智慧化田間綜合管理系統設計及其在石棉縣蟹螺鄉的應用

陳爽　蔣輝霞　陳立　劉波　何清燕

摘要傳統田間綜合管理主要依靠人工完成，存在勞動強度大、管理成本高、作業效率低等問題。針對傳統田間管理存在的問題，將氣動控制與智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備、外掛擴展設備和移動APP等多種技術相結合，設計了一種智慧化田間綜合管理系統。該系統由氣動控制提供動力，結合田間管理的修枝、除草、松土、施肥、灌溉等工藝，運用互聯網、大數據、云計算、物聯網等現代技術，能夠實現對田間的適時、按需管理。本文介紹了該系統的設計原理及其在石棉縣蟹螺鄉的應用，并分析了其應用效益，以期推動該系統的推廣應用，達到提高園區管理水平、節本增效的目的。

關鍵詞 氣動控制;智慧灌溉;綜合管理系統;四川石棉;蟹螺鄉

中圖分類號 S126

文獻標識碼 A

文章編號 1007-5739（2019）07-0158-02

近年來，隨著鄉村振興政策的落實以及社會經濟的不斷發展，農村人員結構、產業結構、運行模式正在發生深刻的變革。在農業產業化進程中，依靠傳統人力操作、手動控制管理大面積果園的方式已經不能滿足生產要求，應用自動化、智能化、智慧化的田間綜合管理系統是現代農業發展的趨勢。

隨著農業機械化的發展，氣動控制因具有效率高、成本低等優點越來越多地被應用到果樹修剪機松土機除草機等多種農業機械上。據調查，采用氣動控制的農業機械能大幅減輕勞動強度降低人工作業成本、提高作業效率和作業質量，能有效提升農業生產的綜合機械化水平。

目前，氣動控制在農業機械上的應用大多為單個機械配備獨立氣動控制系統，極大降低了氣動控制系統的利用效率。針對以上問題，本文以石棉縣蟹螺鄉田間綜合管理工程為例，設計了一種具有常規田間氣動綜合管理功能且具備智慧化灌溉施肥、給藥優勢的新系統，以期為智慧化田間綜合管理提供借鑒。

1設計原理

本系統將氣動控制與智慧灌溉系統相結合，形成一套智慧化田間綜合管理系統。田間綜合管理系統主要包括氣動控制系統、智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備、外掛擴展設備和移動APP、灌溉設備、修枝設備、除草設備和松土設備等。

1.1氣動控制系統

氣動控制系統由空氣壓力機、壓力調節系統、不銹鋼氣壓閥和高壓管路系統構成，其壓力調節系統能夠實現本地或遠程啟停以及切換壓力等級等;不銹鋼氣壓閥采用304不銹鋼材料，主要實現田間作業時的氣壓啟閉及各設備的快速拆裝等.空氣壓力機的主要參數為額定功率15kW、額定轉速760r/min排氣量1500L/min、壓力0.6～2.5MPa、容積100L。

1.2工作原理

在氣動控制系統中，空氣壓縮機作為氣動發生裝置，將原動機供給的機械能轉化為氣體的壓力能[5-）;氣動執行元件則將壓力能轉化為機械能完成規定動作;在這2個部分之間，根據機械或設備工作循環運動的需求，按一定順序將各種控制元件（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥和邏輯元件）、傳感元件和氣動輔件連接起來。在作業過程中整個系統由空氣壓力機提供動力，通過壓力調節系統將氣壓設置為0.8MPa和2.0MPa兩檔，根據不同氣壓設備自動切換，再將不同壓力的空氣通過田間管網輸送至不銹鋼氣壓閥，以實現田間綜合管理系統的修枝、松土除草等功能。

2氣動控制智慧化田間綜合管理系統在蟹螺鄉的應用2.1應用園區基本情況

石棉縣蟹螺鄉田間綜合管理工程項目區面積33.33hm2，園區主要作物為脆紅李、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年時期，且園區土地已完成流轉，地塊較標準、種植較規律，比較適合田間綜合管理系統的示范應用。

2.2項目詳細應用方案

該園區安裝有灌溉設備，其水源為高位水池，水量補充有保障;灌溉形式采用滴灌，每株樹周圍設置1個四爪滴箭，流量20L/h，每條專用滴灌管長度不超過80m，灌溉過程中要根據實際需求采用調壓閥進行壓力調節，基于氣動控制的田間綜合管理系統通過氣動裝置控制閥門動作調節壓力，進而實現對灌溉設備的控制。田間果樹修枝采用氣動修枝剪進行，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，工作時將鉆桿鉆入土壤層內，將壓縮氣體通人鉆桿的通道再從可更換噴氣孔噴出，使土壤產生氣壓劈裂現象，完成松土作業;松土的同時兼具向土壤層內輸送物料的功能，工作壓力為2.0MPa。采用金屬除草盤配合塑料除草頭，對田間雜草進行有效清除，工作壓力為0.8MPa。

本項目控制系統架構可分為3層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器構成，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。感知層是控制系統識別物體、采集信息的來源，用于測量項目區空氣溫濕度、風速等氣象參數，為智慧灌溉云平臺提供開啟或關閉灌溉系統的判斷依據。網絡層由互聯網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，是整個控制系統的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是控制系統與用戶的接口，與智能灌溉需求結合，實現控制系統的智能控制，包括泵站無線遠程控制變頻柜、施肥系統控制柜.空氣壓力機軟起動控制柜、電磁閥戶外控制箱和農業智慧灌溉管理系統。

3應用效益分析

相比傳統的修枝、除草、松土、施肥、節水灌溉等，氣動控制系統的應用在很大程度上降低了作業強度，有效提高了作業效率和作業質量。據統計，與傳統田間管理相比，采用基于氣動控制的田間綜合管理系統對田園進行管理可節省勞動力70%，且作業效率可以提高40%以上。如傳統的果樹修枝需要22.5工日/hm2，采用田間綜合管理系統后僅僅需要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，極大降低了修剪對樹枝的破壞。項目區作物平均較工程應用前增產2250kg/（hm2.年），共可增產75t，按當前市場價折合人民幣約100萬元。此外，應用智慧化田間綜合管理系統對田園進行管理，灌溉等相應的工藝更加精準，如水肥藥一體化技術可減少水分的滲漏和蒸發，提高水分利用率，促進農業向節水節肥、高產優質方向發展。

4結語

智慧化田間綜合管理系統，是將氣動系統與智慧灌溉云平臺、信息采集設備、水肥一體化管理設備外掛擴展設備和移動APP等結合起來，實現對修枝除草、松土、施肥、節水灌溉等環節的綜合管理。在石棉縣蟹螺鄉田間綜合管理項目中，應用該系統，提高了園區管理水平，節省了勞動力，節約了成本，增加了農民收人，有效解決了農業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，社會經濟效益顯著。

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