丘陵茶园物联网雾灌系统设计实践与技术应用＊——以宜宾市翠屏区明威乡燕山村茶园信息化雾灌项目为例

□周小波 杨建国 唐波 卢珍 李光辉 罗清 郭跃生 胡志国

/1.四川省农业机械研究设计院 2.宜宾市翠屏区农林畜牧局

丘陵茶园物联网雾灌系统设计实践与技术应用＊
——以宜宾市翠屏区明威乡燕山村茶园信息化雾灌项目为例

□周小波1杨建国1唐波1卢珍1李光辉1罗清2郭跃生2胡志国2

/1.四川省农业机械研究设计院 2.宜宾市翠屏区农林畜牧局

文章介绍了宜宾市翠屏区明威乡燕山村茶园，依托四川省农业机械研究设计院科研人才力量，在分析该区域自然基本情况和产业发展需求的基础上，对人工造雾方式进行了选择，采用丘陵山区灌溉控制系统的物联网控制技术，改善了低山茶园气候条件，提高了茶叶的品质和产量。

茶园雾灌，远程无线控制

1 项目概况

宜宾市翠屏区自然条件优越，土壤、气候等条件适宜发展早茶。截至2015年底，全区的生态早茶总面积达到6 666.67 hm2， 投 产 面 积 3 000.00 hm2，总产量达到3 260 t，实现产值3.165亿元，茶叶产业综合产值近22亿元[1]。环金秋湖一带是翠屏区规划的北域早茶基地，包括邱场镇、明威乡、金坪镇3个乡镇的7个村，燕山村就在该区域内，规划面积70 hm2。该区域是典型的低山浅丘地形，由多个山头组成，最高点海拔为364 m，最低点海拔为315 m。为了改善低山区茶园气候条件，为茶树提供适宜的湿度条件，2013年起，翠屏区农林畜牧局牵头，在园区内建成了管道固定式雾灌系统，收到了较好的效果。2016年，翠屏区农林畜牧局提出，要在总结已实施项目经验的基础上，进一步提升雾灌系统的造雾效果，减少管道系统对茶园机械化作业的影响；要将物联网技术与雾灌系统有机结合，提升系统的装备水平。受翠屏区农林畜牧局的委托，四川省农业机械研究设计院承担了该项目雾灌系统的设计工作，在多方案比较的基础上，选择将送风喷雾机与物联网灌溉控制系统相结合，较好地解决了丘陵地区地形复杂、管道铺设困难、信号线安装复杂等工程技术难题，达到了较好的效果。

2 造雾方式

茶树有机体中90%～95%的干物质是靠光合作用合成的，红光、黄光极易被茶树吸收利用。随着高度的增加，云雾、多雨日也相应增多，漫射光较多，茶树生长在含红光、黄光较多的漫射光环境中，有利于氨基酸、维生素的形成，所产的茶叶芽嫩、叶肥、香味浓郁，因此，有“高山出好茶”的说法[2]。翠屏区明威乡燕山村茶园海拔高度在315～364 m，要在浅丘地区生产出高品质茶叶，通过人工造雾，改变区域小气候是可行的办法。为了减少管道安装对茶园生产作业的影响，项目组通过多方案比较，确定采用风送造雾机造雾。但是，常规的风送造雾机雾滴直径较大，和自然界形成的雾差别很大，因此，项目组需要重新对造雾系统进行设计。喷头是造雾系统的核心部件之一，喷头雾化指标常用D50表示，即粒径的颗粒累积体积占全部颗粒体积的50%，也称体积中径（VMD），是目前衡量雾滴直径大小最常用的指标。根据VMD的大小，将雾滴类型划分为气雾（＜50 μm）、中弥雾（50～100 μm）、细雾 （101～200 μm）、中等雾（＞400 μm）共5个等级[3]。自然界形成的雾，雾滴直径在10～15 μm，常用的节水灌溉造雾设备很难将液态水制成气雾。研究表明，在一定范围内，液体压力与喷头雾化效果正相关，喷嘴直径对喷雾的效果作用则相反。为了达到比较好的喷雾效果，在进行该项目规划设计前，项目组在实验室进行了对比试验，通过调节水泵的压力、更换不同的喷头，测定出了满足该项目需求的喷头形式和设计参数，从而为科学设计提供了依据。

3 控制系统

在完成风送喷雾机的改进设计和工程布置之后，控制方式的选择又是另一个难题。该片区茶园分布在大小不同的几十个山头，项目组把风送喷雾机安装在山头和山脊线上。给各喷雾机供电，可以通过安装多台电力变压器分片控制，分别采用地埋电缆供电。但由于项目所在地地形复杂、控制距离长、控制对象多，各风送喷雾机的控制电缆和信号电缆不宜采用有线方式解决。在此情况下，用物联网技术就能很好地解决这个难题。物联网的核心是：任何物件都拥有一个可以找到它的地址，任何物件都可以控制和通信，也就是全面感知和智能化处理与控制。物联网可以分为感知层、网络层和应用层3个技术体系。其中，感知层是物联网的“眼睛”，其利用各类传感器网络进行数据的采集和感知；网络层则负责利用通信技术和互联网技术进行数据信息的可靠传输；应用层主要是进行信息的协同，为用户提供服务[4]。项目组将每台风送喷雾机作为一个整体控制对象，将主水泵、水平旋转电机、竖直摆动电机、数据采集部件等集中通过安装在风送喷雾机上的一台PLC对所有开关动作进行管理，PLC与远程数据传输模块进行数据交换，远程数据传输模块利用GPRS将数据无线传输到中央控制室的接收端。接收端通过数据处理，完成对特定对象的操作和数据采集等工作。控制系统方案如图1所示。

4 补水方式

风送喷雾机安装在山头和山脊线上，每台风送喷雾机设置了一个取水池，在主取水池中安装了一台水泵，通过管道把每台风送喷雾机串联起来，每个水池中安装有液位传感器，根据水位变化进行自动补水。供水泵采用变频恒压控制方式，根据管道压力变化控制水泵运行，始终保持管网压力在一定的范围之内，满足不同高度和距离的风送雾灌机补水需求。

图1 控制系统方案图

5 应用效果

项目设计完成后，通过各方的共同努力，完成了全部设备的安装调试，并交付使用，雾灌系统运行如图2所示。运行效果：风送雾灌机运行稳定，造雾效果较理想；远程控制系统运行稳定，控制可靠，基本达到设计要求，但是机组噪音较大。其他学者的研究表明，在正常运行状态下，气动噪声是风机的主要噪声之一，通常包括基频噪声（叶片通过频率噪声）、涡流噪声、声波叠加和反射形成的腔体共鸣噪声等[5]。低压轴流风机的气动噪声以宽频成分的紊流噪声为主[6]。项目组设计了一个试验，通过观测在不同供电频率条件下噪声的变化，找到合理的风机转数值，在这个转数条件下观测喷头的造雾效果和供水压力的变化情况，以期找到更加合理的设备运行参数设置方案。性能改进测试试验装置的原理图如图3所示。

图2 雾灌系统运行图

图3 性能改进测试试验装置原理图

试验装置的变频器调节风机电机的供电频率，调节范围为10～50 Hz，调整频率间隔为5 Hz。利用HS5633声级计测定风机在不同供电频率条件下，侧方位和进风口的噪声值，试验数据如表1、图4所示。

从表1、图4数据可得，当风机供电频率低于28 Hz时，能将机组噪音控制在65 dB（A）以下。此时，风机的出口风速较低，雾滴离开出风口后能快速累积，集结成雾，但是成雾的范围与工频运行条件相比，大大缩小。

表1 风机供电频率与噪声测试数据表

图4 风机供电频率与噪声测试曲线图

6 结论

将风送喷雾机与茶叶生产灌溉相结合，在低山区应用人工造雾设施，能够调节和改变区域间小气候，为茶叶生长提供适宜的温湿度条件。其他学者的研究表明，气候条件的改变对茶叶产量提高和品质提升有促进作用；在丘陵地区建设信息化灌溉系统，采用传统技术，信号线布设困难、故障隐患多，利用公共移动网络，采用无线远程控制方式，是可行的技术措施；由于气动噪声的存在难以避免，目前其他学者的研究也表明，通过技术手段降低风机气动噪音的效果有限，虽然采取降低风机转速的办法能比较有效地降低风机噪声，结合造雾系统的改进，能使造雾效果更理想，但却降低了单台风送喷雾机的控制面积，要达到同样的控制面积，需要增加风送喷雾机的布设数量，会增加工程投资。

[1]何至伟,段波,范洋.宜宾市翠屏区茶产业发展综述[J].农业开发与装备,2016,1:7.

[2]华晓白,陈言照.福建省罗源县气候条件对当地茶叶生长的影响分析[J].农业灾害研究,2016,6（3）:56-57.

[3]胡桂琴,许林云,周宏平,崔业民.影响空心圆锥雾喷头雾滴粒径的多因素分析[J].南京林业大学学报(自然科学版),2014,33(2):133-136.

[4]韩贵黎,蔡宗慧.基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计[J].农机化研究,2017,12:215-218.

[5]赵忖,祁大同,毛义军.离心风机气动噪声控制的理论与实验研究[J].风机技术,2013,6:23-34,40.

[6]徐宇峰,张杰,周邵萍,吴彦东.低压轴流风机的内部涡流特性及气动噪声[J].华东理工大学学报(自然科学版),2014,40(02):262-266.

公益性行业（农业）科研专项经费项目“西南丘陵旱地粮油作物节水节肥节药综合技术集成与示范”（项目编号:20150312704）。