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智慧農(nóng)業(yè)灌溉——“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”
來源:河南廣播電視臺新聞中心
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作者:河南廣播電視臺新聞中心
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發(fā)布時間: 2020-10-20
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我國是農(nóng)業(yè)大國，智慧農(nóng)業(yè)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進程不可缺少的重要力量，是未來全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。我國應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術(shù)，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，推動農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈改造升級，提高農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備和信息化水平，促進中國由農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強國轉(zhuǎn)變，智慧農(nóng)業(yè)是一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，它結(jié)合現(xiàn)代管理制度，集多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中實現(xiàn)綜合實踐的全面應(yīng)用，目前，已廣泛應(yīng)用在溫室種植業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等方面。
近幾年來，隨著全球水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。自動控制節(jié)水灌溉技術(shù)的高低代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展?fàn)顩r，灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因，節(jié)水灌溉作為一項現(xiàn)代化的工程技術(shù)，無論是工程節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水，還是管理節(jié)水都必須建立在節(jié)水灌溉設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上。節(jié)水灌溉技術(shù)是為了解決水資源不足，提高灌溉效率而發(fā)展起來的現(xiàn)代灌溉技術(shù)
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不需要有人控制，系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間；系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guān)閉灌溉；可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)—智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的成本差不多，卻可節(jié)水16%到30%。在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運而生了。
系統(tǒng)遵循了以下幾點：
1、系統(tǒng)模塊化、層次化設(shè)計，以提高效率，增加可維護性，便于擴展；
2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設(shè)備，而不需要更換軟件；
3、人機界面友好，實現(xiàn)灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；
4、抗電磁干擾的能力強，保證系統(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行；
5、故障自動檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備的布局要求美觀。
為了最大限度地節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能：
1、數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換）。
2、控制功能：具有定時控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。
3、電動機過載保護功能：當(dāng)電動機過載時，電動機立即停止轉(zhuǎn)動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復(fù)運轉(zhuǎn)。
4、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能。
5、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內(nèi)，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。
6、急停功能：當(dāng)出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，噴頭停止灌溉。
7、故障自動檢測功能：當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關(guān)閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)方案
每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是最大限度地滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度范圍之內(nèi)?？梢苑譃椋捍笥冢扔?，小于三種情況。系統(tǒng)按可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好的程序自動按一定的灌水量進行灌溉。最終實現(xiàn)不需要人的直接參與，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)灌溉，人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。
控制器、傳感器、變頻器是實現(xiàn)智能灌溉不可缺少的設(shè)備。但要想使整個草坪都得到相同的水量，對草坪實現(xiàn)均勻而智能的灌溉，必須要設(shè)計一套完整的系統(tǒng)。
一套完整的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關(guān)量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表，顯示面板等組成。
水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區(qū)的遠近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。
電源模塊：穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是整個系統(tǒng)安全、可靠運行的重要前提，要求電源模塊穩(wěn)定、可靠，留有一定的功率余量。
顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于控制和維修。
其他輔助設(shè)備：輔助設(shè)備如冷卻風(fēng)扇、UPS不間斷電源等是完善整個系統(tǒng)所必須的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
1、智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理
灌溉系統(tǒng)工作時，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標準的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器?？删幊炭刂破鲀?nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標準濕度值，實際測得的濕度信號與50%—60%RH比較，可以分為：在這個范圍內(nèi)，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況?？删幊炭刂破鲗⒖刂菩盘杺鹘o變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉(zhuǎn)角度自動旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時電磁閥自動關(guān)閉。為了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側(cè)安裝一塊壓力表，保證噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程，避免發(fā)生因為水壓不足，噴頭射程減少的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。
2、智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
要實現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網(wǎng)等設(shè)備。
①可編程控制器：負責(zé)發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。
②傳感器：由于本次設(shè)計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。
③A/D模塊：因為可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
④變頻器：通過改變電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量，達到節(jié)水的目的。
⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。
⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。
⑦管網(wǎng)：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。
高效節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)點
（1）推廣應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，在大幅度提高水的利用率的同時，引發(fā)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)田水利建設(shè)方式，提高了土地利用率。
（2）改變了傳統(tǒng)的勞作方式，大幅度降低了作業(yè)成本，提高了勞動生產(chǎn)率。
各種高效節(jié)水灌溉技術(shù)
（1）噴灌：噴灌比漫灌節(jié)水30%，主要用于大田密植作物，適合區(qū)域化控制，具有增產(chǎn)、提高耕地利用率等優(yōu)點，但運行能耗較高，蒸發(fā)損失較大，要求大容量水源，并且只能在不超過3級風(fēng)力的條件下使用。
（2）微灌：微灌屬于先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，能夠僅對作物需水部位提供所需水量，由“澆地”轉(zhuǎn)換為“澆作物”。微灌用于設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟作物，適應(yīng)所有地形和土壤，具有節(jié)水、增產(chǎn)效應(yīng)，灌水均勻，至少可比噴灌節(jié)水50%。微灌很容易實現(xiàn)水肥一體化。但微灌對水質(zhì)及日常系統(tǒng)維護要求較高。
近幾年來，隨著全球水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。自動控制節(jié)水灌溉技術(shù)的高低代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展?fàn)顩r，灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因，節(jié)水灌溉作為一項現(xiàn)代化的工程技術(shù)，無論是工程節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水，還是管理節(jié)水都必須建立在節(jié)水灌溉設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上。節(jié)水灌溉技術(shù)是為了解決水資源不足，提高灌溉效率而發(fā)展起來的現(xiàn)代灌溉技術(shù)
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不需要有人控制，系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間；系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guān)閉灌溉；可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)—智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的成本差不多，卻可節(jié)水16%到30%。在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運而生了。
系統(tǒng)遵循了以下幾點：
1、系統(tǒng)模塊化、層次化設(shè)計，以提高效率，增加可維護性，便于擴展；
2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設(shè)備，而不需要更換軟件；
3、人機界面友好，實現(xiàn)灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；
4、抗電磁干擾的能力強，保證系統(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行；
5、故障自動檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備的布局要求美觀。
為了最大限度地節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能：
1、數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換）。
2、控制功能：具有定時控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。
3、電動機過載保護功能：當(dāng)電動機過載時，電動機立即停止轉(zhuǎn)動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復(fù)運轉(zhuǎn)。
4、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能。
5、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內(nèi)，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。
6、急停功能：當(dāng)出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，噴頭停止灌溉。
7、故障自動檢測功能：當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關(guān)閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)方案
每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是最大限度地滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度范圍之內(nèi)?？梢苑譃椋捍笥冢扔?，小于三種情況。系統(tǒng)按可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好的程序自動按一定的灌水量進行灌溉。最終實現(xiàn)不需要人的直接參與，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)灌溉，人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。
控制器、傳感器、變頻器是實現(xiàn)智能灌溉不可缺少的設(shè)備。但要想使整個草坪都得到相同的水量，對草坪實現(xiàn)均勻而智能的灌溉，必須要設(shè)計一套完整的系統(tǒng)。
一套完整的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關(guān)量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表，顯示面板等組成。
水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區(qū)的遠近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。
電源模塊：穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是整個系統(tǒng)安全、可靠運行的重要前提，要求電源模塊穩(wěn)定、可靠，留有一定的功率余量。
顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于控制和維修。
其他輔助設(shè)備：輔助設(shè)備如冷卻風(fēng)扇、UPS不間斷電源等是完善整個系統(tǒng)所必須的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。
智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)
1、智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理
灌溉系統(tǒng)工作時，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標準的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器?？删幊炭刂破鲀?nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標準濕度值，實際測得的濕度信號與50%—60%RH比較，可以分為：在這個范圍內(nèi)，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況?？删幊炭刂破鲗⒖刂菩盘杺鹘o變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉(zhuǎn)角度自動旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時電磁閥自動關(guān)閉。為了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側(cè)安裝一塊壓力表，保證噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程，避免發(fā)生因為水壓不足，噴頭射程減少的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。
2、智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
要實現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網(wǎng)等設(shè)備。
①可編程控制器：負責(zé)發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。
②傳感器：由于本次設(shè)計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。
③A/D模塊：因為可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
④變頻器：通過改變電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量，達到節(jié)水的目的。
⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。
⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。
⑦管網(wǎng)：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。
高效節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)點
（1）推廣應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，在大幅度提高水的利用率的同時，引發(fā)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革，改變了傳統(tǒng)的農(nóng)田水利建設(shè)方式，提高了土地利用率。
（2）改變了傳統(tǒng)的勞作方式，大幅度降低了作業(yè)成本，提高了勞動生產(chǎn)率。
各種高效節(jié)水灌溉技術(shù)
（1）噴灌：噴灌比漫灌節(jié)水30%，主要用于大田密植作物，適合區(qū)域化控制，具有增產(chǎn)、提高耕地利用率等優(yōu)點，但運行能耗較高，蒸發(fā)損失較大，要求大容量水源，并且只能在不超過3級風(fēng)力的條件下使用。
（2）微灌：微灌屬于先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，能夠僅對作物需水部位提供所需水量，由“澆地”轉(zhuǎn)換為“澆作物”。微灌用于設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟作物，適應(yīng)所有地形和土壤，具有節(jié)水、增產(chǎn)效應(yīng)，灌水均勻，至少可比噴灌節(jié)水50%。微灌很容易實現(xiàn)水肥一體化。但微灌對水質(zhì)及日常系統(tǒng)維護要求較高。