电气自动化技术在农业灌溉中的应用分析

丰 收

（荆楚理工学院，湖北 荆门 448000）

农业是立国之本，中国用世界7%的耕地就养活了14×108人口。但是我国农业粗放生产的模式已经造成了一定的生态压力和环境污染等问题，为了提高粮食单产、降低农业污染，推动农业现代化，探索电气自动化技术在农业灌溉中的应用就有着非常积极的意义。电气自动化技术在农业灌溉中的应用，不仅能够通过对水泵水阀的调节来控制水量，还能降低对人员经验的依赖性，提升灌溉的精确程度。

1 电气自动化在农业灌溉中应用的巨大作用

1.1 提升水资源利用率

典型代表就是以色列的滴灌技术，造就了一个沙漠中的农业奇迹，不仅实现粮食自给自足还促进了农业出口。以色列的农业用水利用率高达95%，而与之相比，我国仅为20%～40%。国务院颁发的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》明确强调，2020年我国农业用水利用率要提高到60%，与目标还有差距。

1.2 降低污染，提高农作物品质

我国农业灌溉之所以用水利用率低，主要是采用传统漫灌的方式，以水稻灌溉为例，一般都采用沟渠灌水的方式，大量水分在输送过程流失，而且大水漫灌也不利于作物的生长。

1.3 实现精准灌溉，提升农业智能化水平

除了采用喷灌、滴管技术之外，还可以使用电气智能化系统进行控制，根据作物的生长特性控制实际用水量。将灌溉系统和农业自动控制系统结合，监测气温、光照、湿度以及蒸腾量，并且采集生长数据，为灌溉提供基础信息。同时，对采集的数据进行信息化处理，结合监控的仪表设备，生产农作物生长的变化曲线，让研究人员和生产者能够更好地把握农作物生长规律。

2 电气自动化技术在不同农业灌溉场景中的应用

2.1 在温室大棚中的应用

电气自动化技术应用在温室大棚中，能够降低水肥浪费。比如采用滴管技术将水肥输送到蔬菜的根部，均匀、定时、定量浸润作物根系生长区域，实现科学施肥，提升产品的品质和产量。

2.2 在果园中的应用

果园和温室大棚的环境不同，面积较大，如果能够利用电气自动化技术实现精准灌溉，那么可以节约大量的人工成本和资源。比如在常年干旱的地区和高海拔的山区，运用电气自动化灌溉技术能够节省80%的水分蒸发，有效应对缺水季节。同时，如果在滴管中加入一些杀虫剂，还能实现防治果园病虫害的目的。

2.3 在无土栽培中的应用

电气自动化技术应用于无土栽培中，种植人员可以更好地掌握作物的健康状况，实时查看营养液的成分，并且利用水肥滴灌等技术增加营养元素，调整栽培环境，实现优质、高产、节能、低耗的目的。比如利用电气自动化技术进行喷雾栽培，营养液通过喷雾装置雾化后喷射到根系表面；采用深液流技术，实现营养液循环流动；运用营养液膜技术解决根系呼吸对氧的需求等。

2.4 农业灌溉水处理中的应用

在农田灌溉中，灌溉水会携带大量的污染物，如果排放到自然水体中，就会造成污染。电气自动化系统可以很好地改善这一弊端，系统平台可以对污染物含量进行阈值设置，并且经过排水系统进行处理，提升灌溉的质量。

3 一种创新的水肥一体化灌溉系统的设计和应用

3.1 系统结构和功能

系统设计采用基于无线网络和物联网技术的水肥一体化智能灌溉方式，系统主要由组成部分包括无线传感器网络、水肥一体化灌溉系统和远程PC端和移动端控制平台，系统结构如图1所示。

系统功能包括：①监测功能：对农作物种植环境的监测，包括农业生产的环境信息和水肥灌溉各方面的参数。系统要清晰显示出土壤湿度、空气温度、空气湿度、光照强度、营养液EC、营养液pH值和水压等信息。②控制功能：通过对电磁阀、水泵、施肥泵进行调节，控制灌溉量，为了提升系统的智能性，设置自动控制和手动控制的功能。操作面板上有自动启动和自动停止按钮，左侧面板包括电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、水泵和施肥泵，右侧面板包括灌溉总阀、灌溉支阀1、灌溉支阀2、灌溉支阀3和灌溉支阀4。自动控制系统可以设置灌溉时间、水肥EC值、水肥pH值，比如对以上参数分别设置成5 min、2.5 ms/cm、和6.7。当系统达到灌溉时间之后，设备自动回到待机状态。③数据查询功能：调取系统的监测数据、设备状态、环境信息和水肥参数信息。④图表生成功能：对农业灌溉信息的数据进行处理，自动生成相关图表，界面产生动态画面效果，比如管道中水肥流量情况、阀门闭合情况等。

3.2 设计要求

硬件设计运用ZigBee技术或者PLC技术，搭建无限网络，对水肥情况进行全面监测。系统可以选择stm32主控制器进行控制，对控制器、过滤器、文丘里吸肥器、传感器、液位计、水泵、施肥泵、电磁阀等部件进行选型。系统有3个母液罐，分别装有营养液，酸液和碱液，用来调节EC值和pH值，因此母液罐要有一定的抗腐蚀性，确保系统的稳定性，比如可以选择不锈钢层压水泵，使用可拆卸部件，减少维护工作量，提升抗压能力。硬件设计与选型要本着节能、节时、节水、节工的原则，电源模块要能够稳定供电，电路板确保正常运行。同时，当前新的系统都是采用云平台操作，利用无线网络传输数据，手机端、PC端和现场大屏幕端3个终端系统，显示屏操作要简单易懂，直观简洁，智能化程度高，EC和pH值调节要精确控制，自动调节功能良好，科学调节流量，实现定时定量科学灌溉。

3.3 工作原理

操作人员设定好系统的所需要的水肥EC值和pH值，启动系统之后，水泵开始作业，将水抽入到混肥灌中，为了确保水质，中途要经过过滤器进行处理。水位漫过低位液位计时，激活施肥泵系统，灌溉水肥进入支路，流向文丘里吸肥器。如果传感器检测到灌溉水肥的EC值和pH值和设置值不符，控制器就会依照既定算法进行运算，控制母液罐的电磁阀、酸液罐或碱液罐的电磁阀，通过对电磁阀开启时间的控制，实现达到设置值的目的。但是需要注意的是因为管道过长，传感器反馈过程会有一定的滞后，而系统参数会受到诸多随机因素的干扰，函数的精确性受到影响。水与母液混合的过程中，由于物理作用会导致水流不稳，系统会产生大惯性，这些问题需要依靠技术人员进一步研究解决。

4 结语

电气自动化技术未来在农业灌溉中的应用要满足精准灌溉、远程控制、操作日志、环境监测、总结作物生长规律、自动生成灌溉方案的功能，并省时省力、节能降耗、智能控制和节省人工，降低农业生产和水资源消耗的各项成本。因此要利用PC端和移动端平台，将物联网、无线网络、传感器技术融合在一起，不断创新电气自动化技术在农业灌溉中应用。