蔡 彬,繆子梅,褚琳琳,肖夢華(.江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 0;.河海大學水利水電學院,南京 0098;.浙江省水利河口研究院,杭州 000)
江蘇是中國享有盛譽的古茶區(qū)之一,茶葉歷史悠久,以單位產(chǎn)量高、生產(chǎn)效益好、名茶影響大等顯著特點,在全國茶產(chǎn)業(yè)中占有重要地位[1]。茶葉生長所需水分主要依賴天然降水,然而由于江蘇省降水量時空分布不均,茶葉產(chǎn)區(qū)存在伏旱和秋旱現(xiàn)象。為確保茶樹正常生長的基礎(chǔ)上提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì),補充性灌溉尤為重要。
研究表明,通過改變影響茶園的溫度、濕度、光照強度等小氣候因子,噴灌在改善茶園土壤物理條件和土壤養(yǎng)分狀況等因素,從而有效改善茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)方面具有獨特優(yōu)勢[2,3]。隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)的滲透和微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,以及計算機硬件、軟件的飛速發(fā)展,智能化噴灌技術(shù)應(yīng)運而生。智能化噴灌技術(shù)是一種將灌溉、施肥、及根據(jù)不同作物進行智能化精準噴灌有機結(jié)合的綜合性技術(shù),它是通過計算機解析控制,根據(jù)植物不同生育期的耗水量,對作物進行精準給水噴灌。
從最早的水力控制、機械控制,到目前應(yīng)用廣泛的計算機控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等,控制精度、智能化程度及可靠性越來越高,操作也越來越簡便。我國智能化噴灌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展到目前為止大致可分為引進、仿制、一定的自主研發(fā)生產(chǎn)這3個過程。經(jīng)過30多年的發(fā)展,噴灌產(chǎn)品門類和系列基本配套,形成了噴灌噴頭、管材與管件、凈化過濾設(shè)備、施肥設(shè)備、控制及安全裝置等五大類噴灌產(chǎn)品。較有規(guī)模的噴灌設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已有20~30家,但智能化噴灌技術(shù)比較落后,由于缺乏信息采集設(shè)備和變量灌溉控制設(shè)備(變量噴頭、變量供水設(shè)備、壓力調(diào)節(jié)器等),技術(shù)尚不成熟。同時已有的智能化噴灌系統(tǒng)存在絕大多數(shù)僅考慮作物需水信息的采集,為實現(xiàn)根據(jù)需水信息的自動化控制;或灌溉控制系統(tǒng)僅考慮單一因素,未考慮環(huán)境因素;或僅在室內(nèi)環(huán)境下進行,未在野外環(huán)境下的驗證等問題[4-6]。
綜上所述,在精確采集茶樹需水信息和土壤、氣象相關(guān)信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、PLC技術(shù)開發(fā)智能化茶園噴灌系統(tǒng),旨在實現(xiàn)自動精確灌溉,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)現(xiàn)代化提供技術(shù)支撐。
智能化噴灌系統(tǒng)由監(jiān)測裝置和執(zhí)行裝置組成。監(jiān)測裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)包括茶樹生長區(qū)域內(nèi)不同土層深度的土壤濕度、溫度、鹽分傳感器,以及降水、溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù),通過系統(tǒng)軟件和LABVIEW實現(xiàn)灌溉監(jiān)控;執(zhí)行裝置是利用灌溉控制器、變頻器、PLC、電機、水泵、電磁閥、田間檢測設(shè)備通過,無線傳輸實現(xiàn)變頻恒壓灌溉。 技術(shù)人員首先通過監(jiān)測裝置讀取的茶樹不同生長期的需水參數(shù),及傳感器采集的實時土壤數(shù)據(jù),建立茶樹生長信息數(shù)據(jù)庫,制定一套符合地區(qū)性茶葉生長的灌溉制度。通過執(zhí)行裝置完成灌溉(見圖1)。
圖1 系統(tǒng)組成圖
該試驗區(qū)位于中國江蘇省鎮(zhèn)江市南山茶場,茶園的地理坐標為31°56′N, 119°10′E。試驗從2016年3-12月。試驗區(qū)的規(guī)模面積是4.333 hm2,供試作物為白茶。2016年3月,由于試驗基地茶林面積大,茶苗行間距為120 cm,苗間距為52 cm。根據(jù)茶園田塊分布形狀,土壤狀況,噴頭射程太近,管道密度大,噴頭多,每次安裝的工作量大;射程太遠,水泵功率大,水滴打擊強度大,影響茶林幼苗的生長,霧化指標不好。因此我們選用了中等射程的20PY2型噴頭,在噴頭出口壓力為350 kPa時,噴頭流量為Q=3.2 m3/h,實際測量有效噴灑半徑達R=16.8 m,完全符合茶林生長的要求。
選擇搖臂式20PY2噴頭,其設(shè)計單噴頭強度4.5 mm/h,霧化指標3680。根據(jù)茶園分區(qū)灌溉的要求,選擇U-PVC耐壓型給水管道,公稱壓力達到1.25 MPa,主供水管為D90,分供水管道分別為D70,D50、D32;噴頭立管選擇DN25鍍鋅鋼管和閥門井,并在地面處加水泥塊加以固定。根據(jù)茶園不規(guī)則形狀,設(shè)計劃分4個區(qū)域。每個區(qū)域路管道設(shè)立11~14個噴水噴頭和閥門,分區(qū)灌溉。選擇ISG80-200型水泵作為噴頭的供水水源,設(shè)計流量50 m3/h,揚程50 m,電機功率15 kW。
試驗觀測的太陽輻射平衡要素為太陽總輻射、冠層的反射率、從大氣層向下的長波輻射、從茶園冠層向上的長波輻射,觀測儀器型號為CNR-4 (Kipp&Zonen, the Netherlands),儀器安裝在離地面2.5 m處。土壤熱通量由安裝在距地面2 cm深處的土壤熱通量板HFP01-L10 (Campbell, USA) 測得。5個不同土壤深度(5、10、20、50和70 cm)處分別安裝了Hydra Probea探頭傳感器,用來測量土壤的含水率和土壤的溫度。冠層以上1.5和2.0 m處的空氣溫度和相對濕度用型號為HMP155A(Vaisala, Finland)溫濕度傳感器進行測量。所有儀器在試驗開始前均已經(jīng)過校核。三杯式風速計A100L2 (MetOne,USA)安裝在地表以上2 m處用來測量風速。雨量傳感器TE525MM (Campbell, USA)用來測量降雨量。所有檢測數(shù)據(jù)每10 s取樣一次,平均每10 min通過數(shù)據(jù)記錄儀CR3000-NB (Campbell,USA)記錄。本研究區(qū)域主要盛行風是西風,試驗區(qū)左右200 m處它們有類似的作物覆蓋及相似的灌溉制度,因此沒有考慮風速的影響。波文比能量平衡法用來估算茶園每小時的蒸發(fā)蒸騰量。
根據(jù)作物生長生理耗水需求,以及試驗地區(qū)氣象條件,確定茶園高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)灌溉制度。
旱作物生育期任意時段內(nèi),土壤計劃濕潤層內(nèi)水量平衡方程可以表示為:
Wt-W0=P0+K+I+ETc
(1)
式中:Wt與W0分別為計算時段末與時段初土壤計劃濕潤層內(nèi)的儲水量;P0為有效降雨量;K為時段內(nèi)地下水補給量;I為凈灌溉水量;ETc為作物實際蒸騰蒸發(fā)耗水量。
根據(jù)茶樹生長期內(nèi)不同生育階段、不同氣候狀況下對水分的需求量,制定基于茶園實際耗水過程的精確灌溉制度(見表1)。
配電系統(tǒng)在確保噴灌設(shè)備正常啟動的基礎(chǔ)上,開發(fā)了智能化自動灌溉的設(shè)備形式,配套安裝了與茶園安裝的檢測儀的通訊模塊,建立了模塊之間的通訊協(xié)議,通訊模塊的性能參數(shù)如下。
(1)三進四出2.4G無線通信I/O模塊,使用2.4G無線通訊方式;設(shè)備無線通訊地址可以設(shè)置;自動識別設(shè)備功能,同樣地址的設(shè)備即插即用;設(shè)備之間硬件自動應(yīng)答實現(xiàn)身份確定,確保數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠不丟碼。
表1 茶園灌溉制度的確定及水量平衡分量的旬變化規(guī)律
(2)模塊產(chǎn)品 PC端支持RS232和RS485可選,波特率可選(1 200,2 400,4 800,9 600,19 200,38 400,57 600,115 200 bps),通訊線路TVS硬件保護,達到+-15 kV和600 W高強的抗干擾性。
(3)檢測儀是根據(jù)土壤干濕度和茶葉葉片的蒸發(fā)量及氣候條件等檢測的結(jié)果,發(fā)送噴灌信號。由檢測儀通過PLC RS485發(fā)送無線信號到機房,機房的接收通訊模塊通過比對確認接收到無線信號后,即產(chǎn)生I/O輸出電平信號,電氣柜中的小型繼電器(KM1)接收信號閉合后做如下動作要求:①KM1閉合后,KA2和KM3閉合,啟動真空泵抽真空,同時抽真空管道上的電磁閥打開,管道抽真空上水,抽真空的時間根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)預(yù)先在數(shù)字時間繼電器KTI上設(shè)置。在KTI經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的時間后時間繼電器KT1由常閉轉(zhuǎn)為常開,即真空泵和電磁閥斷開,同時KT1的延時閉合端閉合啟動,主線路KA1閉合,即灌溉給水泵啟動,管道上水,對茶園進行噴灌。②經(jīng)過一段時間的噴灌后氣象檢測儀根據(jù)檢測土壤干濕度和茶葉葉面的灌水量的結(jié)果達到需要的灌水量,又發(fā)送一個無線指令信號,機房的接收通信模塊通過比對確認接收到無線信號后,及又產(chǎn)生I/O輸出電平信號,切斷電氣柜中的小型繼電器(KM1)動作要求,KM1斷開,導致KA1斷開,灌溉泵停止運行,完成了茶園一次智能化的精確灌溉的要求(見圖2)。
(4)無線網(wǎng)路控制系統(tǒng)拓展。無線通訊模塊通過拓展,不僅能接收氣象檢測儀的信號,還可以接收手機的信號,通過手機實時查看氣象資料,監(jiān)測茶園的實時情況,發(fā)送通訊信號,啟閉機房的噴灌設(shè)備,通過手機視頻查看機房的水泵等設(shè)備的運轉(zhuǎn)實況,與物聯(lián)網(wǎng)通訊,實時檢測茶園的茶葉生長情況,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能,無線遙控現(xiàn)代化的茶園(見圖3)。
圖2 電氣圖
圖3 通訊測試界面
本文根據(jù)茶園實際需求,結(jié)合傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、PLC技術(shù),開發(fā)了一套智能化噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)茶園土壤及大氣相關(guān)參數(shù)自動監(jiān)測,并根據(jù)茶樹不同生長期不同水分需求進行智能化灌溉。該系統(tǒng)能適時、適量進行灌溉,在提高工作效率的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)精準灌溉,提高科學管理水平,且運行可靠,穩(wěn)定性高。
但由于智能自動化噴灌是根據(jù)氣象土壤檢測儀對氣候變化,土壤干濕度的檢測分析結(jié)果發(fā)出的噴灌指令,噴灌噴水時間滯后且范圍有偏差,今后應(yīng)修改土壤檢測探頭的檢測信號和軟件程序,將滯后的時間提前發(fā)出無線信號,做到精確灌溉。
[1] 陶徳臣.江蘇茶葉發(fā)展述論[J].農(nóng)業(yè)考古,2013,(2):259-266.
[2] 徐延軍,陳為鑄.茶園中的節(jié)水灌溉技術(shù)[J].農(nóng)機科技推廣,2004,(11):35.
[3] 諶介國,劉志明,張振德.茶樹需水規(guī)律和茶園噴灌的研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學,1985,(2):36-43.
[4] 韓安太,何 勇,陳志強,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園分布式灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(9):173-180.
[5] 蔡甲冰,劉 鈺,雷廷武,等.精量灌溉決策定量指標研究現(xiàn)狀與進展[J].水科學進展,2004,15(4) :531-537.
[6] 龔道枝,雷志棟,郝衛(wèi)平.基于果樹需水信號的精量灌溉控制理論與技術(shù)[J].灌溉排水學報,2009,28(4) :6-9.