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探讨|互联网时代下智慧农业灌溉

来源:未知    发布时间:2020-01-16 09:48    浏览次数:

农业为通过培育动植物生产食品及工业原料的产业。农业属于第一产业,研究农业的科学是农学。如今,随着互联网等信息技术与传统农业的深度融合,我国农业生产也逐渐走向智能化。

我国是农业大国,“互联网+现代农业”,要大力推进“互联网+现代农业”,应用物联网、云计算、大数据、移动互联等现代信息技术,推动农业全产业链改造升级,提高农业技术装备和信息化水平,促进中国由农业大国向农业强国转变,打造全球最大的农业高新科技展示交流平台。

近几年来,随着全球水资源的日趋紧张,世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况,灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因,节水灌溉作为一项现代化的工程技术,无论是工程节水、农业节水,还是管理节水都必须建立在节水灌溉设备实现产业化生产的基础上。节水灌溉技术是为了解决水资源不足,提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。

智慧农业是我国现代农业进程不可缺少的重要力量,是未来全球农业发展的方向。我国以互联网、移动互联网、云计算和物联网为主要技术的智慧农业是一种新的农业生产方式,它结合现代管理制度,集多种信息技术在农业中实现综合实践的全面应用,目前,已广泛应用在温室种植业、畜牧养殖业、水产养殖业、农产品质量安全追溯等方面。

智慧农业灌溉系统不需要有人控制,系统能自动感测到什么时候需要灌溉,灌溉多长时间;系统可以自动开启灌溉,也可以自动关闭灌溉;可以实现土壤太干时增大喷灌量,太湿时减少喷灌量。

智慧农业灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术,这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。

智慧农业灌溉系统—智慧农业灌溉系统可以根据植物和土壤种类,光照数量来优化用水量,还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实,和传统灌溉系统相比,智慧农业灌溉系统的成本差不多,却可节水16%到30%。在中国农业用水量约占总用水量的80%左右,由于农业灌溉效率普遍低下,水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70%~80%,因而,解决农业灌溉用水的问题,对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智慧农业灌溉系统在这种背景下应运而生了。

系统遵循了以下几点:

1、系统模块化、层次化设计,以提高效率,增加可维护性,便于扩展;

2、灵活的硬件配置,用户可以任意升级、更换被控硬件设备,而不需要更换软件;

3、人机界面友好,实现灌溉过程的无人值守,减少人员的工作强度,提高灌溉效率;

4、抗电磁干扰的能力强,保证系统在野外强电磁干扰的恶劣环境下能可靠地运行;

5、故障自动检测功能,提高系统的健壮性,各种设备的布局要求美观。

为了最大限度地节约喷灌用水和实现智能控制,灌溉系统必须具备以下功能:

1、数据采集功能:可接收土壤湿度传感器采集的模拟量。模拟量信号的处理是将模拟信号转变成数字信号(A/D转换)。

2、控制功能:具有定时控制、循环控制的功能,用户可根据需要灵活选用控制方式。

3、电动机过载保护功能:当电动机过载时,电动机立即停止转动,灌溉过程中止,并且故障指示灯闪烁报警,过载消除后自动恢复运转。

4、阴雨天自动停止:利用湿度传感器的开关量作为一个可编程控制器的输入信号,实现控制相关程序的功能。

5、省电功能:定时控制器在断电时正常计时,故采用其作为可编程控制器的电源控制。在定时灌溉控制时间之内,由定时器接通可编程控制器的电源,可编程控制器按预先编制的程序依次打开各控制设备电源,并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里,定时器自动断开可编程控制器的电源,这样既减少了系统耗费的电能又延长了设备的使用寿命。

6、急停功能:当出现紧急意外事故时,按下急停按钮,电动机立即停止运转,阀门关闭,喷头停止灌溉。

7、故障自动检测功能:当灌溉系统出现故障,如水管破裂(水压为零),传感器故障,电动机故障,变频器故障,电磁阀故障等,水泵立即停止运行,电磁阀关闭,故障报警灯闪烁并伴有警笛声响起。操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响,但故障指示灯仍在闪烁,直到故障消除,故障指示灯才自动停止闪烁。

智慧农业灌溉系统方案

每种植物都有适合其生长的湿度,湿度过大,植物的根系就会在土壤中腐烂,湿度过小,就不足以满足植物生长所需要的水分。灌溉就是最大限度地满足土壤的湿度在适宜植物生长的湿度范围之内。可以分为:大于,等于,小于三种情况。系统按可编程控制器内预先编好的程序自动按一定的灌水量进行灌溉。最终实现不需要人的直接参与,由系统自动实现灌溉,人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。

控制器、传感器、变频器是实现智能灌溉不可缺少的设备。但要想使整个草坪都得到相同的水量,对草坪实现均匀而智能的灌溉,必须要设计一套完整的系统。

一套完整的智慧农业灌溉系统由水源、电源、可编程控制器、开关量、模拟量输入、现场仪表,显示面板等组成。

水源:包括各种可能使用的水源的类型,如自来水、河流、井水、池塘等。视距离灌溉区的远近而定,重要的是所选水源必须要有足够的供水量。

电源模块:稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重要前提,要求电源模块稳定、可靠,留有一定的功率余量。

显示面板:通过显示面板上的指示灯,使操作人员能清晰的看到系统的运行状态,便于控制和维修。

其他辅助设备:辅助设备如冷却风扇、UPS不间断电源等是完善整个系统所必须的,对提高系统的可靠性和使用寿命有很大的帮助

智慧农业灌溉系统工作原理与结构

1、智慧农业灌溉系统工作原理

灌溉系统工作时,湿度传感器采集土壤里的干湿度信号,检测到的湿度信号通过A/D模块转换,将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号,输入到可编程控制器。可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度值,实际测得的湿度信号与50%—60%RH比较,可以分为:在这个范围内,超出这个范围,小于这个范围三种情况。可编程控制器将控制信号传给变频器,变频器根据湿度值,相应的调节电动机的转速,电动机带动水泵从水源抽水,需要灌溉时,电磁阀就自动开启,通过主管道和支管道为喷头输水,喷头以各自的旋转角度自动旋转。灌溉结束时电磁阀自动关闭。为了避免离水源远的喷头不能被供给足够的压力,在电磁阀的一侧安装一块压力表,保证喷头的水压满足设定的喷灌射程,避免发生因为水压不足,喷头射程减少的现象。整个系统协调工作,实现对草坪灌溉的智能控制。

2、智慧农业灌溉系统结构

综上所述,要实现智能灌溉,系统需要有可编程控制器、传感器、A/D模块、变频器、电动机、水泵、电磁阀、管网等设备。

①可编程控制器:负责发出和接收各种运行程序指令,是整个控制系统的中枢部分。

②传感器:由于本次设计时间比较仓促,忽略了温度对灌溉的影响,因此没有使用温度传感器,只使用了土壤湿度传感器。通过传感器采集土壤里的湿度信号,判断是否需要灌溉。

③A/D模块:因为可编程控制器不能接收模拟信号,所以需将传感器的电压或电流信号转换成数字信号。

④变频器:通过改变电动机的转速调节喷灌流量,达到节水的目的。

⑤电动机、水泵:由电动机带动水泵从水源抽水,为喷灌系统提供一定的压力。

⑥电磁阀:控制喷头的喷灌与否。

⑦管网:灌溉系统输送水的管路。

高效节水灌溉技术的优点

(1)推广应用高效节水灌溉技术,在大幅度提高水的利用率的同时,引发了农业生产方式的变革,改变了传统的农田水利建设方式,提高了土地利用率。

(2)改变了传统的劳作方式,大幅度降低了作业成本,提高了劳动生产率。

各种高效节水灌溉技术

(1)喷灌喷灌比漫灌节水30%,主要用于大田密植作物,适合区域化控制,具有增产、提高耕地利用率等优点,但运行能耗较高,蒸发损失较大,要求大容量水源,并且只能在不超过3级风力的条件下使用。

(2)微灌微灌属于先进的节水灌溉技术,能够仅对作物需水部位提供所需水量,由”浇地”转换为”浇作物”。微灌用于设施农业和经济作物,适应所有地形和土壤,具有节水、增产效应,灌水均匀,至少可比喷灌节水50%。微灌很容易实现水肥一体化。但微灌对水质及日常系统维护要求较高。