陳爽　蔣輝霞　陳立　劉波　何清燕

摘要傳統(tǒng)田間綜合管理主要依靠人工完成，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、管理成本高、作業(yè)效率低等問題。針對(duì)傳統(tǒng)田間管理存在的問題，將氣動(dòng)控制與智慧灌溉云平臺(tái)、信息采集設(shè)備、水肥一體化管理設(shè)備、外掛擴(kuò)展設(shè)備和移動(dòng)APP等多種技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種智慧化田間綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣動(dòng)控制提供動(dòng)力，結(jié)合田間管理的修枝、除草、松土、施肥、灌溉等工藝，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)田間的適時(shí)、按需管理。本文介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及其在石棉縣蟹螺鄉(xiāng)的應(yīng)用，并分析了其應(yīng)用效益，以期推動(dòng)該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，達(dá)到提高園區(qū)管理水平、節(jié)本增效的目的。

關(guān)鍵詞 氣動(dòng)控制;智慧灌溉;綜合管理系統(tǒng);四川石棉;蟹螺鄉(xiāng)

中圖分類號(hào) S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-5739（2019）07-0158-02

近年來，隨著鄉(xiāng)村振興政策的落實(shí)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)村人員結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式正在發(fā)生深刻的變革。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，依靠傳統(tǒng)人力操作、手動(dòng)控制管理大面積果園的方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求，應(yīng)用自動(dòng)化、智能化、智慧化的田間綜合管理系統(tǒng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，氣動(dòng)控制因具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用到果樹修剪機(jī)松土機(jī)除草機(jī)等多種農(nóng)業(yè)機(jī)械上。據(jù)調(diào)查，采用氣動(dòng)控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械能大幅減輕勞動(dòng)強(qiáng)度降低人工作業(yè)成本、提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，能有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合機(jī)械化水平。

目前，氣動(dòng)控制在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用大多為單個(gè)機(jī)械配備獨(dú)立氣動(dòng)控制系統(tǒng)，極大降低了氣動(dòng)控制系統(tǒng)的利用效率。針對(duì)以上問題，本文以石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理工程為例，設(shè)計(jì)了一種具有常規(guī)田間氣動(dòng)綜合管理功能且具備智慧化灌溉施肥、給藥優(yōu)勢的新系統(tǒng)，以期為智慧化田間綜合管理提供借鑒。

1設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)將氣動(dòng)控制與智慧灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，形成一套智慧化田間綜合管理系統(tǒng)。田間綜合管理系統(tǒng)主要包括氣動(dòng)控制系統(tǒng)、智慧灌溉云平臺(tái)、信息采集設(shè)備、水肥一體化管理設(shè)備、外掛擴(kuò)展設(shè)備和移動(dòng)APP、灌溉設(shè)備、修枝設(shè)備、除草設(shè)備和松土設(shè)備等。

1.1氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)由空氣壓力機(jī)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、不銹鋼氣壓閥和高壓管路系統(tǒng)構(gòu)成，其壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本地或遠(yuǎn)程啟停以及切換壓力等級(jí)等;不銹鋼氣壓閥采用304不銹鋼材料，主要實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)時(shí)的氣壓啟閉及各設(shè)備的快速拆裝等.空氣壓力機(jī)的主要參數(shù)為額定功率15kW、額定轉(zhuǎn)速760r/min排氣量1500L/min、壓力0.6～2.5MPa、容積100L。

1.2工作原理

在氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)作為氣動(dòng)發(fā)生裝置，將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能[5-）;氣動(dòng)執(zhí)行元件則將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能完成規(guī)定動(dòng)作;在這2個(gè)部分之間，根據(jù)機(jī)械或設(shè)備工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的需求，按一定順序?qū)⒏鞣N控制元件（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥和邏輯元件）、傳感元件和氣動(dòng)輔件連接起來。在作業(yè)過程中整個(gè)系統(tǒng)由空氣壓力機(jī)提供動(dòng)力，通過壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)將氣壓設(shè)置為0.8MPa和2.0MPa兩檔，根據(jù)不同氣壓設(shè)備自動(dòng)切換，再將不同壓力的空氣通過田間管網(wǎng)輸送至不銹鋼氣壓閥，以實(shí)現(xiàn)田間綜合管理系統(tǒng)的修枝、松土除草等功能。

2氣動(dòng)控制智慧化田間綜合管理系統(tǒng)在蟹螺鄉(xiāng)的應(yīng)用2.1應(yīng)用園區(qū)基本情況

石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理工程項(xiàng)目區(qū)面積33.33hm2，園區(qū)主要作物為脆紅李、櫻桃核桃等果樹，果樹行距為4m、株距為3m，大部分果樹正處于掛果年到豐產(chǎn)年時(shí)期，且園區(qū)土地已完成流轉(zhuǎn)，地塊較標(biāo)準(zhǔn)、種植較規(guī)律，比較適合田間綜合管理系統(tǒng)的示范應(yīng)用。

2.2項(xiàng)目詳細(xì)應(yīng)用方案

該園區(qū)安裝有灌溉設(shè)備，其水源為高位水池，水量補(bǔ)充有保障;灌溉形式采用滴灌，每株樹周圍設(shè)置1個(gè)四爪滴箭，流量20L/h，每條專用滴灌管長度不超過80m，灌溉過程中要根據(jù)實(shí)際需求采用調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，基于氣動(dòng)控制的田間綜合管理系統(tǒng)通過氣動(dòng)裝置控制閥門動(dòng)作調(diào)節(jié)壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉設(shè)備的控制。田間果樹修枝采用氣動(dòng)修枝剪進(jìn)行，工作壓力0.8MPa，最大剪切能力（口徑）30mm，空氣消耗量0.1L/次。松土采用柱形氣壓劈裂松土，工作時(shí)將鉆桿鉆入土壤層內(nèi)，將壓縮氣體通人鉆桿的通道再從可更換噴氣孔噴出，使土壤產(chǎn)生氣壓劈裂現(xiàn)象，完成松土作業(yè);松土的同時(shí)兼具向土壤層內(nèi)輸送物料的功能，工作壓力為2.0MPa。采用金屬除草盤配合塑料除草頭，對(duì)田間雜草進(jìn)行有效清除，工作壓力為0.8MPa。

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)架構(gòu)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括土壤溫濕度傳感器、小型氣象站、無線攝像頭等感知終端。感知層是控制系統(tǒng)識(shí)別物體、采集信息的來源，用于測量項(xiàng)目區(qū)空氣溫濕度、風(fēng)速等氣象參數(shù)，為智慧灌溉云平臺(tái)提供開啟或關(guān)閉灌溉系統(tǒng)的判斷依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是控制系統(tǒng)與用戶的接口，與智能灌溉需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能控制，包括泵站無線遠(yuǎn)程控制變頻柜、施肥系統(tǒng)控制柜.空氣壓力機(jī)軟起動(dòng)控制柜、電磁閥戶外控制箱和農(nóng)業(yè)智慧灌溉管理系統(tǒng)。

3應(yīng)用效益分析

相比傳統(tǒng)的修枝、除草、松土、施肥、節(jié)水灌溉等，氣動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用在很大程度上降低了作業(yè)強(qiáng)度，有效提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)田間管理相比，采用基于氣動(dòng)控制的田間綜合管理系統(tǒng)對(duì)田園進(jìn)行管理可節(jié)省勞動(dòng)力70%，且作業(yè)效率可以提高40%以上。如傳統(tǒng)的果樹修枝需要22.5工日/hm2，采用田間綜合管理系統(tǒng)后僅僅需要6.75工日/hm2，且樹枝切口平整度更好，基本無破裂撕裂等情況，極大降低了修剪對(duì)樹枝的破壞。項(xiàng)目區(qū)作物平均較工程應(yīng)用前增產(chǎn)2250kg/（hm2.年），共可增產(chǎn)75t，按當(dāng)前市場價(jià)折合人民幣約100萬元。此外，應(yīng)用智慧化田間綜合管理系統(tǒng)對(duì)田園進(jìn)行管理，灌溉等相應(yīng)的工藝更加精準(zhǔn)，如水肥藥一體化技術(shù)可減少水分的滲漏和蒸發(fā)，提高水分利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)向節(jié)水節(jié)肥、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)方向發(fā)展。

4結(jié)語

智慧化田間綜合管理系統(tǒng)，是將氣動(dòng)系統(tǒng)與智慧灌溉云平臺(tái)、信息采集設(shè)備、水肥一體化管理設(shè)備外掛擴(kuò)展設(shè)備和移動(dòng)APP等結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)修枝除草、松土、施肥、節(jié)水灌溉等環(huán)節(jié)的綜合管理。在石棉縣蟹螺鄉(xiāng)田間綜合管理項(xiàng)目中，應(yīng)用該系統(tǒng)，提高了園區(qū)管理水平，節(jié)省了勞動(dòng)力，節(jié)約了成本，增加了農(nóng)民收人，有效解決了農(nóng)業(yè)灌溉用水不足的問題，提高了灌溉水利用率和灌溉用水保證率，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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