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        基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的茶園智能化噴灌系統(tǒng)

        2017-03-21 00:36:46繆子梅褚琳琳肖夢華江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心江蘇鎮(zhèn)江河海大學(xué)水利水電學(xué)院南京0098浙江省水利河口研究院杭州000
        節(jié)水灌溉 2017年11期
        關(guān)鍵詞:茶園灌溉無線

        蔡 彬,繆子梅,褚琳琳,肖夢華(.江蘇大學(xué)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(xué)水利水電學(xué)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(yù)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(diǎn),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(shí)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(bǔ)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(qiáng)度等小氣候因子,噴灌在改善茶園土壤物理?xiàng)l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(dú)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(jì)算機(jī)硬件、軟件的飛速發(fā)展,智能化噴灌技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(jìn)行智能化精準(zhǔn)噴灌有機(jī)結(jié)合的綜合性技術(shù),它是通過計(jì)算機(jī)解析控制,根據(jù)植物不同生育期的耗水量,對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)給水噴灌。

        從最早的水力控制、機(jī)械控制,到目前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)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(jìn)、仿制、一定的自主研發(fā)生產(chǎn)這3個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)根據(jù)需水信息的自動(dòng)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(jìn)行,未在野外環(huán)境下的驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確灌溉,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)現(xiàn)代化提供技術(shù)支撐。

        1 智能化噴灌系統(tǒng)組成

        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(shí)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(jī)、水泵、電磁閥、田間檢測設(shè)備通過,無線傳輸實(shí)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(shí)時(shí)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

        2 智能化噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

        該試驗(yàn)區(qū)位于中國江蘇省鎮(zhèn)江市南山茶場,茶園的地理坐標(biāo)為31°56′N, 119°10′E。試驗(yàn)從2016年3-12月。試驗(yàn)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(yàn)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(yuǎn),水泵功率大,水滴打擊強(qiáng)度大,影響茶林幼苗的生長,霧化指標(biāo)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(shí),噴頭流量為Q=3.2 m3/h,實(shí)際測量有效噴灑半徑達(dá)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(jì)單噴頭強(qiáng)度4.5 mm/h,霧化指標(biāo)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(dá)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(jì)劃分4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域路管道設(shè)立11~14個(gè)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(jì)流量50 m3/h,揚(yáng)程50 m,電機(jī)功率15 kW。

        試驗(yàn)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(hào)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(gè)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(duì)濕度用型號(hào)為HMP155A(Vaisala, Finland)溫濕度傳感器進(jìn)行測量。所有儀器在試驗(yàn)開始前均已經(jīng)過校核。三杯式風(fēng)速計(jì)A100L2 (MetOne,USA)安裝在地表以上2 m處用來測量風(fēng)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(fēng)是西風(fēng),試驗(yàn)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(fēng)速的影響。波文比能量平衡法用來估算茶園每小時(shí)的蒸發(fā)蒸騰量。

        2.2 灌溉制度確定

        根據(jù)作物生長生理耗水需求,以及試驗(yàn)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(shí)段內(nèi),土壤計(jì)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(jì)算時(shí)段末與時(shí)段初土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)的儲(chǔ)水量;P0為有效降雨量;K為時(shí)段內(nèi)地下水補(bǔ)給量;I為凈灌溉水量;ETc為作物實(shí)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(duì)水分的需求量,制定基于茶園實(shí)際耗水過程的精確灌溉制度(見表1)。

        2.3 噴灌智能化系統(tǒng)

        配電系統(tǒng)在確保噴灌設(shè)備正常啟動(dòng)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了智能化自動(dòng)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(jìn)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(dòng)識(shí)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(dòng)應(yīng)答實(shí)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(hù),達(dá)到+-15 kV和600 W高強(qiáng)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(hào)。由檢測儀通過PLC RS485發(fā)送無線信號(hào)到機(jī)房,機(jī)房的接收通訊模塊通過比對(duì)確認(rèn)接收到無線信號(hào)后,即產(chǎn)生I/O輸出電平信號(hào),電氣柜中的小型繼電器(KM1)接收信號(hào)閉合后做如下動(dòng)作要求:①KM1閉合后,KA2和KM3閉合,啟動(dòng)真空泵抽真空,同時(shí)抽真空管道上的電磁閥打開,管道抽真空上水,抽真空的時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先在數(shù)字時(shí)間繼電器KTI上設(shè)置。在KTI經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后時(shí)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(shí)KT1的延時(shí)閉合端閉合啟動(dòng),主線路KA1閉合,即灌溉給水泵啟動(dòng),管道上水,對(duì)茶園進(jìn)行噴灌。②經(jīng)過一段時(shí)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(dá)到需要的灌水量,又發(fā)送一個(gè)無線指令信號(hào),機(jī)房的接收通信模塊通過比對(duì)確認(rèn)接收到無線信號(hào)后,及又產(chǎn)生I/O輸出電平信號(hào),切斷電氣柜中的小型繼電器(KM1)動(dòng)作要求,KM1斷開,導(dǎo)致KA1斷開,灌溉泵停止運(yùn)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(hào),還可以接收手機(jī)的信號(hào),通過手機(jī)實(shí)時(shí)查看氣象資料,監(jiān)測茶園的實(shí)時(shí)情況,發(fā)送通訊信號(hào),啟閉機(jī)房的噴灌設(shè)備,通過手機(jī)視頻查看機(jī)房的水泵等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)況,與物聯(lián)網(wǎng)通訊,實(shí)時(shí)檢測茶園的茶葉生長情況,實(shí)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

        3 結(jié) 語

        本文根據(jù)茶園實(shí)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(shí)現(xiàn)茶園土壤及大氣相關(guān)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測,并根據(jù)茶樹不同生長期不同水分需求進(jìn)行智能化灌溉。該系統(tǒng)能適時(shí)、適量進(jìn)行灌溉,在提高工作效率的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉,提高科學(xué)管理水平,且運(yùn)行可靠,穩(wěn)定性高。

        但由于智能自動(dòng)化噴灌是根據(jù)氣象土壤檢測儀對(duì)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(shí)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(hào)和軟件程序,將滯后的時(shí)間提前發(fā)出無線信號(hào),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.

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