农业节水灌溉自动化技术应用策略

山东省鄄城县左营镇政府 王新华

农业作为第一产业，在为社会提供粮食资源、保障能源安全方面具有非常重要的作用。但是从实际情况来看，我国农业仍然残存着小农经济的模式，规模化和自动化程度还不够。而农业灌溉自动化技术是发展现代农业的重要举措，不仅能提升农业工作的效率，而且可以积极推动农业发展的转型。我国农业灌溉自动化技术的研究与开发虽然起步较晚，但近几十年来也取得了很大的进步。目前我国灌溉自动化技术相对于发达国家还不够成熟，智能化程度也不高，很多农村进行农业灌溉仍然采取半自动灌溉的方式[1]。而且农村地区缺乏农业灌溉自动化技术的专业人才，在硬件基础设施上还没有形成完整的设备链。农业节水灌溉自动化技术可以凭借信息技术实现对农作物的精准灌溉，从而有效避免了水资源的浪费，促进了农作物产量的增加。因此，农业节水灌溉自动化技术拥有广阔的应用前景，而针对农业节水灌溉自动化技术和优化控制的研究就显得尤为必要了。

1 农业节水灌溉自动化技术概述

1.1 自动化节水灌溉技术介绍

自动化灌溉技术能够把通讯技术、计算机技术、传感采集技术融为一体，运用这些技术把一些信息采集出来，操作者再根据这些有效的数据来做好农田灌溉时间的确定和灌溉量的多少。自动化灌溉控制系统会按照自动化技术中的传感器采取的农田信息和灌溉的控制参数和储水量进行有针对性的灌溉，以达到高效节水的效果[1]。而农业节水灌溉自动化技术的一个重要优势就是可以实现对农作物所需水量的精准识别，而且可以利用大数据技术进行数据分析，最终，经过中央控制系统的有效处理，自动识别农作物所需的水量，从而进行灌溉水资源的精准分配[3]。除此之外，农业灌溉自动化技术还具备自我调整的功能。在灌溉实践中，一旦实际灌溉水量和系统确定水量出现较大差别时，农业节水灌溉自动化系统就会自动停止灌溉，从而为有关人员进行灌溉调整提供时间。这在很大程度上提升了灌溉的精准性和灌溉效率。

1.2 农业节水灌溉自动化技术的优点

1.2.1 操作难度小

从实际情况来看，我国大多数农民的文化素质水平较低，普遍不具备机械专业的知识背景。以前的农业节水灌溉技术还不太完善，自动化和智能化的程度也没有那么高，复杂的农业灌溉系统并不适合农村的实际发展状况。而如今随着农业技术的发展，以及农业节水灌溉自动化系统的普遍应用，依靠其易操作性、较强的可靠性和稳定性，得到了广大农民的认可，同时其也比较适合我国当前农村的实际情况。

1.2.2 抗腐蚀能力强

农业灌溉必须考虑农村的实际特点。由于我国农村的很多农作物都使用了化学农药，所以在农业灌溉的过程中，系统会不可避免地受到农药残余成分的影响，很多输水管道会经受农药残余的长期腐蚀。因此在保证农业灌溉自动化技术的条件下，输水管道的建设较多采用抗腐蚀性较强的材料，以降低输水管道被农药残余腐蚀的概率，并延长系统整体的使用寿命，从而降低设备维修的成本。

1.2.3 可实现自动化的调整

自动化节水灌溉系统具有很强的自我调整能力，系统自动对灌溉区域农作物的生长状况和所需的水量进行分析，农业工作者只要保证水量充足，系统就能自动实现灌溉用水的精准识别和分配。除此之外，节水灌溉自动化系统还具备自我调节的能力，一旦发现系统数据和实际灌溉水量数据存在较大差别时，就会自动停止输水，并进行系统内部的自我修正。

2 农业节水灌溉自动化系统的设计

2.1 系统的组成和结构

节水灌溉自动化系统包含多元化元素，具备多样化特点。一般来说，这包括灌溉系统上的水泵、现场水泵动力单元、电动阀控制单元、土壤湿度计、视频系统和计算机自动化系统监控中心[5]。水利灌溉自动化系统主要采用上层单元、可编程控制器和现场仪表检测控制器连接的监控模式，并根据就地泵站的功能分为三层。

2.2 节水灌溉自动化系统的硬件构成

2.2.1 可编程控制器

可编程控制器广泛应用于农业灌溉系统和供水自动化。可编程控制器一般安装在现场，采用普通PLC继电器接触器的工作方式来实现泵阀的自动化，具有抗干扰、抗噪声、性能好、效率高等特点。可编程控制器分为不同的类型，它们的结构方式、工作原理、编程方法都各不相同。很多农业灌溉节水系统采用的是西门子S7-200系列PLC。

西门子S7-200系列PLC是西门子的一款紧凑型产品，可在独立工作和与其他设备通信的情况下执行复杂的控制功能。S7-200软件控制器广泛应用于自动化控制的几乎所有领域，如各种机床、水利建筑、民用设施、环保设备等[2]。

2.2.2 多功能仪表

水泵电机电力参数是对泵站运行安全性进行评估的重要参数，也是衡量表征电机工作状态的重要依据，因此，多功能仪表对于节水灌溉自动化系统而言，非常重要，比如常用的HR6300系列三相网络电力仪表就具有非常完善的功能，能够实现对数据的测量、控制和输出。该多功能仪表装置采取的是高清晰的液晶分段显示模式，参数设置非常简便，安装难度小。该仪表具有以下几个方面的特点：首先，可以直接从电流中获得信号；第二，仪器可以设置不同的地址；最后，该仪表在断电的情况下能够实现电能保存。在恢复电能以后，仪表可以继续工作。

2.2.3 土壤湿度传感器

水分是土壤的重要组成部分。土壤水分测量是现代灌溉的基础条件。而根据农作物生产环境和系统要求的不同，节水灌溉自动化系统可以采用phts土壤水分传感器系统，这是一种精度高，更敏感的土壤湿度计，能够在较短的时间内得到土壤的真实含水量，而且具备较强的抗外界干扰能力，不受土壤中化肥和残余农药的影响，其测量的范围为100%及以下，其分辨率为0.1%的8次方。而在利用该仪器对土壤水分进行测量时应该设立多个测量点。

2.2.4 红外热成像仪

很多农作物在生长的过程中受到外界因素的影响较大，从而直接影响了作物产量和品质。所以，及时获得农作物生产的相关信息对于开展农业现代化来说具有非常重要的意义。而运用高分子的红外热线也可以快速测定农作物表面温度的情况，同时，实现环境因子监测，以实时显示作物的生长状况，从而预测生长趋势，判断作物是否受到干旱、高温或盐碱的影响[3]。

在运用红外热成像仪时，可以在农田中原则具有代表性的区域，并且通过网络将相关数据传输到管理中心。通过相关软件可以对定时间拍摄的红外成像照片进行数字化的分析，最终得到关于农作物温度和农作物蒸发量的关系曲线。再结合土壤的含水量，应用智能化的模型来确定灌溉的时间和灌溉用水量。

2.3 系统的通信设计

根据灌溉农田的分布情况，节水灌溉自动化系统采取了无线扩频通信方式实现所有农业地区都有通信网络。无线宽带，即扩展频谱通信，这种通信模式与卫星通信和光纤通信一同被称之为当前最为主流的三大通信模式。这种沟通方式与狭隘的沟通方式有很大的不同。其优点是具有较强的室内抗噪声性、较高的保密性和良好的隐蔽性。它不能被拦截和重用在多个地方，因此，无线通信模型经常与普通计算机进行通信，以实现灌溉计算机智能处理中心、泵站现地测控单元、泵阀控制单元之间的网络通信。

2.4 智能化灌溉决策系统

节水灌溉自动化系统包括计算机全自动运行和手工控制两种方式[5]。在计算机全自动运行模式中，计算机软件系统会建立灌溉模型和灌溉制度，同时也可以对农田余水量、农田的土壤含水量、植物的水分蒸发量等数据进行分析，并以此为依据对系统的注水量进行调节，从而实现灌溉效率的提升。节水灌溉自动化系统的工作步骤为：第一步，开启水泵和电动阀，开始灌溉；第二步，一旦农田的含水量达到了预设值，那么就会自动关闭水泵和电动阀；第三步，计算机系统进行远程控制和监测；第四步，确定灌溉的水流量、时间；第五步，开始设定各种灌溉限值。

3 节水灌溉自动化系统的功能

3.1 数据采集

节水灌溉自动化系统的现场控制单元能够对系统设备和每个传感器信号进行精确地采集与测量，这也是该系统实现节水灌溉的保障。泵阀测控单元配备触摸屏，能够在泵室内采集灌溉系统设备的参数，为工作人员提供便利，其采集的主要信息包括灌溉农田的气温、灌溉农田的土壤含水含量、各个支管放水阀的开启或关闭状态、各出水口的用水量等。

3.2 现场控制

现场灌溉的泵站分为两个单元机柜，水泵柜和阀门柜，另外两个单元机柜上都有操作按钮。工作人员通过操作按钮来调整变频器频率，而且对水泵技术的控制器采用的是可编程控制器，性能可靠、运行稳定、操作简单[4]。

3.3 远程监控

监控中心设在两个工作站，分别是监控工作站和视频工作站。该工作站可以实时恢复采集到的数据，并通过无线扩展传输到控制中心的智能服务终端。业务终端可以通过以太网传输对客户端进行监控。监测站的数据采集具有现实性的特点，同时可以实现对泵站的监控、对数据报表的出具等。监控工作站可以对泵站机组的权限进行分配，提高管理效率。而视频工作站能够用图像和视频的方式完成对现场工作状态的记录，并将参数进行显示，从而帮助管理进行调整。

4 农业节水灌溉自动化应用策略

4.1 提高自动化控制技术水平

农业节水灌溉自动化系统的核心是自动化的控制技术。因为在工作的过程中需要使用到各类传感器和红外热成像仪，实现对灌溉区域农田的土壤、水分、天气、温度、湿度等各种因素的分析，然后通过数据汇总，得到农作物灌溉的最佳时间和最佳灌溉量。自动化控制技术从农作物的实际生产状况出发，能够实现水分的精准分配，减少用水浪费，提高灌溉效率。另一方面，农业节水灌溉自动化技术的国有化程度严重不足。而农村地区的耕种面积广泛，农作物种类多样，因此必须实现节水灌溉生化技术的国有化。有关部门应该针对我国农产品种植和治理的特点，开展节水灌溉技术的研究。而自动化控制系统一定要具备简单、易操作的特点。

4.2 加强对系统的日常维护

加强对农业灌溉技术自动化系统设备的保养与维护是实现现代化灌溉技术的前提。所以在日常工作中，一定要加强对设备的维护工作。一方面，应该建立农民与技术人员的实时沟通机制。技术人员负责对设备进行安装和管理，同时还应该对农作物的生产状况进行调查。在调查的基础上对技术和相关的设备性能进行改进，使之适应当地的农业生产条件。另一方面，农民加强对农作物生产状况的观测，记录好灌溉中植物的数据变化，从而为日后农业节水灌溉自动化技术的升级提供数据依据[5]。

4.3 大力培养专业化人才

一方面，有关部门应该加强对农民的培训，激发农民农业现代化的意识。各个地区可以组织农业技术人员开展对农民的培训工作，从而提高农民应用农业技术的能力。另外相关部门应该加强农业节水灌溉技术广泛应用的宣传工作，使得农民更好地接受和适应自动化技术。除此之外，农业科学研究院还可以开展同农业高等院校的合作，引入有关人才，推动灌溉节水自动化系统的发展。

5 结语

自古以来我国都是以农业为本，我国也是农业大国。当前节水灌溉自动化技术日益成熟，同时也广泛应用于农业灌溉中，而作为农业大国的我国在农业节水灌溉自动化技术的应用方面还不太完善，还需要更多的优化与改善。未来农业的发展离不开科技和创新，为了我国农业能够更好地发展，必须加大在农业自动化技术方面科研投入，以保证我国农业发展跟上时代潮流。期望本文的研究能为节水灌溉自动化系统的发展和优化提供一定的参考与借鉴。