自动控制在节水灌溉中的应用与研究

柏大团　孙佃亮　邱凤翔

摘 要：系统讨论了自动化控制节水灌溉技术在特色水果园区的应用，一方面，通过自动化控制，以实现土壤水分控制，对水资源的实施精确计量，为按方收费提供依据，促进用水观念更新；另一方面，通过集中管理，加强控制，按时按需供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的。系统主要由土壤水分检测传感器、大棚数据采集和控制模块、管理主机组成。使用土壤湿度传感器、管理主机等采集、管理数据，实现了节水灌溉技术的自动化控制与应用。

关键词：B/S；水分检测；土壤水分自动控制；

中图分类号：S275；TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）04-0047-06

灌溉是自然降水的补充，它可以弥补降雨量的不足与降水时空的不均，是保证作物生长的重要措施。以往的灌溉系统，由于配套设施不完备，只能采用大水漫灌或人工洒水的方式，不但造成水资源的浪费，且由于难以控制水均匀度，易造成过量浇水或灌溉不足的现象，对植物的生长非常不利。

我国水资源短缺，水资源人均占有量仅为世界人均水量的1/4，加上时空分布很不均匀，造成我国水旱灾害频繁。据统计，我国农业用水量约为总用水量的80%，水资源的利用率仅为45%，利用率十分低下，与此同时，发达国家的水资源利用率则高达70%～80%。因此，尽快改进灌溉措施，提高水资源的利用率，是我们目前急需解决的问题。我们以赣榆县特色水果产业园为例，探讨自动控制在节水灌溉中的应用。

园区地处赣榆县西北部丘陵山区，占地3 000亩，主要负责果苗的培育和果树的种植。园区内有种苗培育大棚和果树种植基地，主要包括种苗繁育中心，蓝莓种植基地、黑莓种植基地、黄桃种植基地、猕猴桃种植基地、苹果梨种植基地，等等，其中种苗繁育中心是最核心的部分。历来育苗是水果生产的重要环节，果树育苗期生长的好坏关系到以后收成的多少。完善的育苗技术可以使果树缩短营养生长期，提早收益，达到早产，丰产稳产的目的。由于果苗对生长环境要求比较严格，因此，需要严格调控果苗生长环境因素。其中土壤水分控制是耗时耗力的环节，一旦控制不好，对果苗培育有较大影响。目前市场上有一些针对温室大棚的环境监测系统，只能进行简单的监测和报警，不能及时地控制和调节相应环境参数，仍然需要大量的人力物力。为了解决这个问题，我们提出一种基于B/S结构的土壤水分自动控制和管理系统。使用光纤远距离传输数据信号，将大棚内若干监测点的土壤水分数据汇聚并处理，将处理后的数据发送至控制中心服务器，解析后存入SQL server2005数据库中。另外，管理主机中的主服务程序可以通过控制电子阀门开闭，主要采用滴灌、喷灌、微喷灌和低压管道输水灌溉四种灌溉方式，对土壤水分自动调节。整个园区采用自动控制系统，在分干管的放水孔口设置电磁阀和信号收发设备，通过电缆传输到泵房内的控制中心，控制中心根据需水的孔口数量确定打开电磁阀的个数，自动或手动开机灌溉，将大大降低了园区工作人员的劳动强度。

1 方案设计

鉴于园区面积过大，而且基于B/S结构的土壤水分自动控制和管理系统此前只是在计算机上进行过模拟操作。因此，我们优先选取种苗繁育中心进行试点，符合预期后将在全园区内运用此项系统进行管理工作。

1.1 系统结构

种苗繁育中心现有大棚十个，基于系统设计，需要对选取的种苗繁育中心大棚进行全面监测，每一监测点可以监测面积40平米左右，育苗中心大棚普遍占地16m×20m，为了满足整个大棚的土壤水分检测，又能保证监测的准确性，我们将大棚的土壤水分监测区域分为8块，每块的面积为5m×8m，选择合适位置，将土壤水分含量传感器埋入10～20cm土层中，整个育苗中心共计设立50监测点以满足系统需要。为了让土壤水分采集更为精确，我们在每个监测点安装土壤水分监测传感器，实时采集大棚內土壤水分数据，通过数据链传输到管理主机的自动处理系统。

土壤水分自动控制系统简化结构如图1所示，主要由管理主机、大棚数据采集和控制模块、土壤水分传感器构成。主要任务是自动调节大棚内的土壤水分，使其保持在适宜作物生长的最佳值。首先由管理主机定时发送采集数据指令到大棚监测点，实现数据采集；控制模块将采集到的最新土壤水分数据返回到管理主机；由管理主机内的主服务程序处理后存储到SQL server2005 中；与预先设置的土壤水分上下限值进行比较判断。当某个大棚土壤水分指标超出预设的范围时，管理主机会向相应大棚的控制模块发送阀门开或闭的指令，控制电子阀门开闭。

1.2 土壤水分传感器

受土壤的理化性状、地形的差异作用、气候变化和人为的土壤管理措施等因素的影响，土壤水分状况亦有不同的表现特征。为确保数据的可靠与准确。系统采用KM2901M FDR高精度四探针土壤水分传感器（如图2）来实时探测大棚内土壤水分。该传感器采用世界先进的最新FDR原理制作，其性能和精度可与TDR型和FD型土壤水分传感器相媲美，是一种四探针结构高精度、高可靠性、受土壤质地影响不明显的快速土壤水分测量传感器， 在可靠性与测量速度上具有更大的优势；可长期埋设于土壤和堤坝内，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量，并实现采集数据的远距离传输，因此也叫农田墒情检测仪。KM2901传感器在工作中通常采用4-20mA、0-5V或RS485多种工业通用接口，可直接接入各种显示仪表，实现土壤水分监测；与数据采集器配合使用，可对土壤水分进行定点监测或移动测量。

KM2901M土壤水分传感器具有以下特点：

（a）加长四探针结构，精度高，响应速度快；

（b）采用优质不锈钢探针，强度高，永不生锈；

（c）测试方便，可以直接插入土壤，也可以埋于土中；

（d）防水防尘，可以直接置于泥水中长期使用；

（e）品种多，接口全，高性价比。

KM2901M土壤水分的性能指标如表格1所示。

1.3 节水灌溉方式和水分自动控制

1.3.1 灌溉方式

整个园区内实行节水灌溉模式，主要采用滴灌、喷灌、微喷灌和低压管道输水四种方式。比如种植基地内植株比较稀疏，主要采取滴灌和低压管道输水相结合的灌溉方式；而育苗中心主要从事育苗任务，植株多而密，且多是幼苗，主要采用喷灌方式进行灌溉。因为我们此次只在育苗中心进行试点，因此，只考虑喷灌方式。喷灌是用喷灌设备，给水施加一定压力，从喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀的喷洒到土壤表面，为植物正常生长提供必要水分的灌溉方式。与传统的地面灌水方法相比较，节水灌溉具有节水、节能、省工等优点。

传统的智能温室多采用悬挂式自动喷灌系统，主要由国外的喷灌机，配以国产轨道和水泵、输水管组成。这些温室自动喷灌机，基本功能都是固定的，无法根据用户的需要来定制和增减；控制器随喷灌机行走，在喷灌过程中难以进行控制。同时测定土壤含水量的方法，从传统的烘干法、电测法，到现代的核技术手段，种类繁多，各有所长，但都不尽如人意。与传统的智能温室采用的喷灌方式相比，本次设计引进了先进的设计理念和灌溉方式，用KM2901M型土壤水分传感器自动检测土壤水分，通过大棚数据采集和控制模块发送至管理主机中，由主服务程序进行分析，与主机内预设值进行比较，判断土壤含水量的多少，控制电子阀门对作物进行研究喷水灌溉，使整个种植区的土壤水分维持在一个适合作物生长的合理的范围内。

1.3.2 水分自动控制

①数据采集，服务程序会定时发送数据采集指令到数据采集和控制模块，然后接收模块返回的现场实时数据，经过解析后存入SQLserver2005数据库中。

②程序采用多线程技术，每个大棚的水分自动控制分别在一个线程中运行，同时，运行却互不影响。每个线程定时分析对应大棚的土壤水分数据，与管理人员设置的土壤水分上下限值进行比较，判断是否要向数据采集和控制模块发送控制阀门开关指令。水分自动控制流程如图3所示。

2 网页设置和历史数据

由于园区内包含有许多水果品种，各种作物所需生长环境也各不相同，为便于区分，我们对所有大棚进行系统的编号，并在管理系统软件内进行相应的设置，每个大棚都有相应的编号，大棚内的作物也进行了细分；并设置水分自动控制上下限值的功能，即采集到的数据都存储在后台SQLserver2005数据库中，主服务程序根据管理人员设置的水分自动控制上下限判断是否进行电子阀门开关动作，以实现对园区的实时控制。网页效果如图4所示。在网页中，我们可以设置对应大棚的水分自动控制上下限值，选择是否开启水分自动控制。

基于B/S结构的土壤水分自动控制和管理系统包含一个专门的控制网站，园区内部通过局域网进行访问和共享；并通过专用服务器与互联网相连，实现数据共享与远程维护，在任何地方，只要有网络，我们都可以通过专门途径登录控制系统网站，根据需要修改土壤水分自动控制数据。另外网站提供了历史数据查询功能，可以根据大棚编号，开始和截止时间查询，查询结果使用表格显示，并且可以打印保存，效果如图5所示。另外，控制网站还包含其他功能，比如远程阀门控制，实时视频查看功能等。

3 水分自动控制效果验证

我们选取猕猴桃育苗大棚自动控制效果进行验证，通过自动管理系统对育苗中心猕猴桃育苗大棚的土壤水分进行监测，测得的数据如表2所示：

根据猕猴桃生长习性与生长环境，土壤水分低于70%，猕猴桃生长萎靡不振，枝叶出现卷缩现象；土壤水分高于90%，植株出现涝黄现象。水分在70%～90%之间，植株生长旺盛，枝叶强壮。因此，上下限分别设为70%与90%。从表2中可以看到，在9：00～17：00之间，系统采集到的的土壤水分数据，土壤水分在70%到90%之間，最大和最小值均没有超出预设范围。这表明，该系统能够自动的对土壤水分进行智能调节，且测得的数据准确可靠。

4 结语

本系统通过在育苗中心的试点，基本实现节水灌溉的自动化控制，取得相对准确可信的成果。后续可以将此管理系统在整个园区内展开，一来可以对水资源的使用实施精确计量，为按方收费提供依据，促进用水观念更新；另外，本系统可以根据不同的作物，不同的季节，不同的地域，制定不同的控制策略，集中管理，加强控制，按时按需供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的。尤其在干旱缺水地区可以大范围推广，实现科学种植，为农业生产和人民生活带来巨大的社会效益和经济利益。

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责任编辑 祁秀春