自動化技術在農田優化灌溉中的應用

陳 冰

（漯河職業技術學院，河南漯河 462000）

我國水資源短缺的形勢嚴峻，農業節水壓力巨大。當前，我國先進的農業節水技術沒有得到大面積的應用和推廣，不同地區差異很大。尤其是在我國中原農業大省，先進的節水灌溉技術還沒有廣泛的推廣，大多在使用傳統粗放灌溉模式，普遍采用人工漫灌作業，效率低下，耗費大量的人力物力，灌水量過大，造成嚴重水資源的浪費。利用自動化技術優化傳統農田灌溉模式，根據農作物的需水、耗水規律來對作物實施精確的灌溉，提高水資源的利用率，是解決未來農業水資源短缺的根本出路，也是現代農業的基本要求。

2.1 系統功能實現

自動化灌溉系統能夠遠程監測土壤墑情，分析灌溉數據，通過灌溉自動化控制技術對農作物進行合理灌溉，精確灌溉，達到節水增效，減少人工投入的目標。

2.2 自動化系統總體架構

自動化灌溉系統總體構成由中央控制中心、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的工作流程是田間墑情采集系統快速準確地采集田間信息傳輸到中央控制中心；
中央控制中心的工作站對獲取信息進行管理和決策，編制灌溉計劃，然后將計劃指令傳遞給首部控制系統進行執行操作；
并且，首部控制系統還可以將受到的計劃指令進行實時保存，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行灌溉。

圖1 節水灌溉自動化系統整體結構圖

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域的核心設施，既需要實時監控范圍內所有的灌溉工作狀況，又需要及時安排和儲存灌溉計劃數據。中央控制器由電源控制箱、主控計算機及外圍設備等組成，主控計算機上安裝農田自動化監控軟件，主要包括信息采集與處理、數據顯示、首部控制等模塊組成。并且，監控中心還可以利用GPRS覆蓋范圍廣泛的優勢，將監控范圍擴展到各個灌溉區域，同時通過將收集的監控信息數據傳輸給首部控制器及時保存，最后將保存的數據按照預定灌溉計劃進行實施。

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聯，從而提高首部控制器的管控能力。而首部控制系統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的灌溉計劃或者直接在本機編制灌溉計劃并自動執行。進入執行狀態后，在灌溉期間連續監測系統運行狀況，發現故障實時報警，并隨時接受灌溉計劃調整。首部控制系統監測對象見下表1和表2：

表1 首部主要監測對象表

表2 首部控制對象表

3.3 田間控制層

田間墑情采集系統是田間工作層的核心設備，主要依靠傳感設備收集田間周邊的環境信息，如農作物、氣候溫度、排水系統運行情況等數據，然后將采集的數據通過CAN有線或Zigbee無線通訊等方式上報及存儲。而灌溉自動控制系統作為田間控制層的關鍵設備，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、生長精密傳感器等設施。并且，與灌溉自動控制系統想配套的還有電磁閥，該設備主要是利用電纜將其與其他田間控制器進行連接，這樣就形成了一張全面的電磁控制網絡，那么當灌溉施肥程序自動啟動時，就會帶動灌溉閥門相應地發生開啟或關閉操作。

3.4 通信網絡

無線網絡通訊技術的出現，為田間控制系統提供更為高效的數據傳輸基礎，而ZigBee在田間控制網絡系統中具有顯明的應用優勢。一方面其自帶的網絡協議的應用范圍較為廣泛，另一方面其所消耗的電能較少，同時還可以實現對農田大規模分布式傳感器數據的收集；
另外，GPRS技術也具有覆蓋范圍廣、數據傳輸速度快、通信質量高、永遠在線和按流量計費等優。那么，將分布式ZigBee 和GPRS無線通信技術應用于自動化節水灌溉系統，采集的數據進行遠程傳輸具有良好的實時性和可靠性，可以實現節水灌溉裝置的遠程監控和自動化調節，達到定時定量和精確化灌溉的目的。無線網絡技術應用于自動化農業領域具有非常大的發展潛力。

文章對自動化灌溉技術在農田灌溉優化應用進行了初步研究，分析提出了三層級自動化農田灌溉方案，可以實現對農作物進行合理灌溉，精準灌溉，有效提高用水效率，能夠減少人工投入，讓農戶從灌溉中解放出來，實現節水增效，取得了滿意效果。當前我國正在積極向農業智能化方向發展，而農業機械化和自動化是智能化的必要物質基礎，所以將自動化灌溉技術廣泛普及到農業生產中，可以推動我國農業技術的加快升級。