李京鴻（河海大學(xué)，江蘇 南京 210000）

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試論農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

李京鴻
（河海大學(xué)，江蘇 南京 210000）

摘 要：隨著信息通信技術(shù)和傳感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得以應(yīng)用，為我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。當(dāng)前我國水資源嚴(yán)重短缺，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉過程中的動(dòng)態(tài)控制和管理，可以充分地利用自動(dòng)化數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，通過傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析灌溉區(qū)的用水量，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化。本文從農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)概述入手，分析了目前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀，對我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的改進(jìn)方案進(jìn)行了具體的闡述，最后展望了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉；自動(dòng)化技術(shù)；自動(dòng)灌溉系統(tǒng)；改進(jìn)方案；應(yīng)用前景

在具體的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作中，如果單一的憑借節(jié)水設(shè)備或是節(jié)水技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)灌溉水資源高效利用的，因此需要將灌溉水資源開發(fā)、灌溉技術(shù)裝備、灌區(qū)自然環(huán)境及土質(zhì)情況等諸多因素有效地結(jié)合在一起，并進(jìn)行統(tǒng)籌安排，從而實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的動(dòng)態(tài)使用，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉的自動(dòng)供水、配水和用水。這就需要加快節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，在這方面我國起步得相對較晚，目前農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化研究還處于初步階段，灌溉自動(dòng)化水平較低。當(dāng)前我國一些農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)其技術(shù)還多依賴于外國技術(shù)，在動(dòng)態(tài)水量調(diào)節(jié)及分配方面還存在著一些不足，而且設(shè)備成本普遍偏高，這給大面積推廣帶來一定的難度。

1 農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)概述

1.1 農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的原理

農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)組成大致包括中央控制計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電磁閥及軟件系統(tǒng)等，在具體操作過程中，需要人工來制定一套適合的灌溉數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)通過傳感器來對土地中實(shí)際的各種數(shù)值進(jìn)行感知，傳感器會(huì)對所感知到的數(shù)據(jù)傳輸給中央處理系統(tǒng)，中央處理系統(tǒng)將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，然后對是否需要灌溉進(jìn)行確定。通常情況下實(shí)際數(shù)據(jù)低于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值時(shí)，則會(huì)執(zhí)行灌溉任務(wù)，相反則灌溉系統(tǒng)開關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

1.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)主要是在農(nóng)業(yè)灌溉中進(jìn)行應(yīng)用，這就決定了系統(tǒng)使用者知識(shí)水平不高，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的組成需要盡可能地做到簡單。對于農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，由于其組成部件不復(fù)雜，這也使其在使用過程中不需要過多地精洗就能夠保持良好的潔凈度。由于在灌溉過程中往往會(huì)加入各種化學(xué)性農(nóng)藥，會(huì)對農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)帶來不同程度的侵蝕，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)需要具有較好的抗腐蝕性特點(diǎn)。在具體灌溉過程中，農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)能夠有效地按照最佳比例來對水肥進(jìn)行混合，不僅灌溉過程中能夠充分地保證施肥的均勻性，而且能夠根據(jù)植物不同生長時(shí)期對肥的需求進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)。農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)還可以調(diào)整到手工模式。另外，農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在灌溉過程中能夠有效地對精度進(jìn)行控制，有效地避免了水資源浪費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

2 目前國內(nèi)外農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)最早是由法國在第一次世界大戰(zhàn)期間發(fā)明的，并在后電子技術(shù)和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展過程中得以不斷完善，后來在其他一些國家也取得了非常顯著的進(jìn)步，控制模式已發(fā)展到遙測和遙控的集中控制模式。由于國外農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間較長，技術(shù)已非常成熟，農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)也十分完善，能夠準(zhǔn)確在灌溉過程中控制精度。相較于國外，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)處于起步階段，系統(tǒng)在整體配合性方面還存在許多不足之處，而且自動(dòng)化程度無法盡如人意，農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)還沒有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，多停留在半自動(dòng)化和人工的程度。目前我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)多采用外國的技術(shù)，但由于國外技術(shù)主要是針對歐美國家的氣候溫度來設(shè)計(jì)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，這也導(dǎo)致在我國具體應(yīng)用過程中存在許多不適宜的地方，我國還需要加大自主研發(fā)的力度，研制出與我國現(xiàn)有國情、氣候溫度等相適應(yīng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

3 我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的改進(jìn)方案

由于我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)起步較晚，相對研究較為滯后，在具體應(yīng)用過程中還存在許多需要進(jìn)一步完善的地方，只有在不斷改進(jìn)和完善過程中才能使其更適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉需求。

3.1 對農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)置硬件標(biāo)準(zhǔn)

要提高我國的農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，就需要提高相應(yīng)硬件設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)字化。對于農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)置硬件標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)字化體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：控制器的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化。控制器是節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的核心部件，完成控制器的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，才能信息實(shí)時(shí)采集、分時(shí)存儲(chǔ)、準(zhǔn)確地對環(huán)境因子參數(shù)進(jìn)調(diào)控；傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化。傳感器在整個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中發(fā)揮的作用就是測量土地的相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且將其傳輸給中央處理系統(tǒng)。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字化表現(xiàn)在使測量的數(shù)據(jù)精度控制在一定的范圍之內(nèi)。因此，必須從精度、可靠性方面綜合考慮，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理的數(shù)字化的智能傳感器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是農(nóng)田或設(shè)施內(nèi)溫度、濕度及土壤水分等因子進(jìn)行調(diào)控的控制電路和設(shè)備，如電磁閥的開關(guān)等。以前我國應(yīng)用的一般是開關(guān)，開關(guān)的應(yīng)用會(huì)降低灌溉用水的精度，因此，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化的執(zhí)行裝置也是提高控制質(zhì)量的重要因素；控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化。對各個(gè)控制裝置開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)相互通信，實(shí)現(xiàn)信息的共享對于農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展將起到很大的促進(jìn)作用。并且實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制裝置的標(biāo)準(zhǔn)化也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

3.2 提高對植物生長需要信息的提取能力

農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)節(jié)水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要以植物生長所需要的信息作為重要參考，以此來制定精確的節(jié)水方案。因此需要利用先進(jìn)的技術(shù)來探測到植物生長所需要的信息，確保探測的科學(xué)性和精確性。在具體探測過程中，可以采用紅外技術(shù)、植物電信號(hào)、多光譜反射技術(shù)等來對植物生過程中對營養(yǎng)需求情況、病蟲害狀況及生長狀況等信息進(jìn)行提取，并以此來制定科學(xué)的節(jié)水方案，確保農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用前景

4.1 基于電話網(wǎng)絡(luò)的有線撥號(hào)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)

IMMS中央灌溉控制系統(tǒng)是由亨特公司研制的，其結(jié)構(gòu)就是基于有線電話網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)。IMMS中央灌溉自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)把當(dāng)前已經(jīng)很成熟的有線電話網(wǎng)絡(luò)作為自身系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)通道，然后通過這個(gè)數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)焦鄥^(qū)中央控制中心，從而實(shí)現(xiàn)對灌溉水資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度和分配。可以實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)子系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，并通過控制中心計(jì)算機(jī)完成灌水時(shí)間、灌水順序、灌水量等數(shù)據(jù)的編制。同時(shí)該管理系統(tǒng)開發(fā)了糾錯(cuò)報(bào)警功能，可以有效地防范人為原因造成的操作失誤，有效地避免水資源的浪費(fèi)。

4.2 基于無線傳感器技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)

無線傳感器技術(shù)主要依托于電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和無線信息通信技術(shù)等，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化研究上，需要加實(shí)現(xiàn)信息信號(hào)的實(shí)時(shí)同步，無線傳感器技術(shù)就能夠很好地解決這一問題，利用無線傳感器技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)各種動(dòng)態(tài)信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸和信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理等，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動(dòng)化的研究工作指明了方向。

4.3 基于3G技術(shù)的節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)

近年來，GIS、GPS、GPRS、衛(wèi)星遙感等技術(shù)取得了較快的發(fā)展，而且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水灌溉領(lǐng)域開始應(yīng)用，有效地提高了農(nóng)業(yè)灌溉用水決策支持系統(tǒng)的功能，加快了節(jié)水灌溉自動(dòng)化管理的現(xiàn)代化、數(shù)據(jù)化和高效化的發(fā)展，為構(gòu)建灌區(qū)綜合自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)語

隨著各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將其應(yīng)用在各種節(jié)水灌溉設(shè)備上，這不僅有利于節(jié)水灌溉設(shè)備價(jià)格的降低，而且節(jié)水灌溉設(shè)備的可靠性也能夠大幅度的提高。在當(dāng)前我國水資源短缺越來越嚴(yán)重的新形勢下，利用先進(jìn)的信息技術(shù)來構(gòu)建功能強(qiáng)大的節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)已成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，只有這樣，才能更好的實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源的優(yōu)化分配和調(diào)度，為農(nóng)業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在具體應(yīng)用中還存在許多不足之處，但隨著我國自主研發(fā)力度的加大，我國農(nóng)業(yè)節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)將得到不斷地完善，從而更好的在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供最重要的基礎(chǔ)保障。

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中圖分類號(hào)：S275

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A