数字农业自控灌溉系统在日光温室的应用

李慧勇

(山西省水利水电科学研究院,山西太原 030002)

以美国为代表的发达国家于上世纪 90年代就已经开始了将信息技术与传统农业相结合的数字农业研究,而在我国还处于初级阶段。数字农业的重点在发展节水、节肥数字农业技术体系和发展精细设施农业技术。水资源短缺是我国农业生产的主要制约因素,农业灌溉用水面临的主要问题是仍然为粗放型灌溉。一味的追求高产,只会造成资源浪费、作物品质不断下降和对环境的污染。通过数字农业可以解决这些传统农业弊端,使农业生产得到和谐发展。

数字农业自控灌溉系统不仅可以提高农田灌溉效率、在一定程度上可以减少病虫害,增加农作物产量,同时降低农产品的成本。我国作为一个农业大国,数字农业自控灌溉系统作为一种先进而又高效的灌溉方式有着很大的市场需求。

1 数字农业自控灌溉系统简介

由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展,对灌区用水进行监测预报,实际动态管理,采用土壤水分传感器来监测土壤墒情,实现农业灌溉管理自动化。精细地面灌溉和高效农业就要求我们必须提高水资源的利用率。

数字农业自控灌溉系统是利用传感器技术、自动控制技术、计算机技术等多种高新技术组建而成的,包括土壤墒情自动监测系统、土壤水分传感器、数据自动采集器、数据传输设备等软件的开发和硬件的配置,实现了对不同作物土壤墒情自动监测与精准灌溉管理自动化。

1.1 数字自控灌溉硬件系统

数字农业自控灌溉系统硬件部分由中央控制计算机、土壤水分传感器、数据自动采集器、数据传输设备、自动控制技术等对土壤水分进行全面自动化监控和灌溉的自动控制。

为了对灌溉水量做到精量控制,给试验提供可靠的、精确的数据,我们在灌溉管路中安装了脉冲式电子计量水表和尼尔森直吸式电磁阀,同时通过模块对数据进行采集。做到每个试验小区都可以精量灌溉。

1.2 数字自控灌溉软件系统

数字农业自控灌溉系统软件部分由远程监控模块、数据分析模块、数据库管理模块及远程监测终端组成,可以实时显示土壤水分状态,将采集到的数据进行存储、传输、分析运算等处理,及时、准确地提供土壤水分的变化情况。并按照一定的控制算法进行实时决策,产生控制指令并输出控制信号,从而实现灌溉的自动控制。在整个数字自控灌溉系统中,我们选用泓格控制模块,能为整个系统提供实时通信和数据采集储存。

1.3 数字自控灌溉系统功能介绍

该系统的主要功能是实现示范区灌溉的信息采集、信息处理和实时控制。系统灌溉过程既可手动控制又可自动控制,自动控制可根据灌溉计划进行定时控制,也可根据土壤水分条件进行控制。

系统的工作原理是由传感器感测现场的环境变量,现场数据采集模块将传感器输出的电信号转换成数字信号并与计算机进行通信,计算机将采集的实时数据进行计算处理,并按照一定的控制算法进行实时决策,产生控制指令并输出控制信号,从而实现灌溉的自动控制。

自动化精量灌溉操作分三种形式：手动灌溉控制、时序灌溉控制、按需灌溉控制。手动可以打开一个电磁阀或关闭一个处于打开的电磁阀,开闭电磁阀可按时间的长短来设置,也可按流量的多少来设置,设置好后点击所需的电磁阀,确认无误即可进行灌溉。时序控制灌溉方式可以对电磁阀进行随意编组和排列顺序,对一组或一个电磁阀定时或定量控制。按需灌溉方式是通过实时测量每个区域的土壤含水量与设置土壤含水量的限值的比较来进行灌溉的,也就是该区域的土壤含水量低于预设的下限值时,打开对应的电磁阀进行灌溉,当土壤含水量达到预设的上限值时即关闭电磁阀。

其它功能有灌溉历史曲线、报警信息、数据报表、帮助信息等,这些功能可以一目了然的观测土壤含水量以及曲线趋势;各类事件和报警信息;系统的实时数据报表及历史数据报表;查看关于系统的使用说明和相关帮助。

2 数字农业自控灌溉系统在日光温室的应用

根据试验的要求和针对不同示范区的作物种植情况、作物灌溉制度、种植模式,我们基于力控组态软件和泓格组件控制模块开发了适于日光温室大棚经济作物的自控灌溉系统,同时根据大棚经济作物,对系统运行的稳定性、可靠性进行校验,对系统灌溉参数率定。

2.1 试验区基本情况

在我院高效节水示范基地日光温室大棚内进行了微喷种植西红柿的试验。该温室大棚采用相应的传感器分别将温室内的温度、湿度、光照强度、土壤湿润度等信息通过智能传感器变送模块传入数据采集控制器中,由控制器根据内置的控制逻辑和方法对温室的天窗,遮阳系统,强制降温系统等设备进行相应的控制,从而实现无人值守,大幅度提高管理水平,降低管理成本,提高生产效率。是理想的试验场所。

2.2 试验处理设置

本试验设置处理两个,处理一根据土壤墒情与灌溉预报结果,通过数字农业自控灌溉系统和智能控制灌溉软件,进行按期、按需、按量自动供水。处理二采用常规灌溉,即根据农户的灌溉习惯来灌溉。除灌溉时间和灌溉数量有差别外,其余栽培方式、施肥等都相同。

处理一中在西红柿根系层 0～20 cm、20～50 cm深处埋设土壤水分传感器,根据西红柿全生育期的需水要求以及土壤类型来设置土壤含水量的上下限值,土壤平均含水率下限根据土壤有效含水率确定,土壤平均含水率上限根据非充分灌溉原理确定,当土壤含水率下限达到 15.6%(占土壤田间持水量的 65%)时,需要灌溉。上限达到 21.6%(占土壤田间持水量的 90%)时,停止灌溉。当土壤水份传感器实时监测的土壤分层含水量的平均值低于预设的下限值时,打开对应的电磁阀进行灌溉,当实时监测的土壤含水量达到预设的上限值时即关闭电磁阀,一次灌溉完成,从而实现自动精准灌溉。

3 应用效果

3.1 经济效益

采用数字农业自控灌溉系统不仅能省水、省时,而且增产,减少病虫害的发生,提高西红柿的产量和质量。

3.1.1 增收

处理一全生育期产量达到 5 800 kg◦亩,而处理二的全生育期产量只有 4 900 kg◦亩,采用数字农业自控灌溉系统全生育期产量可提高 15.51%。

3.1.2 节水

处理一灌水次数虽然略多于处理二,但是总的灌溉时间和灌溉定额是少于处理二的,从整个生育期灌溉控制系统输出的结果可以看出,采用数字农业自控灌溉系统水产比增加15.75%,亩节水 23m3。 见表 1。

表1 不同处理节水增效情况对比表

3.1.3 节工效益

采用数字农业自控灌溉系统,根据作物生长需要自动灌溉,按一次灌溉节约 2工日计算,全生育期可以节工 14工日,每工日按 50元计算,则节工效益为 1 400元。

3.2 社会效益和生态效益

数字农业自控灌溉系统的应用减少了大量的无效的水量消耗,提高了灌溉水利用率,缓解了农田灌溉用水紧张局面,节约和保护了当地有限的水资源,对水资源可持续利用,创造良好的水环境具有重要的作用。对解决当地农业生产的增产和增收、产量与品质、高效和可持续发展等问题起到积极的促进作用,具有可观的社会和生态效益。

3 结论

数字农业自控灌溉系统可以按时、按需、按量进行灌溉,实现水资源的高效利用。但其投入较高、对试验人员的要求比较严格,大面积的推广还有一定的困难。

数字农业自控灌溉系统的应用可以提高单位水分生产率,单位面积产量,减轻或避免化肥、农药流失、挥发而造成的流域水环境和土壤环境的污染,代表着我国未来农业的发展方向。