自动化技术在农田优化灌溉中的应用

陈 冰

（漯河职业技术学院，河南漯河 462000）

1 引言

我国水资源短缺的形势严峻，农业节水压力巨大。当前，我国先进的农业节水技术没有得到大面积的应用和推广，不同地区差异很大。尤其是在我国中原农业大省，先进的节水灌溉技术还没有广泛的推广，大多在使用传统粗放灌溉模式，普遍采用人工漫灌作业，效率低下，耗费大量的人力物力，灌水量过大，造成严重水资源的浪费。利用自动化技术优化传统农田灌溉模式，根据农作物的需水、耗水规律来对作物实施精确的灌溉，提高水资源的利用率，是解决未来农业水资源短缺的根本出路，也是现代农业的基本要求。

2 灌溉自动化系统概述

2.1 系统功能实现

自动化灌溉系统能够远程监测土壤墒情，分析灌溉数据，通过灌溉自动化控制技术对农作物进行合理灌溉，精确灌溉，达到节水增效，减少人工投入的目标。

2.2 自动化系统总体架构

自动化灌溉系统总体构成由中央控制中心、首部控制层和田间控制层三个层级，见下图1所示。该灌溉自动化控制系统的工作流程是田间墒情采集系统快速准确地采集田间信息传输到中央控制中心；中央控制中心的工作站对获取信息进行管理和决策，编制灌溉计划，然后将计划指令传递给首部控制系统进行执行操作；并且，首部控制系统还可以将受到的计划指令进行实时保存，这样就可以使得随时将已保存的指令，通过田间控制器阀门进行灌溉。

图1 节水灌溉自动化系统整体结构图

3 控制系统主要设备构成

3.1 中央控制中心

顾名思义，中央控制中心就是管理田间整个灌溉区域的核心设施，既需要实时监控范围内所有的灌溉工作状况，又需要及时安排和储存灌溉计划数据。中央控制器由电源控制箱、主控计算机及外围设备等组成，主控计算机上安装农田自动化监控软件，主要包括信息采集与处理、数据显示、首部控制等模块组成。并且，监控中心还可以利用GPRS覆盖范围广泛的优势，将监控范围扩展到各个灌溉区域，同时通过将收集的监控信息数据传输给首部控制器及时保存，最后将保存的数据按照预定灌溉计划进行实施。

3.2 首部控制器层

从组成部分来看，首部控制器主要是由GPRS和中央控制器，以及ZigBee和田间控制器组成，同时还可以将若干传感器与首部控制器相关联，从而提高首部控制器的管控能力。而首部控制系统核心为灌溉单元控制器，其本身为智能站，其基本功能为存储管理中心下发的灌溉计划或者直接在本机编制灌溉计划并自动执行。进入执行状态后，在灌溉期间连续监测系统运行状况，发现故障实时报警，并随时接受灌溉计划调整。首部控制系统监测对象见下表1和表2：

表1 首部主要监测对象表

表2 首部控制对象表

3.3 田间控制层

田间墒情采集系统是田间工作层的核心设备，主要依靠传感设备收集田间周边的环境信息，如农作物、气候温度、排水系统运行情况等数据，然后将采集的数据通过CAN有线或Zigbee无线通讯等方式上报及存储。而灌溉自动控制系统作为田间控制层的关键设备，就必须具备较为全面的测量仪器，如压力传感器、电磁流量计、生长精密传感器等设施。并且，与灌溉自动控制系统想配套的还有电磁阀，该设备主要是利用电缆将其与其他田间控制器进行连接，这样就形成了一张全面的电磁控制网络，那么当灌溉施肥程序自动启动时，就会带动灌溉阀门相应地发生开启或关闭操作。

3.4 通信网络

无线网络通讯技术的出现，为田间控制系统提供更为高效的数据传输基础，而ZigBee在田间控制网络系统中具有显明的应用优势。一方面其自带的网络协议的应用范围较为广泛，另一方面其所消耗的电能较少，同时还可以实现对农田大规模分布式传感器数据的收集；另外，GPRS技术也具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优。那么，将分布式ZigBee 和GPRS无线通信技术应用于自动化节水灌溉系统，采集的数据进行远程传输具有良好的实时性和可靠性，可以实现节水灌溉装置的远程监控和自动化调节，达到定时定量和精确化灌溉的目的。无线网络技术应用于自动化农业领域具有非常大的发展潜力。

4 结语

文章对自动化灌溉技术在农田灌溉优化应用进行了初步研究，分析提出了三层级自动化农田灌溉方案，可以实现对农作物进行合理灌溉，精准灌溉，有效提高用水效率，能够减少人工投入，让农户从灌溉中解放出来，实现节水增效，取得了满意效果。当前我国正在积极向农业智能化方向发展，而农业机械化和自动化是智能化的必要物质基础，所以将自动化灌溉技术广泛普及到农业生产中，可以推动我国农业技术的加快升级。