自動控制在節水灌溉中的應用與研究

柏大團　孫佃亮　邱鳳翔

摘 要：系統討論了自動化控制節水灌溉技術在特色水果園區的應用，一方面，通過自動化控制，以實現土壤水分控制，對水資源的實施精確計量，為按方收費提供依據，促進用水觀念更新；另一方面，通過集中管理，加強控制，按時按需供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的。系統主要由土壤水分檢測傳感器、大棚數據采集和控制模塊、管理主機組成。使用土壤濕度傳感器、管理主機等采集、管理數據，實現了節水灌溉技術的自動化控制與應用。

關鍵詞：B/S；水分檢測；土壤水分自動控制；

中圖分類號：S275；TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）04-0047-06

灌溉是自然降水的補充，它可以彌補降雨量的不足與降水時空的不均，是保證作物生長的重要措施。以往的灌溉系統，由于配套設施不完備，只能采用大水漫灌或人工灑水的方式，不但造成水資源的浪費，且由于難以控制水均勻度，易造成過量澆水或灌溉不足的現象，對植物的生長非常不利。

我國水資源短缺，水資源人均占有量僅為世界人均水量的1/4，加上時空分布很不均勻，造成我國水旱災害頻繁。據統計，我國農業用水量約為總用水量的80%，水資源的利用率僅為45%，利用率十分低下，與此同時，發達國家的水資源利用率則高達70%～80%。因此，盡快改進灌溉措施，提高水資源的利用率，是我們目前急需解決的問題。我們以贛榆縣特色水果產業園為例，探討自動控制在節水灌溉中的應用。

園區地處贛榆縣西北部丘陵山區，占地3 000畝，主要負責果苗的培育和果樹的種植。園區內有種苗培育大棚和果樹種植基地，主要包括種苗繁育中心，藍莓種植基地、黑莓種植基地、黃桃種植基地、獼猴桃種植基地、蘋果梨種植基地，等等，其中種苗繁育中心是最核心的部分。歷來育苗是水果生產的重要環節，果樹育苗期生長的好壞關系到以后收成的多少。完善的育苗技術可以使果樹縮短營養生長期，提早收益，達到早產，豐產穩產的目的。由于果苗對生長環境要求比較嚴格，因此，需要嚴格調控果苗生長環境因素。其中土壤水分控制是耗時耗力的環節，一旦控制不好，對果苗培育有較大影響。目前市場上有一些針對溫室大棚的環境監測系統，只能進行簡單的監測和報警，不能及時地控制和調節相應環境參數，仍然需要大量的人力物力。為了解決這個問題，我們提出一種基于B/S結構的土壤水分自動控制和管理系統。使用光纖遠距離傳輸數據信號，將大棚內若干監測點的土壤水分數據匯聚并處理，將處理后的數據發送至控制中心服務器，解析后存入SQL server2005數據庫中。另外，管理主機中的主服務程序可以通過控制電子閥門開閉，主要采用滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水灌溉四種灌溉方式，對土壤水分自動調節。整個園區采用自動控制系統，在分干管的放水孔口設置電磁閥和信號收發設備，通過電纜傳輸到泵房內的控制中心，控制中心根據需水的孔口數量確定打開電磁閥的個數，自動或手動開機灌溉，將大大降低了園區工作人員的勞動強度。

1 方案設計

鑒于園區面積過大，而且基于B/S結構的土壤水分自動控制和管理系統此前只是在計算機上進行過模擬操作。因此，我們優先選取種苗繁育中心進行試點，符合預期后將在全園區內運用此項系統進行管理工作。

1.1 系統結構

種苗繁育中心現有大棚十個，基于系統設計，需要對選取的種苗繁育中心大棚進行全面監測，每一監測點可以監測面積40平米左右，育苗中心大棚普遍占地16m×20m，為了滿足整個大棚的土壤水分檢測，又能保證監測的準確性，我們將大棚的土壤水分監測區域分為8塊，每塊的面積為5m×8m，選擇合適位置，將土壤水分含量傳感器埋入10～20cm土層中，整個育苗中心共計設立50監測點以滿足系統需要。為了讓土壤水分采集更為精確，我們在每個監測點安裝土壤水分監測傳感器，實時采集大棚內土壤水分數據，通過數據鏈傳輸到管理主機的自動處理系統。

土壤水分自動控制系統簡化結構如圖1所示，主要由管理主機、大棚數據采集和控制模塊、土壤水分傳感器構成。主要任務是自動調節大棚內的土壤水分，使其保持在適宜作物生長的最佳值。首先由管理主機定時發送采集數據指令到大棚監測點，實現數據采集；控制模塊將采集到的最新土壤水分數據返回到管理主機；由管理主機內的主服務程序處理后存儲到SQL server2005 中；與預先設置的土壤水分上下限值進行比較判斷。當某個大棚土壤水分指標超出預設的范圍時，管理主機會向相應大棚的控制模塊發送閥門開或閉的指令，控制電子閥門開閉。

1.2 土壤水分傳感器

受土壤的理化性狀、地形的差異作用、氣候變化和人為的土壤管理措施等因素的影響，土壤水分狀況亦有不同的表現特征。為確保數據的可靠與準確。系統采用KM2901M FDR高精度四探針土壤水分傳感器（如圖2）來實時探測大棚內土壤水分。該傳感器采用世界先進的最新FDR原理制作，其性能和精度可與TDR型和FD型土壤水分傳感器相媲美，是一種四探針結構高精度、高可靠性、受土壤質地影響不明顯的快速土壤水分測量傳感器， 在可靠性與測量速度上具有更大的優勢；可長期埋設于土壤和堤壩內，對表層和深層土壤進行墑情的定點監測和在線測量，并實現采集數據的遠距離傳輸，因此也叫農田墑情檢測儀。KM2901傳感器在工作中通常采用4-20mA、0-5V或RS485多種工業通用接口，可直接接入各種顯示儀表，實現土壤水分監測；與數據采集器配合使用，可對土壤水分進行定點監測或移動測量。

KM2901M土壤水分傳感器具有以下特點：

（a）加長四探針結構，精度高，響應速度快；

（b）采用優質不銹鋼探針，強度高，永不生銹；

（c）測試方便，可以直接插入土壤，也可以埋于土中；

（d）防水防塵，可以直接置于泥水中長期使用；

（e）品種多，接口全，高性價比。

KM2901M土壤水分的性能指標如表格1所示。

1.3 節水灌溉方式和水分自動控制

1.3.1 灌溉方式

整個園區內實行節水灌溉模式，主要采用滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水四種方式。比如種植基地內植株比較稀疏，主要采取滴灌和低壓管道輸水相結合的灌溉方式；而育苗中心主要從事育苗任務，植株多而密，且多是幼苗，主要采用噴灌方式進行灌溉。因為我們此次只在育苗中心進行試點，因此，只考慮噴灌方式。噴灌是用噴灌設備，給水施加一定壓力，從噴頭噴射到空中，形成細小的水滴，均勻的噴灑到土壤表面，為植物正常生長提供必要水分的灌溉方式。與傳統的地面灌水方法相比較，節水灌溉具有節水、節能、省工等優點。

傳統的智能溫室多采用懸掛式自動噴灌系統，主要由國外的噴灌機，配以國產軌道和水泵、輸水管組成。這些溫室自動噴灌機，基本功能都是固定的，無法根據用戶的需要來定制和增減；控制器隨噴灌機行走，在噴灌過程中難以進行控制。同時測定土壤含水量的方法，從傳統的烘干法、電測法，到現代的核技術手段，種類繁多，各有所長，但都不盡如人意。與傳統的智能溫室采用的噴灌方式相比，本次設計引進了先進的設計理念和灌溉方式，用KM2901M型土壤水分傳感器自動檢測土壤水分，通過大棚數據采集和控制模塊發送至管理主機中，由主服務程序進行分析，與主機內預設值進行比較，判斷土壤含水量的多少，控制電子閥門對作物進行研究噴水灌溉，使整個種植區的土壤水分維持在一個適合作物生長的合理的范圍內。

1.3.2 水分自動控制

①數據采集，服務程序會定時發送數據采集指令到數據采集和控制模塊，然后接收模塊返回的現場實時數據，經過解析后存入SQLserver2005數據庫中。

②程序采用多線程技術，每個大棚的水分自動控制分別在一個線程中運行，同時，運行卻互不影響。每個線程定時分析對應大棚的土壤水分數據，與管理人員設置的土壤水分上下限值進行比較，判斷是否要向數據采集和控制模塊發送控制閥門開關指令。水分自動控制流程如圖3所示。

2 網頁設置和歷史數據

由于園區內包含有許多水果品種，各種作物所需生長環境也各不相同，為便于區分，我們對所有大棚進行系統的編號，并在管理系統軟件內進行相應的設置，每個大棚都有相應的編號，大棚內的作物也進行了細分；并設置水分自動控制上下限值的功能，即采集到的數據都存儲在后臺SQLserver2005數據庫中，主服務程序根據管理人員設置的水分自動控制上下限判斷是否進行電子閥門開關動作，以實現對園區的實時控制。網頁效果如圖4所示。在網頁中，我們可以設置對應大棚的水分自動控制上下限值，選擇是否開啟水分自動控制。

基于B/S結構的土壤水分自動控制和管理系統包含一個專門的控制網站，園區內部通過局域網進行訪問和共享；并通過專用服務器與互聯網相連，實現數據共享與遠程維護，在任何地方，只要有網絡，我們都可以通過專門途徑登錄控制系統網站，根據需要修改土壤水分自動控制數據。另外網站提供了歷史數據查詢功能，可以根據大棚編號，開始和截止時間查詢，查詢結果使用表格顯示，并且可以打印保存，效果如圖5所示。另外，控制網站還包含其他功能，比如遠程閥門控制，實時視頻查看功能等。

3 水分自動控制效果驗證

我們選取獼猴桃育苗大棚自動控制效果進行驗證，通過自動管理系統對育苗中心獼猴桃育苗大棚的土壤水分進行監測，測得的數據如表2所示：

根據獼猴桃生長習性與生長環境，土壤水分低于70%，獼猴桃生長萎靡不振，枝葉出現卷縮現象；土壤水分高于90%，植株出現澇黃現象。水分在70%～90%之間，植株生長旺盛，枝葉強壯。因此，上下限分別設為70%與90%。從表2中可以看到，在9：00～17：00之間，系統采集到的的土壤水分數據，土壤水分在70%到90%之間，最大和最小值均沒有超出預設范圍。這表明，該系統能夠自動的對土壤水分進行智能調節，且測得的數據準確可靠。

4 結語

本系統通過在育苗中心的試點，基本實現節水灌溉的自動化控制，取得相對準確可信的成果。后續可以將此管理系統在整個園區內展開，一來可以對水資源的使用實施精確計量，為按方收費提供依據，促進用水觀念更新；另外，本系統可以根據不同的作物，不同的季節，不同的地域，制定不同的控制策略，集中管理，加強控制，按時按需供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的。尤其在干旱缺水地區可以大范圍推廣，實現科學種植，為農業生產和人民生活帶來巨大的社會效益和經濟利益。

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責任編輯 祁秀春