有关农业生产技术方面的论文(2)

　　有关农业生产技术方面的论文篇2

　　试谈灌溉自动化技术及在农业生产中的应用

　　摘要：本文提出了农田灌溉实施自动化控制的必要性和迫切性，详细论述了系统的实现方案，对系统的功能和性能进行了描述。介绍了灌溉自动化系统在新疆兵团应用的基本情况，对灌溉自动化系统的应用前景和发展方向提出了明确的思路。本文对棉花膜下滴灌自动化系统的应用和开发具有一定的指导意义。

　　关键词：灌溉;自动化控制;应用;发展方向

　　1 前言

　　滴灌作为一种新型的节水灌溉技术，在缺水比较严重的国家和地区显示出前所未有的节水能力，近年来，我国以新疆为代表的干旱地区将滴灌技术与薄膜覆盖栽培技术结合起来，大面积应用于棉花生产，截至2005年，全疆已推行棉花滴灌700万亩，其推广速度之快、面积之大，在国内外都是前所未有的。但是，由于现有的滴灌系统基本上采用人工控制球阀进行灌溉，受长期沟灌传统思维影响，加上灌溉阀门分散开关阀困难，种植户不能严格按照设计灌溉时间、周期、次序进行灌溉，造成轮灌制度得不到有效执行，最终造成滴灌系统运行不正常，很难达到预期的节水增产目的。

　　为了解决这个问题，只有通过以下途径：1.严格执行灌溉制度，达到水利设计要求;2.提高设备运转效率，保证灌溉均匀度;3.根据棉花不同生育期的蓄水规律合理分配灌水量;4.根据不同时期气候情况灵活调整灌溉计划;5.减轻劳动强度，提高劳动生产率。而这些问题仅靠加强培训力度、规范管理是不能彻底解决的。只有通过自动化控制灌溉，降低人为因素影响，以上几个方面问题才能得到有效解决。

　　2 灌溉自动化控制的技术实现

　　2.1 系统基本原理

　　灌溉自动化控制系统是由中央监控计算机、首部控制站、田间控制站、阀门控制器、电磁阀、及相关的软件系统组成的一套自动化控制系统。中央监控计算机根据棉花需水规律和生长情况制定符合水利学要求的轮灌计划，并将该计划下达到首部控制站、首部控制站接收到灌溉计划后可以直接执行也可以进行修改后下发转换成控制指令发送到对应的田间控制站，田间控制站收到指令后控制对应的阀门控制器和电磁阀的开启和关闭从而实现灌溉计划。

　　2.2系统组成和结构

　　本系统由一套中央监控站、多个首部控制站、多套田间控制站、多台阀门控制器和电磁阀组成另外还有相应的通讯系统和系统软件作为支撑。系统结构参见《滴灌自动化系统结构示意图》。

　　2.2.1中央监控站

　　中央监控级由中央监控计算机、GSM/GPRS/CDMA模块、internet连接设备和相应的软件构成:计算机提供友好的人机界面便于管理人员操作;GSM/GPRS/CDMA模块负责与各田间灌溉控制器进行数据通讯;internet连接设备负责将本地数据提供给更高级的管理者。

　　同时中央监控级也是其他管理者通过互联网(internet)访问和操作整个滴灌自动化控制系统得桥梁。

　　2.2.2首部控制站

　　首部控制站由触摸屏、计算机、GSM/GPRS/CDMA模块和相应的软件构成:计算机提供友好的人机界面便于管理人员操作;GSM/GPRS/CDMA模块负责与中央监控站和各田间控制站进行数据通讯。

　　2.2.3田间控制站

　　田间灌溉控制器带有GSM/GPRS/CDMA通讯功能，它接收中央监控站的控制指令按程序开启或关闭相应的电磁阀。根据电磁阀的地理分布情况的不同每个田间控制器带1~32组电磁阀。

　　2.2.4电磁阀

　　电磁阀是整个系统的最末端执行机构，它负责接收开关阀的电信号最终将水输送到滴灌带中。

　　2.3滴灌自动控制系统的三个基本要求：

　　2.3.1经济性

　　经济性是棉田膜下滴灌自动化控制系统的基本要求，只有农民用的起的才是有生命力的;只有为使用者带来效益才会给生产这带来长期的利益。

　　节约资金应该从四个方面考虑：第一是一次性投资少、第二是避免重复投资、第三是系统扩充投资少、第四是系统运行和维护费用少。

　　2.3.2可靠性

　　可靠性也是系统主要的性能，因为农时不等人，只有可靠才会让使用者放心。

　　2.3.3实用性

　　实用性是为了让用户方便地使用，并且留有扩充和发展的余地，这就要求用户可以用简单的方式操作和管理自己的系统，不需要很多专业知识。

　　2.4滴灌自动化控制系统的技术特点

　　● 控制地域面积大：灌溉控制系统所控制的区域非常宽阔，少则几百亩多则几万亩。

　　● 控制点分布分散：田间需要控制和测量的点非常分散，如电磁阀、湿度传感器等。

　　● 田间布线条件较差：因为田间有犁地等机械化作业，还有鼠害都会危及地下的电缆。

　　● 通讯和供电成本很高： 由于控制点的分散性使得控制系统总体成本中通讯和供电的成本高于控制的成本。

　　● 设备环境条件差：大部分设备处于室外环境，高温、潮湿、日晒、雨淋。

　　● 要求便于管理和维护：设备管理条件较差，因为设备使用者为农民，一般不具备维护和维修能力。

　　2.5滴灌自动化系统的功能描述

　　2.5.1自动灌溉功能

　　● 方式一：依据多种参数进行决策的自动灌溉

　　系统根据自动采集和人工录入的地块信息、灌溉系统信息、棉花品种、生长阶段、土壤性质、土壤成分、天气预报、天气实况、积温值等多种参数，根据专家数据库进行综合分析和计算，自动产生灌溉和施肥计划。每次灌溉计划产生后系统自动发送短信给管理人员请求审批，管理人员直接批准该灌溉计划也可以调整该灌溉计划或拒绝该计划，经过管理人员审批的计划由系统负责自动执行。管理人员也可强行终止正在执行的灌溉计划。

　　● 方式二：以土壤湿度为主参数进行自动灌溉

　　系统设有土壤湿度传感器对典型点的土壤湿度进行连续的测量，以多点土壤湿度指标为主要依据进行自动灌溉，灌溉量按地块面积比例均匀分配到每个轮灌区，由田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。

　　● 方式三：以预先制定程序为主进行自动灌溉

　　系统允许操作人员预先设定一段时间(可以是一次也可以是整个灌溉期)的灌溉计划，系统按照该灌溉计划自动进行灌溉。同时根据近期天气情况(和降雨量)对灌溉计划进行修正。最后系统将修正后的灌溉计划传给田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。

　　2.5.2手动遥控灌溉功能

　　允许通过中央监控站、首部控制站或授权的手机直接操作电磁阀进行灌溉控制和湿度信号读取。

　　2.5.3手动就地灌溉功能

　　系统所用的每一个电磁阀都带有手动开关，在电动控制出现问题的时候可以实现就地控制，以确保灌溉不会因自动化系统故障而无法操作。

　　2.5.4土壤湿度测量

　　每一个田间灌溉控制器都可以配置土壤湿度传感器，能够自动定时测量土壤湿度并进行记录，如果中央监控系统需要可以随时查询，同时系统也会定时将当天的土壤湿度曲线传送到首部控制站和中央监控站。

　　2.5.5均衡施肥

　　系统根据所要施肥(药)的数量和各轮灌组的地块面积通过自动施肥机均匀分配肥(药)量。

　　2.5.6图像采集和传输功能：

　　系统具有图像采集和传输功能，可以根据需要随时拍摄田间的照片传输到首部控制站，用来监控棉花的生长过程和灌溉情况。此功能作为一种可选的功能。

　　2.5.7远程通讯功能：

　　每一个田间灌溉控制器可以通过GSM/GPRS/CDMA 移动电话网实现与首部控制站和中央监控站的数据通讯，从而对灌溉系统实现遥控和遥测。使管理人员可以通过计算机了解所有灌区的当前土壤湿度、灌溉状态和灌溉历史记录。

　　2.5.8灌溉数据统计功能：

　　系统自动记录每个电磁阀总共开启时间由此可以计算出每个电磁阀的灌溉总用水量。再根据每个电磁阀与地块的隶属关系可以计算出每块地的灌溉量等统计数据。

　　2.5.9保安防盗功能：

　　由于田间控制箱放置在田间，处于无人看守状态比较容易被盗，所以系统设有防盗装置，如果有人非法开启田间控制箱或者田间控制箱体受到剧烈冲击，系统就会自动发出报警短信到中央监控站和管理人员的手机上。

　　2.5.10 设备故障保护和报警：

　　系统自动监视各主要设备的运行状态，一旦发现故障会自动发出报警信息，同时系统还会准确的指出故障位置和故障类型。例如，当太阳能供电不足电池电压降低到一定程度时系统就会发出电池电压过低的信号，并提示维护人员检查太阳能电池板。

　　3 滴灌自动化系统在兵团的应用情况

　　灌溉自动化控制是信息技术在农业生产的具体应用，是现代农业发展的方向。并已成为新疆生产建设兵团发展精准农业技术、实现农业生产全程机械化和体现规模化经营效益的必由之路。

　　近年来新疆生产建设兵团许多师、团在滴灌自动化方面已做出了有益的尝试取得了丰硕的成果和宝贵的经验。部分师、团在完成了小面积的试用、取得了成熟经验的基础上把它当作一种实用的增产、节水、节劳技术措施放到最普通的大田里去运用。

　　早期的灌溉自动化系统主要采用以色列和美国的产品，这些产品大部分牌形象好、产品质量稳定，但这些系统由于开发的时间较早，所采用的技术比较落后，而且价格高、服务不便、不适应中国的管理模式，目前已逐渐退出主流市场，只在一些特殊项目中有部分应用。取而代之的是国产的灌溉自动化系统，这些系统采用先进的技术、较低的价格、完善的服务和切合实际的操作和管理界面得到用户的认可。

　　不论是国外的系统还是国内的系统，虽然所用设备不同，技术实现手段也有所不同，但实现的功能大同小异，总体上来说各种系统都起到了灌溉自动控制的作用，直接效果是劳动强度大大降低、灌溉计划得以实施、灌水均匀度大大提高。从而达到了配合滴灌系统实现节水、增产的目标。近年较大面积实施灌溉自动化控制的22个团场，总控制面积达到25万亩。

　　4 滴灌自动化控制发展方向

　　从近年实施的系统中，我们可以看到一些代表着最新技术的方案和产品，同时也使我们更加看清了灌溉信息化未来的发展方向。

　　4.1 自动化滴灌系统的优化设计方案

　　滴灌自动化系统是建立在滴灌水利方案基础之上的，水利学方案又是为农艺措施服务的，农艺措施又是通过管理行为来实现的，因此我们要将管理、农艺、水利、自动化这四个方面需求和成本综合考虑研究自动化滴灌方案，进一步降低自动化滴灌系统总体造价。目前比较典型水利学方案有：小辅管轮灌系统、大辅管轮灌系统、长短支管轮灌系统、单支管轮灌系统。

　　4.2 采用统一、开放的数据标准，实现数据共享，避免信息孤岛。

　　为适应集约化管理，减少中央监控系统的投资成本和管理成本，实现自上向下一体化管理和自下而上数据一致性传输。非常有必要建立一套贯穿兵团、师、团、连、首部的一体化滴灌管理系统。农一师已经建立起包含3团、6团、8团、11团、13团、14团、15团、南口农场在内的统一的管理平台，为今后向全兵团扩展打下了良好的基础。

　　4.3 大力开发国产设备，尽力降低系统成本

　　随着国内滴灌自动化控制技术的不断成熟，要着力实现相应的自动化设备的本地低成本生产。其中电磁阀在总体成本中比例最大，如果实现本地化制造或完全国产化可以使自动化成本有较大幅度的降低。自动化控制系统的国产化也势在必行，一方面可以更好地满足国内的需要，另一方面服务会更加快捷方便。

　　4.4 大力开发和推广阀门控制无线化方案。

　　在大面积推广灌溉自动化的过程中，我们发现线缆(电缆或水命令管)投入成本和维护成本都很高，而且由于我们所有的自动化设备每年都要进行拆装、地里要进行多次机械化作业这都使线缆损坏率大大增加，因此采用无线方案彻底摆脱线缆维护困扰是大面积推广灌溉自动化的必由之路。

　　4.5 采用便于农民使用的操作界面

　　随着滴灌自动化控制技术的大面积推广，使用者越来越趋向于普通农工，很难要求操作人员具有计算机知识，因此灌溉自动化的操作方式要向直观、简洁、实用的方向发展。着力推广便于普通农工看得懂、会使用的操作界面。

　　4.6 自动化推广和智能化开发相辅相成

　　现阶段的灌溉信息化建设以实现灌溉自动化为主，并应留有接收和执行智能化决策信息的接口和能力。

　　政府应组织农学、水利、信息化的专家加大智能决策系统的研发力度，取的成果后为所有自动控制系统提供决策数据。避免以首部为单位的智能化开发造成人力和财力的浪费，造成低水平重复。从而形成自动化推动智能化、智能化促进自动化的良性循环。

　　5 结论

　　灌溉自动化控制是解决灌溉制度执行难的有效途径，也是灌溉技术发展的必然趋势，灌溉自动化控制技术在不断发展中已经逐渐成熟，并已得到大面积的推广应用。灌溉自动化的进一步发展还需要多学科、多层次的密切配合才能得到更迅速、更健康的发展。