节水灌溉控制系统的应用研究

池丽敏，张　倩，陈　丹

（1.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210006；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津市300250）

节水灌溉控制系统的应用研究

池丽敏1，张倩2，陈丹1

（1.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210006；2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津市300250）

节水灌溉控制是研究如何根据土壤条件、土壤水分信息及作物需水特性进行合理的灌溉决策，即将传统的凭经验由人工手动阀门控制灌溉方式改为自动进行适时适量、按需精确灌溉控制。整个控制系统主要有四个模块:检测模块、数据处理模块、数字模块及控制模块。根据设定值控制灌溉，整个控制系统能够正常工作，实现了适时、按需精确灌溉，达到高效节水的目的。

节水灌溉；灌溉控制；自动控制

0　引言

节水灌溉技术包括两方面内容:（1）工程节水技术:通过对原有灌溉工程设施进行改造或使用先进的灌溉工程设施以达到减少输水损失和减少田间用水损失的方法。如渠道防渗、管道输水、喷灌、微喷灌、滴灌等。（2）灌溉控制技术:通过采用自动控制技术，结合作物需水特性、地理环境、土壤特征与节水灌溉制度等实行按需的、适时的自动灌溉控制[1]。

工程节水技术主要是从两个方面来实现节水的目的，一是减少水在田间传输过程中的渗漏损失，如渠道防渗和管道输水技术;二是减少灌溉过程中的无效灌溉，即均匀灌水或是只对作物根部附近的土壤进行灌溉。利用工程节水技术一般可提高水资源利用率到50%～70%，相对传统的灌溉方式来说己经有很大改善，但是仍存在30%以上的水资源浪费，且与优质高产仍有一段距离。这主要是因为这种灌溉模式仍然是靠人工控制，灌溉的多少全凭经验，不能实现按作物的需水特性精确、高效灌溉。而灌溉控制技术的发展正可以弥补工程节水技术的这一缺陷，它采用先进的科学技术，检测土壤墒情，根据地理环境和作物生长的需水特性按需、精确灌溉，可大大提高水资源的利用率，实现优质高产。

我国对节水灌溉十分重视，采取了很多节水灌溉方式，并取得了较好的节水效果，现代高效节水灌溉技术是我国设施农业今后发展的主要方向。但是在节水灌溉控制技术方面，我国还处于较低水平，国内基本上还没能生产出成型的、能够推广的自动控制灌溉产品，基本还是手动阀门来操作。因此，一套成型的能够推广的自动灌溉控制系统是目前我国发展节水灌溉十分紧要的问题[2-10]。

1　节水灌溉控制系统的发展

1.1国外的发展

节水灌溉在世界各国的农业中占有重要地位，国外节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。目前在国际上技术比较成熟、应用较广的灌溉控制技术主要有两种：专家系统和微机测控技术。

专家系统是一个模拟人脑思维方式，以知识为基础的计算机软件系统，即采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器测得土壤湿度信息，或者通过检测植物茎、果的直径变化来决定对作物的灌溉计划和灌溉量。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，通常能控制几路或十几路电磁阀，内置若干套灌溉管理程序，预先设定灌水开始、结束时间和间隔时间，自动化、智能化控制，运行精密可靠、节省人力[11]。

微机测控技术，它是将计算机技术、传感与检测技术以及通讯技术结合起来，能够检测土壤墒情、环境特征，并依据检测结果来决定灌溉量与灌溉时间，摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式[11-13]。

1.2国内的发展

我国的节水灌溉技术和设备自20世纪50年代从国外引进后，在很长一段时间内，主要是示范应用。到20世纪90年代后，随着经济的发展、水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了快速地发展，从国外引进许多先进节水灌溉设备，同时我国在滴灌等节水灌溉技术上的研究也取得很大进步，但是在自动灌溉控制系统方面技术还比较落后，基本上还没有自行成型的自动控制产品，绝大部分都依靠从国外进口。因此，加速开发适合我国国情的成套、适用、可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的。另外随着我国农业现代化进程的加快、农业结构的调整以及计算机技术、通信技术及自动控制技术等的迅速发展，节能精准灌溉技术将成为未来农业工程研究的主要方向和特点。

2　智能监控系统设计

节水灌溉自动控制系统的研究方案[14-17]是将传感技术与单片机控制相结合，设计一个简单、低成本、易推广的控制系统，能够实时检测土壤及作物的一些灌溉控制参数，根据检测结果实现按需、精准灌溉，到达高效节水、优质高产的目的。整个控制系统主要应该有四个模块:检测模块、数据处理模块、数字模块及控制模块。

2.1测量参数

不同的作物对水分的需求量是不一样的。按需、精准灌溉就是要根据作物的需水特性来控制灌溉量，使土壤的含水量能刚好达到作物的需求。这样做的目的不仅仅是节水，还能促使作物更好的生长，达到优质高产。因为对作物来说，土壤含水量并不是越多越好，对某些作物来说，水分太多反而会抑制生长，适量的水分对作物的生长才是最有益的。

要实现按需、精准灌溉，土壤水分是必须测量的最主要的参数。水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，是构成土壤肥力的一个重要因素，而且它本身更是一切植物赖以生存的基本条件。除了土壤水分外，土壤温度也是决定是否灌溉的一个重要参数，因为温度过低，灌溉会冻伤作物的根系，因此，必须要监测土壤温度，在土壤温度过低时就停止浇水。

2.2传感器数量

针对土壤情况不同，需要的传感器数量是不一样的。有的土壤一致性好，只需一个传感器测量土壤墒情就可，但有的土壤一致性差，就需要多支传感器来测量土壤墒情。同时，土壤的面积有大有小，也决定了需要不同数量的传感器。因此，控制系统在设计时要配备多支传感器。而且，配备多支传感器也能增强控制系统功能，能够同时控制不同作物的灌溉。但是，传感器的数量也不能太多，传感器路数太多也会增加控制系统的成本。在控制系统设计时要综合考虑所需配备的传感器数量。

2.3作物缺水判断

不同的作物对水分的需求是不同的，周围环境不同，作物的需水量也会有所不同。即使同一作物，在不同生长阶段对水分的需求也不同。我国的作物有几千种，不同的作物有不同的缺水状况;我国面积广大，气候条件变化无常。怎样才能使控制系统适应不同的作物，在不同气候条件和不同季节都能实现按需灌溉，这是控制系统通用性设计最主要要解决的问题。如果解决不好，控制系统也就失去了其推广的意义。

2.4灌溉控制方式

目前我国各个设施农业中灌溉系统的水状况不一样，有的采用电机控制水流、有的采用水泵加压后才能进行灌溉，有的采用电磁阀代替手动阀门控制水流灌溉。因此，控制系统在设计时要考虑到控制信号的通用性，既能控制电机、水泵，又能控制电磁阀。

3　智能控制系统应用实例

某项目约500亩，温室联栋大棚，种植蔬菜，85只电磁阀门，采用智能控制系统。监控系统由现场控制装置、环境数据采集系统、无线数据传输系统、等部分组成。

控制系统结构示意见图1。

图1　控制系统结构示意图

数据采集系统将大棚生产中所需的温湿度、光照等信息发送给现场控制装置；在面积较大的温室大棚中，可以采用基于ZigBee技术的数据采集终端。通过由3G网络和Internet网络组成的物联网发送到管理中心，实现统一管理。有线和无线数据采集系统见图2、图3。

图2　有线数据采集

图3　无线数据采集

滴灌使用土壤水份测量设备，测量土壤水份。喷灌使用降雨量传感器，测量降雨量。

可以实现多种灌溉模式。设备由太阳能电池供电，无线联网。

有小型气象站，可实现天气预报功能，供系统决策使用。

智能控制软件，泵站内有触摸屏系统，监控中心也能控制。

4　结论与建议

节水灌溉技术是比传统的灌溉技术明显节约用水和高效用水的灌水方法。但我国节水灌溉技术目前存在一些问题，如采用喷灌、微灌和管道输水等先进节水灌溉技术的比例还很低，节水灌溉设备质量差、配套水平低厂技术创新与推广体系不健全灌溉用水管理技术落后，信息技术、计算机、自动控制技术等高新技术在灌溉用水管理的应用还很少，应当根据不同地区的自然经济状况，包括水资源状况、气候条件、农业生产经营方式、作物种类、经济发展水平等，科学确定不同地区、不同阶段的节水灌溉发展模式，加快研究开发先进、适用的农业高效用水技术及科学的智能控制系统。

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S275

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1009-7716（2016）03-0082-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.024

2015-11-24

池丽敏（1981-），女，河北张家口人，工程师，从事水利规划设计工作。