陳 冰

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南漯河 462000）

1 引言

我國水資源短缺的形勢嚴(yán)峻，農(nóng)業(yè)節(jié)水壓力巨大。當(dāng)前，我國先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)沒有得到大面積的應(yīng)用和推廣，不同地區(qū)差異很大。尤其是在我國中原農(nóng)業(yè)大省，先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)還沒有廣泛的推廣，大多在使用傳統(tǒng)粗放灌溉模式，普遍采用人工漫灌作業(yè)，效率低下，耗費(fèi)大量的人力物力，灌水量過大，造成嚴(yán)重水資源的浪費(fèi)。利用自動化技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)農(nóng)田灌溉模式，根據(jù)農(nóng)作物的需水、耗水規(guī)律來對作物實(shí)施精確的灌溉，提高水資源的利用率，是解決未來農(nóng)業(yè)水資源短缺的根本出路，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本要求。

2 灌溉自動化系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

自動化灌溉系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測土壤墑情，分析灌溉數(shù)據(jù)，通過灌溉自動化控制技術(shù)對農(nóng)作物進(jìn)行合理灌溉，精確灌溉，達(dá)到節(jié)水增效，減少人工投入的目標(biāo)。

2.2 自動化系統(tǒng)總體架構(gòu)

自動化灌溉系統(tǒng)總體構(gòu)成由中央控制中心、首部控制層和田間控制層三個層級，見下圖1所示。該灌溉自動化控制系統(tǒng)的工作流程是田間墑情采集系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地采集田間信息傳輸?shù)街醒肟刂浦行?；中央控制中心的工作站對獲取信息進(jìn)行管理和決策，編制灌溉計(jì)劃，然后將計(jì)劃指令傳遞給首部控制系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行操作；并且，首部控制系統(tǒng)還可以將受到的計(jì)劃指令進(jìn)行實(shí)時保存，這樣就可以使得隨時將已保存的指令，通過田間控制器閥門進(jìn)行灌溉。

圖1 節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

3.1 中央控制中心

顧名思義，中央控制中心就是管理田間整個灌溉區(qū)域的核心設(shè)施，既需要實(shí)時監(jiān)控范圍內(nèi)所有的灌溉工作狀況，又需要及時安排和儲存灌溉計(jì)劃數(shù)據(jù)。中央控制器由電源控制箱、主控計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備等組成，主控計(jì)算機(jī)上安裝農(nóng)田自動化監(jiān)控軟件，主要包括信息采集與處理、數(shù)據(jù)顯示、首部控制等模塊組成。并且，監(jiān)控中心還可以利用GPRS覆蓋范圍廣泛的優(yōu)勢，將監(jiān)控范圍擴(kuò)展到各個灌溉區(qū)域，同時通過將收集的監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳輸給首部控制器及時保存，最后將保存的數(shù)據(jù)按照預(yù)定灌溉計(jì)劃進(jìn)行實(shí)施。

3.2 首部控制器層

從組成部分來看，首部控制器主要是由GPRS和中央控制器，以及ZigBee和田間控制器組成，同時還可以將若干傳感器與首部控制器相關(guān)聯(lián)，從而提高首部控制器的管控能力。而首部控制系統(tǒng)核心為灌溉單元控制器，其本身為智能站，其基本功能為存儲管理中心下發(fā)的灌溉計(jì)劃或者直接在本機(jī)編制灌溉計(jì)劃并自動執(zhí)行。進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)后，在灌溉期間連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)故障實(shí)時報(bào)警，并隨時接受灌溉計(jì)劃調(diào)整。首部控制系統(tǒng)監(jiān)測對象見下表1和表2：

表1 首部主要監(jiān)測對象表

表2 首部控制對象表

3.3 田間控制層

田間墑情采集系統(tǒng)是田間工作層的核心設(shè)備，主要依靠傳感設(shè)備收集田間周邊的環(huán)境信息，如農(nóng)作物、氣候溫度、排水系統(tǒng)運(yùn)行情況等數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過CAN有線或Zigbee無線通訊等方式上報(bào)及存儲。而灌溉自動控制系統(tǒng)作為田間控制層的關(guān)鍵設(shè)備，就必須具備較為全面的測量儀器，如壓力傳感器、電磁流量計(jì)、生長精密傳感器等設(shè)施。并且，與灌溉自動控制系統(tǒng)想配套的還有電磁閥，該設(shè)備主要是利用電纜將其與其他田間控制器進(jìn)行連接，這樣就形成了一張全面的電磁控制網(wǎng)絡(luò)，那么當(dāng)灌溉施肥程序自動啟動時，就會帶動灌溉閥門相應(yīng)地發(fā)生開啟或關(guān)閉操作。

3.4 通信網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的出現(xiàn)，為田間控制系統(tǒng)提供更為高效的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，而ZigBee在田間控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有顯明的應(yīng)用優(yōu)勢。一方面其自帶的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用范圍較為廣泛，另一方面其所消耗的電能較少，同時還可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田大規(guī)模分布式傳感器數(shù)據(jù)的收集；另外，GPRS技術(shù)也具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)。那么，將分布式ZigBee 和GPRS無線通信技術(shù)應(yīng)用于自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸具有良好的實(shí)時性和可靠性，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化調(diào)節(jié)，達(dá)到定時定量和精確化灌溉的目的。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于自動化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語

文章對自動化灌溉技術(shù)在農(nóng)田灌溉優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，分析提出了三層級自動化農(nóng)田灌溉方案，可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物進(jìn)行合理灌溉，精準(zhǔn)灌溉，有效提高用水效率，能夠減少人工投入，讓農(nóng)戶從灌溉中解放出來，實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效，取得了滿意效果。當(dāng)前我國正在積極向農(nóng)業(yè)智能化方向發(fā)展，而農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動化是智能化的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，所以將自動化灌溉技術(shù)廣泛普及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以推動我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的加快升級。