温室大棚自动灌溉技术.docx

温室大棚自动喷灌控制系统设计与研究1.1课题研究目的与意义1.1.1水资源危机已经到来众所周知,水是生命之源，尤其是人类生存和社会发展不可缺少的基本条件，是实现人类社会和自然界可持续发展的重要物质基础。早在1972年联合国召开的人类环境会议和1977年召开的水资源会议就向全世界发出警告:水不久将成为一项严重的社会危机，石油危机之后的下一个危机便是水川。而当今占世界人口总量40%的80个国家缺水，其中26个国家严重缺水，特别是发展中国家，普遍受到不同程度水源危机和污染严重的威胁。水资源日益成为不亚于能源和粮食不足的一个严重问题，并已成为当今世界各国经济发展的重要制约因素。这使人们越来越深刻的意识到，水不仅是农业的命脉,也是经济发展的命脉，人类生存的命脉，水的重要性已成为国际共识，水资源的开发、利用和保护己为世界各国所重视。而就如何合理高效利用有限的淡水资源,充分发挥资源效益己成为一个全球性急需解决的重要课题。1.1.2节水成为历史发展的必然在诸多缺水国家之中，我国是水资源严重短缺的国家之一。我国的水资源总量约为2.8万亿立方米，居世界第6位;但人均水资源占有量仅为2200m，约为界平均水平的1/4。从理论研究上讲，有“开源”和“节流”两条路可走。但实践中开源己不具多大潜力,因为水资源毕竟是有限的，且过度的、无节制的开发将造成水资源严重枯竭，进而导致各种危害人类社会本身的生态环境问题，制约人类社会经济的发展；而节流却是行之有效更具潜力的方案，因为传统粗放的用水方式造成了水资源的巨大浪费。水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力，因此节水成为历史发展的必然。而在各行各业、各方各面中，农业,是用水、也是浪费水资源的大头，更有必要进行节水技术的探讨和研究。1.1.3微灌技术的发展农业用水的合理使用和发挥最大效益应该说是具有非常重要的意义。节水将是可持续发展需要解决的重要问题。于是,节水灌溉便提上了日程，节水灌溉技术以其节水、增产、节地、省工等优点变革了传统粗放落后的灌溉方式和灌溉管理方式，其能够有效改善作物产品品质，提高产品附加值，同时对促进农业现代化,扩大内需，开拓国内市场,带动节水灌溉设备的产业化具有显著的作用。在当今世界上工农业生产迅速发展，人口不断膨胀，水资源危机波及全球地情况下，节水灌溉技术一出现便引起了世界各国地普遍关注和重视，促使各国在节水灌溉技术及设备方面展开了深入的研究和开发。目前，全国节水灌溉面积仅占有效灌溉面积的30%左右。农业用水的主要方式,仍然是大水漫灌,粗放低效。因此,党的十五届三中全会提出要把节水灌溉作为一项革命性措施来抓，大力发展节水灌溉，大幅度节约农业用水，提高水的有效利用率。预计21世纪必将是节水的世纪，21世纪的节水农业技术将是农业科技革命的重要组成部分，节水灌溉将具有更为广阔的前景。1.1.4温室微灌是发展的趋势温室设施生产是科学技术含量较高的一种生产形式,其通过人工、机械或自动化技术来调控气象条件和栽培介质等环境因素，克服恶劣的自然条件的影响，为作物创造良好的水、气、热环境，使作物处于最佳生长状态，以大幅度增加作物产量，改进作物品质，提高经济效益。微灌技术的应用在我国还处于初级阶段，根据多年来的节水灌溉应用的实践，在温室中推广微灌技术势在必行，且与其它节水灌溉方式相比，温室大棚的节水灌溉方式效果最好，节水最明显。这种方式可根据作物生产过程中对水的需要进行灌溉,采用先进的灌溉设备，可以作到适时、按需对作物灌水，水的利用率可达90%以上。这种灌溉方式将是我国今后节水灌溉的主要发展方向。灌溉是影响温室生产效益的重要因素。灌水不仅是为了调控土壤湿度保证作物对水分的需求，提高水分的利用率和利用效率，而且灌水对作物生长环境小气候的影响较露地生产更为明显。长期延用畦灌与沟灌等传统灌溉方式往往会造成土壤板结、养分流失、灌水量大、肥料用量高。由于灌水量与上壤湿度、空气湿度同步增加，极易形成高温、高湿状态，产生病虫害，特别是黄瓜的霜霉病与立枯病难以控制,造成农药用量逐年增加。其次灌水量大而频繁，而地下水资源有限,温室面积又逐年增加，普遍出现用水紧缺现象。再次，早春时节灌水后使地温明显降低，使作物生长缓慢，根系不发达。因此旧的传统灌溉方法已经制约了温室作物产量和质量的提高。近几年来,我国微灌技术的推广应用，使人们认识到该项技术不仅是节水灌溉技术，在用水紧缺地区应用推广，同时它是现代农业配套技术之一，是科技含量较高的技术措施，可以为农业发展提供最优服务，因此温室微灌势在必行。总之,温室微灌技术不仅是一种先进高效的节水技术，亦是一种环境调控技术，其在现代农业尤其是设施农业中有着更为广阔的应用前景。1.2研究现状与发展趋势现代工业技术的成熟，使得微电子技术与机电一体化、计算机信息技术和自动控制、航空航天、3S等高新技术在不断的应用于灌溉管理领域,给高效节水的微灌技术插上了腾飞的翅膀，使其成为精确灌溉技术的主体。目前，世界上先进的微灌自动化、智能化技术是在微灌技术的基础上，按照技术集成和机械化程度，增加涉及土壤、墒情、肥力、病虫害、作物苗情长势，作物生长环境等的检测和监控，利用GIS进行查询和智能化农田灌溉管理专家系统辅助决策,用精确的灌溉设施及技术实现全自动化监控，按需定位、定量精确灌溉汇。发达国家已普遍开始采用计算机、电测、遥测、遥感(RS一实现动态监测)、全球卫星定位系统(GPS一实现定位导航)、地理信息系统(GIS一实现信息处理和辅助决策)等高新技术对灌区水情、土壤墒情、作物长势、田间小气候进行定位实时监测、预报，实现灌溉用水自动化动态管理。实施灌溉管理自动化,能够有效的利用水源和能源，不仅大大减少劳动量,更重要的是它能精确定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高作物产量、质量，并具有节水节能环保之功效；且自动化程度越高，对操作者本身素质要求越低，越易于操作。与以人工为主的管理相比，省水节能1030%，增产10%左右，节省用于阀门、闸门操作和支管检查等的时间12天。1.2.1国外发展现状西方在古罗马时代前就开始了温室种植。荷兰在17世纪也产生了温室产业。西方发达国家在现代温室控制技术上起步早。1949年,借助于工程技术的发展,美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代,生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产家为争夺农业高科技的制高点,争夺农产品的世界市场份额，都纷纷加大了设施农业的技术投入，微电子技术在设施农业中研究应用己相当普遍，温室环境控制与日常运行管理实现了计算机网络化管理，管理与控制水平突破了人为因素的限制。世界上微灌技术的发展最具代表性、典型性的国家应首推以色列。温室种植全部采用微灌，以滴灌为主，且温室滴灌的最高水利用率为95%。所研制的微灌系统都普遍采用计算机控制方式,自动化程度高，配套齐全，应用方便，系统可靠性高。可根据土壤墒情、作物长势等因素由计算机控制自动进行灌溉，并具有施肥、施药、喷雾降温等功能。埋在地下的土壤湿度或水分传感器可以传回有检测植物的茎和果实的直径变化来确定对植物的灌溉间隔。在以色列,普遍推广了电脑控制的滴灌技术，己经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线,有线)的农场主。英国一些农业工程研究所开展温室骨架与载荷、温室光照与材料、温室环境与生理，以及温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动化控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培等课题的研究。日本塑料大棚和其它人工栽培设施在日本得到广泛应用。植物工厂用钠蒸气灯取代太阳光,并通过计算机将温度、湿度和肥料等控制在最适合蔬菜生长发育的水平。日本ESE公司开发的设施栽培计算机控制系统可较全面的对设施栽培内植物所需环境进行多因素检测控制,包括变温控制管理、人工补光的控制等,该公司还开发了采用微机和专用设施栽培控制机组成的网络系统,该网络可将多台计算机控制系统集中管理。对于设施栽培数量多、地点分散的大农场可以通过专用配线形成设施栽培专用的网络系统进行集中管理，还可用电话线实现异地管理。日本岐阜大学田中逸夫教授，多年来从事植物工厂方面的研究，已于去年研究成功控制设备，在日本中部地区岐阜成功地种植出芥末，并己推向市场，取得很好的社会效益与经济效益。此外，美国、澳大利亚、法国等国家和地区都己开发有成熟并系列化的灌溉控制系统。如美国的EPS-MC控制器分六种型号,最多可控制120个电磁阀，可设置4种控制程序，一站可在一天内多次开启,适合微灌频繁的特点，在温室等处使用自动灌溉控制器效果尤为明显。1.2.2国内的发展与现状一、国内微灌技术的发展微灌技术研究在我国的起步并不算太晚，我国微灌技术的试验研究是从1974年引进墨西哥滴灌设备开始的。先后经历了(19741980年)引进消化吸收，设备研制和应用试验与试点阶段；(19811986年)设备产品改进和应用试验研究与扩大试点推广阶段；(1987年至今)直接引进国外的先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品阶段明。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于推广的精神,在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、微灌企业及个地有关部门的密切合作和共同努力之下,微灌技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了丰硕成果,微灌技术逐渐走向成熟。目前,我国生产温室微灌设备的主要企业已有30多家。微灌技术的总体水平己从80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。其中采用引进技术和生产线制造出的微灌设备产品性能己达到90年代初期与中期的国际水平，大大缩短了与国外微灌设备产品的差距，初步形成了具有中国特色的微灌技术和设备产品。在微灌自动化控制方面,我国也己进行了初步的研究，己研制和开发的以计算机为核心的自动监控系统装置己在温室微灌试验工程中得到应用,且初见自动化管理之成效。二存在的问题与取得的成果由于我国的微灌技术研究处于初级阶段,近些年来自行研制、开发和生产的微灌设备产品无论在质量、性能等各方面与先进国家相比，差距较大;在微灌工程首部设备组装配套和自动控制方面同发达国家相比存在更大差距。如微灌设备系统的成套性差,配套水平低；主要部件品种规格少，质量不稳定，没有系列化；关键设备的可靠性、稳定性、耐久性差;自动化及综合功能程度不高，基本还是手动操作，以至于综合效益不高。目前，在我国己有用于温室微灌试验工程的自动化控制装置研制成功，并处于试验研究和试用阶段。如河南省许昌市水利科研所等单位于1996年在长葛市官亭乡建成100个高水平的自动化日光温室微灌试验工程3。黑龙江省牡丹江市水利局等单位也进行了微机自动化在温室微灌试验工程中的应用及推广探索6。但这些系统均存在一些问题,如自动控制的传感元器件质量不过关,工作不稳定,精度差等。还有北京农业工程大学研制的以8031单片机为核心的全自动化灌溉控制器仁江苏大学目前正在研制的以8051单片机为核心的模糊智能灌溉控制器s:广东茂名学院研制开发的一种香蕉滴灌智能控制器叭还有基于PLc研制开发的微灌控制器6。这些控制器也存在这样或那样的问题,如成本较高,选用的芯片功能较少,由于电路扩展而使系统复杂化,整个系统长时间工作不稳定等。系统还在不断调试完善之中。其他国内研制的有以PC机为监控中心lv,以单片机为下位机进行控制的自动化灌溉监测控制系统,但这种系统成本更高,且不易在温室较恶劣的环境条件下使用,实用化程度低,难于推广。总之,我国温室微灌技术和设备还处于研究和待开发阶段,不能满足温室灌溉的需要。请看看此处删除是否合适作为一个农业大国,在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上,加速研制开发具有中国特色的成套、适用、可靠、先进、信息化、国产化、专业化的计算机控制温室微灌系统是一项具有极其重要意义的事情。1.2.3发展趋势1、智能化随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展,温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测,逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善,其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果,而且应用前景非常广阔。2、网络化目前,网络技术己成为最有活力,发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。设施农业的产业化程度的提高成为可能。3、分布式分布式系统通常也是分为上、下两层,上层用作系统管理,其它各种功能(测量与控制任务)主要由下层完成。下层山许多各自独立的功能单元组成,每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统,即每一个功能单元针对一个对象, 每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。4、综合环境调控所谓综合环境调节,就是以实现作物的增产稳产为目标,把影响作物生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度、C仇浓度等)都保持在适宜作物生长的状态,并尽可能使用最少量的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等)。5、变动的坏境控制系统。当前主要使用精确的计算机坏境控制程序对温室中的环境进行调控,但研究发现,这并不能使园艺作物达到最佳产量。该系统中并不设置一个固定的温度值,温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动,以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候,在使用最低能耗、最佳利用温室中的现有的设备情况下自由进行调节。1.3研究的现实意义1.3.1现状分析多年来我国微灌控制技术的发展是在国家和各级政府的大量补贴下进行的,其原因在于一是各级政府对节水灌溉的重视,每年财政拿出大量的资金辅助农民建设;二是由于微灌系统尽管它节水、增产效益十分显著。但其一次性投资比较高,农民一时难以承受;三是普通的微灌系统需要高精度的水处理设备,需要精细的管理,农民很难掌握其管理技术。总而言之,我国微灌控制技术之所以在政府的大力示范指导下,仍没有迅速大面积的普及发展,其主要原因是我国微灌设备材料技术水平不高,适应力不强。我国还缺乏适应于目前农村经济水平、农