智能化微灌监测控制技术在蓝莓设施栽培中的应用.doc

智能化微灌监测控制技术在蓝莓设施栽培中的应用0引言近年来随着经济发展和城市化水平的提高水资源供需矛盾更加尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素我国农业灌溉用水量大，占到国民经济用水的70%以上而农田用水灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在因此，发展农业节水灌溉技术特别是智能化微灌控制技术非常紧迫浙江省杭州市萧山区节水灌溉事业近年来有了很大发展，微灌技术在农业园区已经应用非常广泛，据统计，节水灌溉面积已达12khm2。为促进节水型、生态型现代农业发展，实现作物按需供水智能化微灌监测技术已在萧山美人紫葡萄园、萧山舒兰农业应用示范，但智能化微灌控制技术在设施农业上应用需要进一步研究1为此，萧山区农机监督管理总站等相关科技人员2012年在浙江民望农业科技有限公司蓝莓基地实施了“设施农业智能化微灌控制技术研究与示范项目”，进一步改进了智能化微灌控制技术并得到了很好的应用示范1智能化微灌监测控制技术浙江大学研究开发的智能化微灌监测控制技术主要包括两方面：即信息的自动获取和根据获取信息后的智能决策与控制。在信息获取方面，采用在若干个区域内安装信息监测物联网设备，通过无线传感器网络实时地获取园区内各点土壤与环境参数：并将中心节点布置在管理房办公室管理房办公室当作园区的总监控室信息采集节点既当作信息采集功能使用，也用来路由其它节点信息然后通过计算机软硬件及网络，实时察看每个测试区域的各种土壤与环境等数据。在智能化控制方面，通过自带的无线发射模块，将所监测该位置点的土壤湿度水分通过无线传感器网络传输到信息处理系统，根据试验确定的蓝莓土壤湿度的适宜指标与预警指标进行信息的智能处理并通过智能决策系统，自动开启水泵和电磁阀来实现智能化灌溉，实现作物按需微灌供水2。1.1智能化信息获取技术信息采集节点可配置的传感器主要有农业环境传感器、土壤信息传感器、植物信息传感器三种类型。采样值可通过传感器传感计算模型转换为实际值该转换模型可以通过采集节点平台配置软件直接配置便可方便接入采集节点节点平台软件的主体结构如图1所示。物联网信息采集节点全部采用太阳能供电模式采集节点设计了太阳能充电管理电路即在电池充满的情况下将自动断开充电线路智能管理后备电池的充电与放电。节点配置无线信号发射模块后，在其后端也配置了无线发射信号功率放大器该放大器的放大倍数由MCU控制控制信号放大器的倍数主要由组网性质、网络情况和网络质量动态智能管理。对监控区域的数据访问可分为现场和远程两种方式。在执行初始化配置和现场维护任务时需要对系统进行现场调试，研究人员可以在现场通过PDA直接查询网络数据内容、系统中的传感器节点运行参数以及其他调试工作4。网络信息接收如图2所示。1.2智能化控制技术智能化控制技术的功能主要有农田作业生产的环境调控、肥水管理及病虫害防治等。农田环境根据设施条件的不同可以分为大田环境、温室环境、大棚环境等农业生产环境综合来说，农业生产智能化控制主要包括自动灌溉控制、自动施肥控制、自动喷药控制和智能温室环境调控控制。几种不同的控制模式都是从信息到数据处理再到决策系统发出命令指令进行调节控制的物联网信息与控制系统相结合的系统构架如图3所示在物联网后端控制系统以PLC可编程控制器为核心，控制模式主要以模拟信号输出、频率信号输出、PWM波信号输出和开关量输出实现农业电气化装备控制变频器由PLC程序控制PLC的控制终端有两个，即控制柜上的工控触摸可以控制整个系统的运行状态计算机也可以控制系统运行状态。另外计算机与控制柜的通信可以是有线通信，也可以是无线通信。选择何种通信手段由实际应用情况而定5控制系统的一般构架模式如图4所示控制系统根据物联网所采集到的实时信息进行判断综合分析，启用不同模型的控制策略，同时也可引入专家系统知识库作为控制策略参考6其系统架构如图5所示2试验与研究情况浙江民望农业科技有限公司蓝莓设施栽培基地面积为7.6hm2,已配套建设了连栋钢架大棚、微灌系统与办公管理中心网络系统。在此基础上，引进、试验了浙江大学智能化微灌监测控制技术，共投入设施设备12.5万元。技术在试验应用中存在以下三个问题：一是需要试验、确定蓝莓土壤湿度f含水量1的适宜指标与预警指标：二是土壤湿度监测误差较大，智能化微灌控制技术应用效果难以保证：三是软件系统也存在缺陷，如系统对蓝莓基地根据监测情况直接实行微灌，但蓝莓在高温时期不宜在白天微灌，造成系统与农艺脱节：如蓝莓基地为减少灌溉成本分四个区进行灌溉，但此系统运行时当出现多个监测点区域缺水时会要求水泵同时向这几个区域灌溉，使灌溉系统难以运行。为此，项目围绕这个技术难点针对蓝莓栽培的特点与基地实际情况，在土壤与环境信息智能化监测一段时期的基础上，初步确定了蓝莓各个时间土壤湿度相关指标并采取了微灌时间控制与自动控制相结合模式，解决了上述技术难题，取得了较好的应用实效。9.1蓝莓土壤湿度相关指标试验研究项目在基地内安装了作物生长环境与土壤信息无线监测系统，对棚内的空气温度和湿度、光照强度、土壤温度和湿度等指标进行了动态监测通过一段时间监测系统自动记录了自运行以来全天候的环境与土壤相关信息、参数。在此基础上，查阅了相关资料，多次征求了农艺人员意见，初步确定了蓝莓各个时间土壤湿度(含水量)相关指标(见表1)，并在试验中不断完善。表1说明：本研究基于浙江民望农业科技有限公司蓝莓基地，主品种为夏普蓝、奥尼尔、薄雾等，水泵型号为QY40-16-3,采用压力补偿型滴头微灌，研究时间为2012年。蓝莓灌溉，特别是高温期间，必须在晚上灌溉2.2智能化微灌控制技术应用改进研究项目结合蓝莓基地栽培与实际情况根据试验确定的蓝莓土壤湿度适宜指标与预警指标对系统软件进行了改进与简化，先是实现了分区f4个棚区)与定时灌溉模式，随后实现了分区以及定时与自动相结合灌溉模式。如3棚定时与自动微灌模式为：在凌晨2点开始微灌，当监测到土壤湿度达到适宜指标上限时就停止灌溉：考虑到土壤湿度监测有较大误差，如到一定时间(510月份为3h,其他月份为2h)土壤湿度仍未达到适宜指标，系统也将于凌晨5时（或4时）停止灌溉并转入4棚进行监测与控制保证灌溉不无限超量，使智能化微灌控制技术应用效果得到了保证3应用效益分析智能化微灌监测控制技术实现了按作物生长需求进行按需、定量、定点、精准灌水，达到节水节工、增产增效和保护农业生态环境等作用取得了较好的省工节本增效的效果3.1可提高经济效益一是节水智能化精准滴灌技术将水按作物的需要供应到作物根系分布范围的土壤而普通节水灌溉往往容易过度灌溉据试验区对比测算，智能化精准滴灌比普通节水灌溉提高水利用率16%每公顷平均节水可达1 560m3,整个基地年可节水1.1910 4m3：节约用电13 387.5kWh,电费按0.7元/kWh计，可节约9 371元。二是省工通过智能化微灌监测控制系统实行定时或自动滴灌模式可提高管理水平，更节约劳力，基地可节约用工3人，按每人每年3.5万计，可节约人工成本10.5万元。三是增产按农作物所缺的水分定量定点精确灌溉，使土壤湿度得以协调，农作物用水协调，减少了病虫害，提高了农作物的产量。据测算，单产年平均可增加8%，共计增产800kg，增收16万元。基地当年共可节本增收26.56万元智能化微灌监测控制技术设施设备年折旧费按2.25万元计(使用年限为5年，残值率为10%)，净收入为24.31万元，技术试验应用投入当年就得到了回收经济效益十分明显3.2促进生态和社会效益示范基地实现智能化精准滴灌一方面减少了用水量，节约了水资源：另一方面，由于作物按需灌溉减少了由于灌溉过少或过多带来的病虫害减少了用药量，提高了蓝莓品质，农业生产更生态与环保。同时，通过基地示范与项目培训促进了数字农业与农业物联网技术示范推广对推动粗放型农业向知识型、技术型的现代农业转变，具有重要的现实意义。4结论项目联合农机、农艺人员共同试验、确定了蓝莓土壤湿度的适宜指标与预警指标对蓝莓环境信息与土壤湿度信息进行了动态监测技术并试验改进了微灌自动控制技术，实现了对蓝莓采用定时与自动控制相结合的按需精准灌水，取得了初步成效。但为充分发挥设施农业智能化监测与控制技术作用还需进一步通过自动详细记录的蓝莓土壤、环境、光照等多种参数，研究气候