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。

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

2 智能化噴灌系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 試驗區(qū)概況

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。

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)。

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

3 結(jié) 語

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。

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