摘要：農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展使農(nóng)業(yè)用水量越來越大，然而我國(guó)水資源嚴(yán)重不足，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式對(duì)水的有效利用率較低導(dǎo)致大量浪費(fèi)水資源，發(fā)展節(jié)水灌溉迫在眉睫。本文提出了一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案投資相對(duì)較小，既可一定程度實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化，又能*大程度地利用水資源。
隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量越來越大，然而我國(guó)水資源嚴(yán)重不足，且傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式對(duì)水的有效利用率僅在 45% 左右而導(dǎo)致水資源的大量浪費(fèi)。所以，現(xiàn)階段不合理的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式急需改變，發(fā)展節(jié)水灌溉，節(jié)約水資源。節(jié)水灌溉，是遵循農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)水資源需求不同的客觀規(guī)律，進(jìn)行適時(shí)適量灌溉，盡可能少地利用水資源而盡可能多地獲得農(nóng)作物產(chǎn)出的一種新型灌溉模式。本文提出了一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案投資相對(duì)較小，既可一定程度實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化，又能*大程度地利用水資源。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要通過監(jiān)測(cè)稻田等灌溉區(qū)的土壤含水量，由系統(tǒng)判別何時(shí)灌溉多大程度的水，進(jìn)而節(jié)省稻田等灌溉區(qū)的用水量，從而提高水資源的利用率。系統(tǒng)主要由一個(gè)中央泵房、若干個(gè)灌溉小區(qū)和若干米的干渠及支渠組成。它的控制系統(tǒng)由中央計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制若干臺(tái)水泵和相應(yīng)的閥門，同時(shí)對(duì)灌溉區(qū)的若干臺(tái)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再由系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理，達(dá)到自動(dòng)控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)的效果。
本系統(tǒng)采用由中央控制主機(jī)、對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制單元、若干個(gè)傳感器以及 RS-485 通訊線等組成的具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的集散型操作和控制系統(tǒng)，如圖 1 所示。該系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制若干個(gè)灌溉小區(qū)農(nóng)作物的生長(zhǎng)水分狀況。其中中央控制級(jí)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，它的主要任務(wù)是控制灌溉小區(qū)的各種儀表；中間控制級(jí)由現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器構(gòu)成，它主要承擔(dān)各個(gè)儀表和中央控制級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通訊任務(wù)；在系統(tǒng)控制的各個(gè)灌溉小區(qū)，就地控制級(jí)由一套現(xiàn)場(chǎng)控制單元構(gòu)成，其作用是存貯和預(yù)處理所采集到的數(shù)據(jù)，并且起到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泵動(dòng)作和電動(dòng)閘閥實(shí)現(xiàn)控制的作用。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，結(jié)果表明本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)符合節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定、施工簡(jiǎn)便、易于擴(kuò)充、功能完善、性價(jià)比高。
2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集
2.1 田間墑情采集
田間墑情采集主要是測(cè)定田間土壤的水分。采用探頭式土壤水分計(jì)來測(cè)量旱作物和低水分段；而采用探頭式土壤水分計(jì)測(cè)量高水分段，明顯精度不夠，所以要進(jìn)行試驗(yàn)以建立淺層地下水埋深和稻田等灌溉區(qū)土壤水分的關(guān)系曲線。根據(jù)田間土壤的水分含量，系統(tǒng)根據(jù)不同農(nóng)作物的需水量判定是否需要灌溉。
2.2 雨水利用與雨量觀測(cè)
充分地利用雨水，可以降低成本、節(jié)省水資源、減少灌水量，可以利用水質(zhì)好、污染少的雨水促進(jìn)作物生長(zhǎng)而增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，是發(fā)展節(jié)水灌溉的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)通過對(duì)雨水量的檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)適量地對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。
2.3 河、渠水位測(cè)量
河、渠水位的高低，是系統(tǒng)自動(dòng)判定是否需要對(duì)灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉的重要條件。本系統(tǒng)主要采用由精密電阻和干簧管組成的浮球式磁感應(yīng)水位傳感器對(duì)河、渠水位的高低進(jìn)行測(cè)量，然后系統(tǒng)根據(jù)河、渠水位的高低適時(shí)適量地對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用，效果良好。
2.4 計(jì)量供水
系統(tǒng)主要在泵站、渠系、田間這三個(gè)地方設(shè)置了兩種不同的水量計(jì)量設(shè)備。在泵站主要采用的是管道流量計(jì)；而在渠系和田間主要采用的是由帶遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)、長(zhǎng)喉道量水槽、流量積算儀等部分組成的數(shù)字式長(zhǎng)喉道明渠量水計(jì)。實(shí)際測(cè)試表明，泵站所采用的管道流量計(jì)、渠系和田間所采用的數(shù)字式長(zhǎng)喉道明渠量水計(jì)，能滿足灌溉區(qū)域各種情況的量水精度要求，從而使節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)適量地對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行灌溉實(shí)現(xiàn)節(jié)水。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 管理子系統(tǒng)
系統(tǒng)管理系統(tǒng)主要采用 Visual Basic 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，共分為 4 個(gè)子系統(tǒng)：泵房管理子系統(tǒng)的功能是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量等數(shù)據(jù)控制水泵；土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)記錄土壤的狀態(tài)，同時(shí)反映出田地對(duì)水的需求量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的監(jiān)測(cè)；閘門控制子系統(tǒng)的功能是控制每個(gè)灌溉小區(qū)（每塊田地）閥門的開關(guān)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)的作用是對(duì)各種采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以曲線圖或柱狀圖顯示出來供用戶查看。
3.2 系統(tǒng)功能模塊
灌區(qū)用水自動(dòng)化管理系統(tǒng)分為 10 個(gè)功能模塊：泵站控制模塊主要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)大型泵站的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制操作；雨量采集模塊用于實(shí)時(shí)采集灌區(qū)內(nèi)的降雨量；電量采集模塊主要完成灌區(qū)泵站用電的計(jì)量；閘門控制模塊主要是對(duì)灌區(qū)內(nèi)的支渠閘門實(shí)現(xiàn)開啟操作；稻田水位采集模塊主要用于測(cè)量灌區(qū)土壤水分；河水位和蓄水池水位采集模塊用于采集河流和蓄水池的水位；瞬時(shí)流量和累計(jì)流量采集模塊分別對(duì)各泵站和各閘門水口的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行檢測(cè)報(bào)警模塊可以保證整個(gè)系統(tǒng)能可靠、安全、不間斷地長(zhǎng)時(shí)間工作；數(shù)據(jù)庫(kù)查詢統(tǒng)計(jì)模塊主要用于記錄泵站的工作狀況以及統(tǒng)計(jì)灌區(qū)的用水量、水位水情等各類信息；通信模塊主要用于系統(tǒng)各設(shè)備之間的通訊。
4 結(jié)語(yǔ)
通過對(duì)本文提出的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，可見該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)操作員要求低，可比較全依據(jù)農(nóng)作物的需水狀況進(jìn)行灌溉，節(jié)約成本，較為有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。