豐 收

（荊楚理工學(xué)院，湖北 荊門 448000）

農(nóng)業(yè)是立國之本，中國用世界7%的耕地就養(yǎng)活了14×108人口。但是我國農(nóng)業(yè)粗放生產(chǎn)的模式已經(jīng)造成了一定的生態(tài)壓力和環(huán)境污染等問題，為了提高糧食單產(chǎn)、降低農(nóng)業(yè)污染，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，探索電氣自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用就有著非常積極的意義。電氣自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用，不僅能夠通過對(duì)水泵水閥的調(diào)節(jié)來控制水量，還能降低對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性，提升灌溉的精確程度。

1 電氣自動(dòng)化在農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用的巨大作用

1.1 提升水資源利用率

典型代表就是以色列的滴灌技術(shù)，造就了一個(gè)沙漠中的農(nóng)業(yè)奇跡，不僅實(shí)現(xiàn)糧食自給自足還促進(jìn)了農(nóng)業(yè)出口。以色列的農(nóng)業(yè)用水利用率高達(dá)95%，而與之相比，我國僅為20%～40%。國務(wù)院頒發(fā)的《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》明確強(qiáng)調(diào)，2020年我國農(nóng)業(yè)用水利用率要提高到60%，與目標(biāo)還有差距。

1.2 降低污染，提高農(nóng)作物品質(zhì)

我國農(nóng)業(yè)灌溉之所以用水利用率低，主要是采用傳統(tǒng)漫灌的方式，以水稻灌溉為例，一般都采用溝渠灌水的方式，大量水分在輸送過程流失，而且大水漫灌也不利于作物的生長(zhǎng)。

1.3 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提升農(nóng)業(yè)智能化水平

除了采用噴灌、滴管技術(shù)之外，還可以使用電氣智能化系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)作物的生長(zhǎng)特性控制實(shí)際用水量。將灌溉系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，監(jiān)測(cè)氣溫、光照、濕度以及蒸騰量，并且采集生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，為灌溉提供基礎(chǔ)信息。同時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，結(jié)合監(jiān)控的儀表設(shè)備，生產(chǎn)農(nóng)作物生長(zhǎng)的變化曲線，讓研究人員和生產(chǎn)者能夠更好地把握農(nóng)作物生長(zhǎng)規(guī)律。

2 電氣自動(dòng)化技術(shù)在不同農(nóng)業(yè)灌溉場(chǎng)景中的應(yīng)用

2.1 在溫室大棚中的應(yīng)用

電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在溫室大棚中，能夠降低水肥浪費(fèi)。比如采用滴管技術(shù)將水肥輸送到蔬菜的根部，均勻、定時(shí)、定量浸潤(rùn)作物根系生長(zhǎng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥，提升產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量。

2.2 在果園中的應(yīng)用

果園和溫室大棚的環(huán)境不同，面積較大，如果能夠利用電氣自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，那么可以節(jié)約大量的人工成本和資源。比如在常年干旱的地區(qū)和高海拔的山區(qū)，運(yùn)用電氣自動(dòng)化灌溉技術(shù)能夠節(jié)省80%的水分蒸發(fā)，有效應(yīng)對(duì)缺水季節(jié)。同時(shí)，如果在滴管中加入一些殺蟲劑，還能實(shí)現(xiàn)防治果園病蟲害的目的。

2.3 在無土栽培中的應(yīng)用

電氣自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于無土栽培中，種植人員可以更好地掌握作物的健康狀況，實(shí)時(shí)查看營(yíng)養(yǎng)液的成分，并且利用水肥滴灌等技術(shù)增加營(yíng)養(yǎng)元素，調(diào)整栽培環(huán)境，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、節(jié)能、低耗的目的。比如利用電氣自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行噴霧栽培，營(yíng)養(yǎng)液通過噴霧裝置霧化后噴射到根系表面；采用深液流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)流動(dòng)；運(yùn)用營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)解決根系呼吸對(duì)氧的需求等。

2.4 農(nóng)業(yè)灌溉水處理中的應(yīng)用

在農(nóng)田灌溉中，灌溉水會(huì)攜帶大量的污染物，如果排放到自然水體中，就會(huì)造成污染。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)可以很好地改善這一弊端，系統(tǒng)平臺(tái)可以對(duì)污染物含量進(jìn)行閾值設(shè)置，并且經(jīng)過排水系統(tǒng)進(jìn)行處理，提升灌溉的質(zhì)量。

3 一種創(chuàng)新的水肥一體化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于無線網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水肥一體化智能灌溉方式，系統(tǒng)主要由組成部分包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、水肥一體化灌溉系統(tǒng)和遠(yuǎn)程PC端和移動(dòng)端控制平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)功能包括：①監(jiān)測(cè)功能：對(duì)農(nóng)作物種植環(huán)境的監(jiān)測(cè)，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境信息和水肥灌溉各方面的參數(shù)。系統(tǒng)要清晰顯示出土壤濕度、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)液EC、營(yíng)養(yǎng)液pH值和水壓等信息。②控制功能：通過對(duì)電磁閥、水泵、施肥泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制灌溉量，為了提升系統(tǒng)的智能性，設(shè)置自動(dòng)控制和手動(dòng)控制的功能。操作面板上有自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停止按鈕，左側(cè)面板包括電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、水泵和施肥泵，右側(cè)面板包括灌溉總閥、灌溉支閥1、灌溉支閥2、灌溉支閥3和灌溉支閥4。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以設(shè)置灌溉時(shí)間、水肥EC值、水肥pH值，比如對(duì)以上參數(shù)分別設(shè)置成5 min、2.5 ms/cm、和6.7。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到灌溉時(shí)間之后，設(shè)備自動(dòng)回到待機(jī)狀態(tài)。③數(shù)據(jù)查詢功能：調(diào)取系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境信息和水肥參數(shù)信息。④圖表生成功能：對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)生成相關(guān)圖表，界面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)畫面效果，比如管道中水肥流量情況、閥門閉合情況等。

3.2 設(shè)計(jì)要求

硬件設(shè)計(jì)運(yùn)用ZigBee技術(shù)或者PLC技術(shù)，搭建無限網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水肥情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可以選擇stm32主控制器進(jìn)行控制，對(duì)控制器、過濾器、文丘里吸肥器、傳感器、液位計(jì)、水泵、施肥泵、電磁閥等部件進(jìn)行選型。系統(tǒng)有3個(gè)母液罐，分別裝有營(yíng)養(yǎng)液，酸液和堿液，用來調(diào)節(jié)EC值和pH值，因此母液罐要有一定的抗腐蝕性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，比如可以選擇不銹鋼層壓水泵，使用可拆卸部件，減少維護(hù)工作量，提升抗壓能力。硬件設(shè)計(jì)與選型要本著節(jié)能、節(jié)時(shí)、節(jié)水、節(jié)工的原則，電源模塊要能夠穩(wěn)定供電，電路板確保正常運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)前新的系統(tǒng)都是采用云平臺(tái)操作，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，手機(jī)端、PC端和現(xiàn)場(chǎng)大屏幕端3個(gè)終端系統(tǒng)，顯示屏操作要簡(jiǎn)單易懂，直觀簡(jiǎn)潔，智能化程度高，EC和pH值調(diào)節(jié)要精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)功能良好，科學(xué)調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量科學(xué)灌溉。

3.3 工作原理

操作人員設(shè)定好系統(tǒng)的所需要的水肥EC值和pH值，啟動(dòng)系統(tǒng)之后，水泵開始作業(yè)，將水抽入到混肥灌中，為了確保水質(zhì)，中途要經(jīng)過過濾器進(jìn)行處理。水位漫過低位液位計(jì)時(shí)，激活施肥泵系統(tǒng)，灌溉水肥進(jìn)入支路，流向文丘里吸肥器。如果傳感器檢測(cè)到灌溉水肥的EC值和pH值和設(shè)置值不符，控制器就會(huì)依照既定算法進(jìn)行運(yùn)算，控制母液罐的電磁閥、酸液罐或堿液罐的電磁閥，通過對(duì)電磁閥開啟時(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)達(dá)到設(shè)置值的目的。但是需要注意的是因?yàn)楣艿肋^長(zhǎng)，傳感器反饋過程會(huì)有一定的滯后，而系統(tǒng)參數(shù)會(huì)受到諸多隨機(jī)因素的干擾，函數(shù)的精確性受到影響。水與母液混合的過程中，由于物理作用會(huì)導(dǎo)致水流不穩(wěn)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大慣性，這些問題需要依靠技術(shù)人員進(jìn)一步研究解決。

4 結(jié)語

電氣自動(dòng)化技術(shù)未來在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用要滿足精準(zhǔn)灌溉、遠(yuǎn)程控制、操作日志、環(huán)境監(jiān)測(cè)、總結(jié)作物生長(zhǎng)規(guī)律、自動(dòng)生成灌溉方案的功能，并省時(shí)省力、節(jié)能降耗、智能控制和節(jié)省人工，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源消耗的各項(xiàng)成本。因此要利用PC端和移動(dòng)端平臺(tái)，將物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)融合在一起，不斷創(chuàng)新電氣自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用。