自动节水灌溉控制系统研究

时间：2019-07-23 10:32:22 所属分类：农业工程 浏览量:

摘 要：在人类千百年来赖以生存的粮食生产中，水是最不可或缺的一项资源。然而近代以来，可被利用的水资源变得越来越短缺，再加上当前状况下农业用水灌溉效率普遍很低，导致很多地方出现了用水紧张问题。所以，使用更高效的自动化节水灌溉方式变得尤为重要。

　　摘  要：在人类千百年来赖以生存的粮食生产中，水是最不可或缺的一项资源。然而近代以来，可被利用的水资源变得越来越短缺，再加上当前状况下农业用水灌溉效率普遍很低，导致很多地方出现了用水紧张问题。所以，使用更高效的自动化节水灌溉方式变得尤为重要。基于此，本文主要就如何设计自动节水灌溉控制系统进行分析。

　　关键词：节水灌溉;自动控制;农业

　　人口的不断增加使得人类需要越来越多的水资源来生存，但是农业灌溉工作也离不开水资源，这就在用水问题上产生了矛盾。在传统的灌溉方式下，只有 40% 左右的水能得到有效利用，其他部分都被浪费，这与当前水资源短缺的问题形成了强烈的反差。因此，需要建设更为完备的自动化灌溉体系来提高农业用水的利用效率 [1]。

　　一、设计自动节水灌溉系统的紧迫性

　　由于人口增加而导致直接饮用水源短缺，能分配给农业生产的水资源越来越少，而农业生产中大部分的水资源都是用于基本灌溉中。长期的农业生产形成了传统的灌溉方式——漫灌，这种灌溉方式不仅对水资源的利用能力十分低下，并且不能精准地根据农作物的需求进行合理灌溉，进而可能出现灌溉过度或者灌溉不均的问题。在目前的农业生产中，越来越强调精细化、合理化的种植方式，倘若仍一味沿袭旧的灌溉形式，不仅无法提高作物的产量，而且会加剧目前这种水资源短缺的问题。这就要求在实际农业生产中，借助信息技术的发展，创造出新的、符合新形势下农业发展需求的灌溉方式。设计自动化节水灌溉系统就是解决这一问题的途径，利用新兴的人工智能技术和计算机控制技术，结合滴灌、喷灌的方法，将原本繁重且相对低效的人工灌溉方式转变为精准方便且可节省资源的自动化灌溉方式，使得农业灌溉过程的水资源利用率大幅提高，从而有效解决水资源短缺问题。二、自动节水灌溉系统的合理性随着现代科学技术的不断发展，目前已经具备了建设这一系统的硬件条件。要想建设这一庞大的系统，需要多部分的硬件和软件设施给予支撑。借助这些现代化的工具构造出这一系统的基本结构，再通过人工的设计和完善，将这一系统充分与实际生产相结合，进而不断优化其组成，才能真正形成智能化自动节水灌溉系统。

　　(一)系统的大脑：中央计算机作为系统控制的核心部分，中央计算机发挥着举足轻重的作用，计算机需要将其系统组成部分收集来的信息进行整合和分析，然后再利用大数据等人工智能的方式进行合理的判断和处理，进而将分析结果传达给下一个执行硬件。可以说，中央计算机就相当于这一整套系统的大脑，只有拥有足够聪慧的“大脑”，才能让这一系统正常、快速运转。中央计算机作为整个系统的中间控制器，对传感器收集来的信息进行处理，并且对应地将不同的数据传输给对应的硬件。倘若这些工作均由人工完成，那么工作量巨大。然而，人工智能技术的不断发展，恰恰满足了这一需求，由人工智能技术所产生的大数据和算法学习技术，可以使计算机在脱离人力控制的情况下进行正确的判断。这些技术的发明使得这一系统的自动化和智能化成为可能，并且利用这一技术可以比传统的人工控制更快地做出反应，大大提高这一系统的工作效率。

　　(二)系统的感官：传感器在建设这一系统时，需要收集大量的实时信息，倘若只通过人工测量的方法显然不太合理，也就意味着需要更为方便快捷的手段对所需数据进行测量，使用传感器就凸显了其技术的优越性。针对不同的测量数据，可以使用不同类型的传感器。阳光、水分、温度等因素均对农业生产有着十分重要的影响，所以需要对这些数据进行测量。利用光学传感器，中央计算机可以得到任何时刻的光照强度，从而做出是否要进行灌溉的判断;利用湿度传感器，可以直接将土壤中的含水量测量出来，这就避免了过度灌溉或者灌溉不足情况的发生;温度传感器测量出来的数据传输到中央计算机中，计算机可以针对不同的温度条件下对灌溉速度和灌溉量进行适度的调整，避免因为过冷或过热对作物的生长产生不利影响。传感器这一设备的使用，在很大程度上解决了人工无法直接测量数据这一难题，直观地将计算机所需数据呈现出来，并且传感器可以直接与中央计算机相连接，将采集的数据直接传入系统的分析平台。相比人工进行输入的方式，这种方式更加快捷，使得整体的工作效率得到提高，同时为这一系统真正实现智能自动化创造了条件。

　　(三)系统的躯体：软件设计要想使系统脱离人力而实现自动化控制，就需要设计好一套完整的、合理的程序。只有有了一套完善的程序方案，计算机才能对接收到的数据进行分析和判断，这就需要研究人员在系统设计时，充分考虑其方案执行时的方便性。也就是说，研究人员在对自动节水灌溉系统进行设计的时候，不仅要拿出能稳定执行的方案，还要求这一方案要简洁、易操作，否则很难设计出对应的软件程序。这就对研究人员提出了更高的要求。在进行软件设计的时候，要充分考虑到不同传感器接收到的不同类型数据对应着不同的执行硬件。因此，需要在设计时分出主程序和子程序。设计主程序时，要根据不同农作物对水资源有不同的需求这一特点，在调查清楚每种农作物最适宜的温度、湿度、光照强度后再对程序数据进行编写。设计子程序时，应充分认识到植物所需的各种环境因素之间是相互并列的，因此各个子程序之间也应是相互并列的，而不该有先后或者主次之说。对于不同传感器所收集到的不同类型的信息进行不同处理，然后集中传至计算机的决策程序上，只有通过这样的方式，整个程序才能有条不紊的正常运行。

　　三、自动节水灌溉系统的设计范例

　　在沙特阿拉伯等西亚国家，水资源短缺问题尤为严重，这一地区降水量普遍较小，温度也普遍偏高，水资源蒸发量很高，因此不适合使用喷灌方式。当地独特的滴灌方式有效解决了这一问题。当地独特的气候条件要求灌溉系统能在一天不同的时段对农作物有不同的灌溉速度和灌溉量。例如，上午当地气温较低，需要滴灌系统检测到实时温度来控制滴灌的速度和水量;到了正午时分，阳光十分充足，气温相对较高，农作物易出现萎蔫现象，需要提高滴灌速度和加大灌溉水量，来保持空气中的湿度，防止农作物因为强烈的蒸腾作用而影响产量;到了夜间，自动节水灌溉系统又会根据光线强度感应到进入了夜间，中央计算机就会发出降低灌溉量的指令，使得水资源不会有过多的浪费。整个系统不需要人为进行控制或者干预，只需要将这一系统的传感器和灌溉装置安装到位，并且与中央计算机进行数据对接，就可以在脱离人工的状态下自动调整因环境因素变化而导致的农作物所需水量的变化。这一自动节水灌溉系统被广泛应用在沙特阿拉伯的农作物种植基地，在麦加的一片玉米产地，5 万余株玉米就在这样的智能化系统的灌溉下生长，其水资源利用率比传统的灌溉方式高出 30%，并且农作物的产量也得到一定程度的提高。在当地政府的积极鼓励下，越来越多的农业种植基地使用了这一新型的灌溉方法，不仅充分缓解了当地水资源短缺的问题，还为提高粮食产量做出了贡献，使得沙特阿拉伯从原本需要大量从国外进口粮食转变为目前能自给自足。习近平到访沙特阿拉伯时也对这一生态农业种植方式提出赞赏，因此，这一自动节水灌溉系统是值得肯定和大力推广的。四、结语自动节水灌溉系统的设计，在很大程度上缓解了农业用水短缺问题，将人从繁重的灌溉作业中解脱出来，利用计算机对农作物进行精准灌溉，既提高了水资源的利用率，又满足了农作物在不同时期的生长需求。这一系统的设计离不开现代科技的支撑，而随着科技的不断发展，肯定会有越来越多的自动化控制模式被创造并服务于各行各业 [2]。

　　参考文献：

　　[1] 李 凌 雁， 李 鑫， 曹 世 超 . 基 于 ZigBee 和 GPRS 智能监测的节水灌溉装置设计 [J]. 农机化研究，2017(8)：212-215，219.

　　[2] 沈翠凤 . 基于单片机和无线通讯的自动农田节水灌溉系统 [J]. 工业控制计算机， 2013(11)：91-92

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