基于軌道模式的自動化節水灌溉裝置模型設計

鄔政奇，潘學淵，李明東，唐中得，殷 飛

（1.吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101；2大連市水利規劃設計院，遼寧 大連 116000）

我國水資源匱乏，人均占有量不足2 200 m3，隨著現代工業的發展進步，更加快了水資源的利用，同時工業生產更是造成大量水污染。我國現在農業灌溉處于大水漫灌與節水灌溉并存的階段，傳統灌溉模式沒有根據作物需水的程度來灌溉，很可能會引發作物受水過多而導致水澇，嚴重浪費水資源。21 世紀以來，國內農業灌溉進入到一個新的階段，實現了糧食的大豐收，農業灌溉已經成為國民經濟一個新的增長點。

1 基于TRIZ理論的問題分析

TRIZ 理論是原蘇聯阿奇舒勒對發明問題解決理論的研究工作的總結，他發現了發明背后的模式并形成了TRIZ 理論的原始基礎。主要理論是：創新思維方法與問題分析方法，技術矛盾解決原理；創新問題標準解法等理論。本裝置基于以上理論的分析與應用，設計了居于軌道模式的自動化節水灌溉裝置模型。

1.1 最終理想解

最終理想解的設計分析見表1。

表1 最終理想解的設計分析Tab.1 The design analysis of final ideal solution

1.2 技術矛盾

即希望實現全自動灌溉模式又希望測定數據精確，構成了物體形狀和智能技術約束。

1.3 物理矛盾

文章設計的自動節水化灌溉裝置既要安裝簡單，又要精準灌溉。故決定采用物理矛盾的空間分離，將帶動裝置、灌溉裝置、排水部分，分離解決以上問題。

1.4 功能分析

基于以上理想解和矛盾的問題分析，對自動化節水灌溉進行了功能分析，見表2。

表2 功能分析表Tab.2 The function analysis

2 系統的研究與結構分析

根據功能分析，對系統的結構進行分析與設計。

2.1 系統的研究

研究灌溉軌道模式。

研究灌溉噴頭出水量以及出水模式。

研究如何將濕度傳給噴頭的接受裝置，實現不同的噴水模式。具體的技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖Fig.1 The technical roadmap

2.2 系統基本結構

2.2.1 結構介紹

為了改變傳統的灌溉方式，該裝置用全新軌道的方式進行定點灌溉，能夠更好地節約水資源，利用定點的濕度來反饋并進行精準、定量的節水灌溉，具體的模型概念圖見圖2。

圖2 整體模型概念圖Fig.2 The conceptual diagram of the overall model

該裝置主要包括：動力裝置部分；智能自動化噴頭部分；土壤濕度傳感器部分；排水循環系統部分，以下僅列出動力裝置和噴頭，見圖3、圖4。

圖3 系統動力裝置Fig.3 The system power unit

圖4 自動化噴頭實體圖Fig.4 The entity diagram of automatic sprinkler

2.2.2 系統全自動原理

基于濕度檢測參數的自動節水化灌溉裝置，在作物下方埋入土壤濕度參數檢測儀，由濕度檢測裝置實時傳送作物土地的濕度，傳輸到用戶移動終端，用戶登錄用戶名和密碼可以實時觀測作物的基本情況。移動網絡終端進行控制，軌道帶動小車進行模式灌溉，設定定點時間，自動智能地灌溉，見圖5。

圖5 移動網絡端用戶界面Fig.5 The user interface of mobile network terminal

2.2.3 結構特點

新型軌道模式。軌道是基于整體設計的骨架，承載著整個裝置體系的自重應力，軌道上方有固定剎車片，便于裝置小車剎車定點灌溉。

濕度傳感器。在作物下方埋入濕度傳感器，以便隨時傳輸作物濕度的參數，反饋到網絡終端，通過網絡終端實時傳輸到用戶移動客戶端。

灌溉方式。通過濕度傳感器可以進行遠端定點灌溉，移動到濕度比較小的地方去，定點準確地給作物受水。一共有3 種模式：定點滴灌模式，霧型全方位灌溉模式，直流型遠端灌溉模式。

裝置小車。裝置小車在軌道上滑行，帶動灌溉噴頭移動，完成灌溉任務。

3 裝置的整體系統創新設計

3.1 裝置創新設計特點

灌溉裝置軌道有特殊剎車裝置，能夠處理特殊情況的制動剎車，保證整個裝置的正常運作，防止小車沖出軌道；有效縮短了灌水時間，該系統避免了傳統地面灌溉方式中畦田平整度阻礙水流向前推進現象的發生，水流在灌溉裝置中被帶動，流速比傳統灌溉速度快，且在灌溉中無水流損失；通過app自動設置，進行灌溉移動。

3.2 裝置系統水回流設計

自動節水灌溉裝置整體模型包括種植槽體、設置于種植槽體上的架體、沿架體長度方向往復平移運動的麥克納姆輪車、以及水箱。其中種植槽體包括傾斜種植面和位于傾斜種植面低位處的集水槽，種植槽體上位于集水槽外側位置設置有回流槽，集水槽的底部側壁設置有與回流槽連通的回流口，水箱內安裝有第一抽液泵，第一抽液泵通過管道與噴淋裝置連接，回流槽通過管道與水箱連接。

圖6 側方內部水渠 Fig.6 The side internal canal

圖7 側方外部水渠Fig.7 The lateral external canal

3.3 物理參數模式的設定

在利用自動控制啟動裝置時，在程序中設定了開啟，關閉系統的條件等，當某個量達到條件就執行動作，比如濕度過低，產生報警，自動控制系統就會對整體裝置進行程序執行灌溉，另外，自動灌溉裝置可以進行超遠距離傳輸，利用網絡等就可以實時接受數據，實時掌握作物的生產等，以便做出及時的判斷和調整，在自動節水化灌溉裝置中采用了物理參數控制模式，就是灌溉的方式不同，設置的灌溉方式模式也不同，灌溉和滴灌采用的2 種不同的模式，利用管道壓力，出水控制，水泵抽水強度，控制物理參數，一般有多種模式，大型噴灌模式，進行全部出水灌溉；定點噴灌模式，進行定點區域的灌溉；滴灌模式，利用噴頭的第二模式將水滴均勻的散落在需要噴灑的土壤，一般分為滴灌，滲灌，微灌模式。多種模式的物理參數控制，更好地實現了自動節水的灌溉模式，利用灌溉裝置進行節能，節水的灌溉，實現了水資源的節約，人工物力的節約，大大降低了人力的工作強度，實現了遠程控水的物理參數模式，見圖8。

圖8 終端控水裝置Fig.8 The terminal water control device

4 裝置的方案評價與前景分析

4.1 方案可行性分析

方案1：自動節水化灌溉裝置。將傳統灌溉固定裝置改成可移動的帶動裝置，在帶動裝置下增填軌道；在帶動裝置下增加噴頭裝置，進行定點灌溉。

方案2：手動型灌溉方式。利用半自動的手動方式進行定點灌溉。方案1評價：節約成本，節約用水，便于操控，可以進行遠端app模塊進行遠端控水，大大節省了人力。

方案2評價：費時費力，消耗大量的金錢，浪費水資源

4.2 存在的主要問題

地域的局限性，只適用于大棚結構，具有一定的局限性。安裝局限性，較傳統的灌溉安裝較為困難，滴灌地區小于傳統灌溉區域。

4.3 應用前景

據不完全統計，截至目前國內從事節水灌溉產品制造和工程建設的企業約有500 家，導致節水灌溉產品的供需市場在短時間內發生了較大的變化，但大多數企業規模較小，使得市場競爭日趨激烈。同時，大多數企業的生產和經營狀況卻是：規模較小，資金較少，技術水平較低或缺乏各種專業技術人員合理搭配的較為完整的技術體系；研發和創新能力較弱，新產品難以出現；技術含量較高、制造工藝要求相對較高的產品和國外同類產品比較仍然有較大的差距；由于生產設備和管理上的原因，造成有些企業的產品質量不穩定。

近年來，我國相繼頒布了《全國農業可持續發展規劃（2015-2020）》《水污染防治行動計劃》等有利于節水灌溉行業的產業政策，從水利、農業、農業綜合開發、土地整理以及城市園林等行業和領域入手加大對節水灌溉工程的投入，節水灌溉行業面臨新的發展機遇，行業發展潛力巨大、前景看好。此工程原理清晰明了，工程結構簡單，便于施工制作，以及安置，使灌溉水頭能更好地為農作物提升濕度。節約用水，省時省力省錢省心。