種灌溉方式可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)、適時(shí)灌溉，既可以提高水的利用率，又可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收。建立現(xiàn)代化的灌溉管理技術(shù)體系，應(yīng)用高、新技術(shù)使灌溉向精準(zhǔn)化方向發(fā)展是當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展的普遍趨勢(shì)。在我國(guó)，由于近年來(lái)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的不斷減少，智能灌溉系統(tǒng)也在慢慢被大家所接受，但是相對(duì)較高的價(jià)格是目前阻礙其向普通老百姓推廣的最大障礙，而休閑農(nóng)業(yè)因?yàn)槠漭^高的經(jīng)濟(jì)收益對(duì)價(jià)格敏感度相對(duì)較低，是目前智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用中的先行者。本研究以筆者參與的工程實(shí)例——秣陵杏花村智能灌溉系統(tǒng)為例介紹了系統(tǒng)組成、使用原理。

1 智能灌溉系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，顧名思義，就是物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)在灌溉中一般應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合田間設(shè)施大棚設(shè)備、噴滴灌設(shè)施，形成現(xiàn)代化智能灌溉系統(tǒng)。

智能灌溉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室或大田的環(huán)境參數(shù)采集、存儲(chǔ)、顯示及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能[1]。系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器采集信息，及時(shí)準(zhǔn)確地了解田間灌溉情況，為設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)、對(duì)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)，使農(nóng)業(yè)逐漸地從以人力為中心、依賴(lài)于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式[2]，從而實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)。

2 智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)用介紹

秣陵杏花村坐落于南京江寧的古鎮(zhèn)秣陵，是江寧“新金花”之一，主要定位為南京首家農(nóng)趣體驗(yàn)式休憩農(nóng)莊，致力于打造以休閑旅游、農(nóng)家餐飲、農(nóng)業(yè)互動(dòng)為一體的生態(tài)農(nóng)莊，占地面積54 hm2。本文所展示的智能灌溉系統(tǒng)處于其園區(qū)核心功能區(qū)，占地面積約為2.8 hm2，包括真實(shí)版的QQ菜園、QQ農(nóng)場(chǎng)和以色列農(nóng)展館（連棟溫室）2部分。

2.1 智能灌溉系統(tǒng)主要功能簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)杏花村內(nèi)以色列農(nóng)展館的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、QQ菜園、QQ農(nóng)場(chǎng)的智能灌溉，主要功能如下：

（1）溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)存貯。本系統(tǒng)所采集的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)包括當(dāng)前空氣溫度、當(dāng)前空氣濕度和光照強(qiáng)度；溫室自動(dòng)控制主要為外遮陽(yáng)、內(nèi)遮陽(yáng)、風(fēng)機(jī)、濕簾、噴淋，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)的灌溉和營(yíng)養(yǎng)液施加；實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)及數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

（2）溫室的視頻監(jiān)控。采用數(shù)字?jǐn)z像頭+視頻采集卡方案，配合高清攝像頭，成像穩(wěn)定，視野更遠(yuǎn)，采用光纖遠(yuǎn)程傳輸。

（3）不同地塊灌溉的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制。QQ菜園安裝布置高效節(jié)水的微噴灌系統(tǒng)，QQ農(nóng)場(chǎng)安裝布置效率高的搖臂式噴頭灌溉系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)技術(shù)，可控制灌溉水泵的開(kāi)啟關(guān)閉；利用土壤水分傳感器，設(shè)定灌溉閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)閉，無(wú)人值守灌溉田地。

（4）遠(yuǎn)程Web與智能手機(jī)終端監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)互聯(lián)作用，隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控終端的訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 智能灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)杏花村地形特點(diǎn)，主體采用無(wú)線(xiàn)連接，避免布線(xiàn)和對(duì)示范園的影響，視頻由于信息量大采用光纖傳輸以減小損耗，野外QQ菜園、農(nóng)場(chǎng)采用無(wú)線(xiàn)連接方式實(shí)現(xiàn)土壤墑情獲取和控制，整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。智能灌溉系統(tǒng)主界面見(jiàn)圖2。

2.3 智能灌溉系統(tǒng)實(shí)施效果

（1）智能灌溉系統(tǒng)可執(zhí)行以下3種模式操作：

遠(yuǎn)程自動(dòng)模式。可通過(guò)辦公室PC和手機(jī)2種終端進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制水泵開(kāi)關(guān)，從而控制噴灌系統(tǒng)啟動(dòng)和停止。

全智能模式。該模式特點(diǎn)為通過(guò)預(yù)先設(shè)定相關(guān)溫濕度閾值，系統(tǒng)對(duì)土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)或者關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，有效節(jié)約勞動(dòng)力成本。同時(shí)使灌溉更加精確、科學(xué)、合理。

全手動(dòng)模式（傳統(tǒng)作業(yè)）。業(yè)主或種植戶(hù)可使用泵房中的智能控制柜及相關(guān)手動(dòng)閥門(mén)跳過(guò)操作平臺(tái)直接操控菜園噴灌系統(tǒng)，智能控制界面設(shè)置見(jiàn)圖3。

（2）視頻監(jiān)控界面如圖4所示。通過(guò)模擬攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室植物生長(zhǎng)狀況以及控制機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

視頻監(jiān)控界面功能：①畫(huà)面輪視功能，可設(shè)置畫(huà)面按照設(shè)置的時(shí)間全屏自動(dòng)切換查看；②現(xiàn)場(chǎng)抓拍功能，將遠(yuǎn)程視頻幀保存到本地硬盤(pán)；③手動(dòng)錄像功能，錄制視頻到本地硬盤(pán)。

（3）噴滴灌系統(tǒng)。灌溉系統(tǒng)首部采用恒壓供水，保證管網(wǎng)壓力恒定并保護(hù)電機(jī)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不致過(guò)載，灌溉水源為塘水，采用疊片+網(wǎng)式兩級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾，滿(mǎn)足噴、滴灌系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求。尾部有滴灌、微噴灌和搖臂式噴頭大噴灌。噴灌系統(tǒng)首部布置見(jiàn)圖5，噴灌系統(tǒng)尾部使用效果見(jiàn)圖6。

該系統(tǒng)自2014年5—6月安裝使用至今沒(méi)有出現(xiàn)大的問(wèn)題，運(yùn)行良好，基本達(dá)到了預(yù)期的智能控制要求。

3 存在的問(wèn)題和解決方法

智能灌溉系統(tǒng)的使用一方面大大解放了勞動(dòng)力，在如今農(nóng)村勞動(dòng)力日漸缺少的今天，智能控制、自動(dòng)化應(yīng)用代替人工勞動(dòng)是不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)[3]；另一方面通過(guò)現(xiàn)代化噴滴灌系統(tǒng)精準(zhǔn)灌溉，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，土地的經(jīng)濟(jì)附加值得到質(zhì)的飛躍。但是，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用還存在著諸多客觀(guān)阻力有待進(jìn)一步研究解決。

3.1 智能灌溉系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高

物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制設(shè)備比較精密，且必須有電力設(shè)備配套，大多使用在非農(nóng)行業(yè)，安裝使用的環(huán)境穩(wěn)定，而在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的使用還比較少，由于園區(qū)田間環(huán)境紛繁多變，這就要求適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能灌溉系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要強(qiáng)。在品目繁多的智能控制系統(tǒng)中，有線(xiàn)控制技術(shù)由于布線(xiàn)繁瑣且控制范圍有限，應(yīng)用范圍并不大。無(wú)線(xiàn)控制可以完全避免因布線(xiàn)造成的安裝繁瑣易錯(cuò)、維修養(yǎng)護(hù)不便、線(xiàn)路老化失效等弊端[2，4]。對(duì)微灌系統(tǒng)的智能化，研究小型無(wú)線(xiàn)多路自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足小型灌溉工程需要，適用性更強(qiáng)。

3.2 智能灌溉系統(tǒng)價(jià)格昂貴

在微灌系統(tǒng)中智能自動(dòng)控制因其科技含量高、微灌系統(tǒng)控制高度集中、微灌精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到用戶(hù)的歡迎，但動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)元的安裝成本，成為限制其推廣的一個(gè)主要原因，信息時(shí)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要可靠性好、價(jià)格適中、能夠適應(yīng)廣大用戶(hù)需要的智能控制系統(tǒng)[5]。本課題組目前正在研發(fā)的智能控制系統(tǒng)采用干電池供電，低功耗，多功能，易使用，價(jià)格低，遠(yuǎn)低于物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅適用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)園區(qū)，更適用于經(jīng)濟(jì)薄弱地區(qū)及無(wú)電網(wǎng)供應(yīng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)，可面向普通農(nóng)戶(hù)大面積推廣。

4 小結(jié)與展望

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以技術(shù)密集為主要特點(diǎn)，以科技開(kāi)發(fā)、示范、輻射和推廣為主要內(nèi)容，以促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)為目標(biāo)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自建設(shè)以來(lái)，無(wú)論是從規(guī)模上還是經(jīng)濟(jì)效益上都取得了顯著成績(jī)，但也暴露了許多問(wèn)題，農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)的研發(fā)尤為重要，其中智能灌溉便是農(nóng)機(jī)裝備中必不可少的內(nèi)容。微灌自動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有定型產(chǎn)品，基本上還是用手動(dòng)閥來(lái)控制，低價(jià)位普適性的無(wú)線(xiàn)自控系統(tǒng)幾乎是空白。因而繼續(xù)加大智能化節(jié)水灌溉技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)力度對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展高效農(nóng)業(yè)創(chuàng)匯農(nóng)業(yè)將有較大的促進(jìn)作用。

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