节水灌溉自动化控制系统研究与应用

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　　　　节水灌溉？　２００４　年第　６　期

　　　　文章编号　：　１００７２　４９２９　（２００４）　０６２　００２７２　０２

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　　　　试验研究

　　　　节水灌溉自动化控制系统研究与应用

　　　　陈文清

　　　　（　福建省水利厅水利建设技术服务中心　，福建　福州　３５０００１）

　　　　：　应用计算机技术　、　摘　要　通讯技术　、　自动控制技术和生态农业技术进行系统集成与优化配置　，　研究开发节水灌　　　　关键词　：　节水灌溉　；　自动化　；　控制系统　；　大棚　；　大田　　　　中图分类号　：　ＴＰ２７３　　　　文献标识码　：Ａ　资源进行优化调度和实时灌溉　，有必要根据当地的实际情况进　行研发　。随着计算机技术　、　通信技术和自动控制技术的迅速发　展　，以及各种智能仪表的大量涌现　，　各种农业生产过程的自动　化水平得到了很大的提高　。特别是各种智能测量　、　控制仪表和　高可靠性可编程控制器　ＰＬＣ　出现以后　，设计者可以根据具体的　控制要求　，选择合适的仪表和控制单元进行系统集成　。这样　，　系统的设计开发才能周期短　，可靠性高　，成本低　。　为此　，研发了由　“大棚节水灌溉自动化控制系统”　大田节　、　“　水灌溉自动化控制系统”　作物栽培专家咨询系统”　个子系统　“　、　３　组成的节水灌溉自动化控制系统　，并应用于福建省莆田涵江区　显应现代生态农业基地　。

　　　　溉自动化控制系统　。该系统已在莆田涵江区显应现代生态农业基地应用成功　。　　　　０　　　　引　言

　　　　我国传统的灌溉方法是采用大水漫灌　，它是一种使作物分

　　　　布区域的土壤含水量达到饱和　，　然后逐步下渗补给下层土壤　，　确保作物根系对水分的需求　，通常称为灌溉土壤　。其水分利用　率仅　２０　％～３０　％　，使植物根系处于其理想的水　、　气组合条件的　时间仅有　４０　％～５０　％　。灌溉是为了植物生长　，节水灌溉是为了　提高作物产量和水分利用率　，　克服灌溉土壤的不足之处　。所　以　，在　２０　世纪　９０　年代　，国际上提出了灌溉植物的新概念　，其主　要内涵　：　一是把灌溉的水分尽可能地被植物利用　，　二是通过灌　溉确保植物根系尽可能的处于最适宜的土壤湿度范围内　，三是　借助灌溉手段　，调节土壤水　、　、　、　肥　气　热等四大要素　，使其达到优　化组合　，并使土壤肥力达到极大值　。灌溉植物的方法是以多次　少量的灌溉　，能够确保植物根系周围　９５　％以上的时间处于最理　想的环境中　，水分利用率可达　７０　％～８０　％　。灌溉植物概念的提　出　，改变了我们传统的灌溉思想　，　是节水灌溉技术发展的重要　理论基础　，也是我国南方水资源较为优越的地区同样必须实行　节水灌溉的理论依据　。　提高水资源利用率　，实现精细灌溉　、　适时灌溉　，发展高效农　业　，其中重中之重是应用遥感　、　遥测监测土壤墒情和作物生长　等新技术　，对灌区灌溉用水进行监测预报　，　实现水管理的自动　遥控　，对灌区实行动态管理　，　实施节水灌溉智能化管理　。我国　农业节水灌溉自动化研究正处于起步阶段　，目前主要依靠人工　测量和控制　，局限于节水灌溉单项技术的推广和应用　，　技术集　成和自动化水平较低　，　不利于用水的精细管理和合理化灌溉　，　尤其是福建省在这方面的研究还是空白　。由于各地的实际情　况　（　气象　、　土壤　、　）　有所差别　，不能采取同一套决策软件对水　作物

　　　　收稿日期　：２００４２０９２２７

　　　　１　　节水灌溉自动化控制系统技术方案和组成

　　　　本系统应用计算机技术　、　通讯技术　、　自动控制技术和生态　农业技术进行系统集成与优化配置　，　包括　“大棚节水灌溉自动　化控制系统”　大田节水灌溉自动化控制系统”　作物栽培专　“　、　、　“　家咨询系统”　个子系统　。　３　本系统采用集中式检测和控制方式　，　包括数据采集子系　统、　监测显示子系统和控制子系统三部分组成　。系统通过微机　控制机构自动接收并检查各种传感器输入的信号　（　温度　、　湿度　等生态因子）　，然后根据由预先设计的灌溉决策系统软件　（　制定　的灌溉策略）　对所采集的数据进行比较分析后　，　向单片机控制　系统发出是否灌水的指令　。系统根据指令来启动各种电磁阀　，　启动驱动设备　，实现节水灌溉的自动运行　。同时　，　做到对产生　的故障进行实时报警和处理　，对灌溉过程中的各特征量进行实　时、　动态显示和打印　。自动化控制系统技术方案如图　１　，其中大　田只设土壤湿度传感器　。

　　　　作者简介　：　陈文清　（１９６４２）　，男　，高级工程师　。

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　　　　节水灌溉自动化控制系统研究与应用　　　　陈文清

　　　　１．　１．　５　　　人工控制系统

　　　　根据灌溉或其他具体要求　，按照提示操作即可　。

　　　　１．　２　　　大田节水灌溉自动化控制系统功能

　　　　１．　２．　１　　　定时模式　（　输入　“开启”　时间　（　不超过　３０　ｍｉｎ）　和　“循环周期”　不大于　２５５　ｍｉｎ　，不小于各路开启时间之总和）　来控制灌溉　。　１．　２．　２　　　恒湿模式

　　　　输入要求灌溉的土壤低限湿度　。控制器根据传感器检测到　的土壤湿度的高低来控制各灌溉区的灌水与否　。当有两路或两

　　　　图１　　自动化控制系统技术方案图

　　　　路以上同时达到灌溉要求时　，设定每路以开启　３０　ｍｉｎ　的周期循　环　。由于传感器及变送器的特殊性　，其检测到的值是一压力值　，　该值与真正土壤湿度的比例关系随传感器安装情况具有较大分　散性　，因此屏幕上所显示的检测值带有未标定系数　Ｋ　。　　　　１．　２．　３　　　人工模式

　　　　本系统包括　４　个部分　：　实时监测系统　、　可视软件系统　、　集中　控制系统　、　水泵控制系统　。控制系统由上位机　（　ＰＣ）　和下位机

　　　　（单片机控制器）　两部分组成　。可通过对　ＰＣ　机菜单的操作　，　选

　　　　择操作对象　、　工作模式等　。脱机时　（　ＰＣ　机关闭　）　单片机控制器　仍可工作　。控制系统组成如图　２　，其中大田只设土壤湿度　传感器　。

　　　　哪一区需要灌溉时　，　可以直接根据需要　，　人工开启或关闭　某路的　“阀门”　。

　　　　１．　３　　　微机控制软件系统

　　　　本系统建立在　Ｗｉｎｄｏｗｓ　系统上　，运用　Ｄｅｐｈｉ　语言编辑而成　，　具备　：　一是实现计算机　（　主机）　与外部设备控制电路　（　下位机　）　之　间的实时准确通讯　；　二是在主机端为系统提供一定的安全性和　可靠性保证　；　三是为用户提供简明的操作界面　；　四是提供长时　间的自动监控等功能　。软件控制系统设计和控制流程见图　３　和图　４　。　　　　图２　　控制系统组成方框图

　　　　１．　１　　　大棚节水灌溉自动化控制系统功能

　　　　１．　１．　１　　　自动控制模式

　　　　自动控制模式的控制量来自棚内的传感器输送的检测数　据　，包括土壤湿度　、　棚内温湿度传感器　，　经数模转化后　，　输送到　单片机控制器　，实时显示棚内温度　、　湿度　、　土壤湿度值　，　然后根　据实时检测的各参数值　，　与人工设置的参考值进行比较　，　输出　控制信号　，启动或关闭相应的控制对象　。

　　　　１．　１．　２　　　土壤湿度控制模式

　　　　输入要求灌溉的土壤低限湿度　。控制器根据传感器检测　到的土壤湿度的高低来控制棚内灌水与否　。为了防止灌水控　制器的频繁启动　，　设置的低限湿度值与实时检测值的比较为　±　时　，系统输出相应的控制信号　。　２

　　　　１．　１．　３　　　棚内温度控制模式

　　　　输入要求的棚内大气温度后　，系统进行设置值与实时检测　值的比较　。若设置值比实时检测值高时　，首先启动遮阳网控制　器　。当遮阳网关闭后　，温度继续上升　±　℃，启动棚内顶喷系统　２　降温　。若设置值低于检测值时　，系统开启遮阳网　。

　　　　１．　１．　４　　　棚内湿度控制模式

　　　　图３　　软件控制系统设计流程图

　　　　１．　４　　　作物栽培专家咨询系统

　　　　该系统以网页格式为基础构建而成　，界面友好　，使用方便　，　无需加装特殊软件　，　且使用者只需掌握一般的　ｗｉｎｄｏｗｓ　使用技　能即可正常使用　。界面中将各种作物的典型图片与作物名称　作为链接按钮　，方便直观　，需要了解何种作物的栽培管理措施　，　直接点击相应图片或作物名称即可　。专家系统的数据部分主　要　包括生长环境要求　、　苗木繁殖　、　栽培技术　、　（　下转第　３２　页　）　营

　　　　输入要求的棚内大气湿度后　，系统进行设置值与实时检测　值的比较　。若设置值比实时检测值高时　，　首先启动窗户控制　器　。当窗户开启　，湿度继续上升　±　，启动棚内排气窗　。若设置　２　值低于检测值时　，系统关闭窗户　。

　　　　３２

　　　　引黄灌区灌溉水利用参数及衬砌率的分析探讨　　　　徐征和　　　王冬梅　　　韩合忠　汛期　，河水含沙量又高　，　不宜引水　，　若出现旱情　，　灌区均宜采用　井灌　。９　～　１０　月份由于汛后地下水位较高　，　灌区上中游宜井区　发展井灌　，非宜井区与灌区下游靠引黄灌溉或利用当地地表径　流拦蓄　。１２～　２　月份冬灌重点是灌区下游　，　可视土壤墒情　、　气　候、　黄河来水等条件　，确定冬灌区域　。

　　　　上游自流部分机井较少　，　需要增加　，　中　、　下游部分机井需要维　护　。但也并不能由此低估渠道防渗的重要性　。要保证整个灌　区　，特别是下游的及时灌溉及补源　，提高骨干渠道的输水能力　，　加快输水速度是必须的　。另外　，固定渠道边坡　，减少泥沙淤积　，　减少清淤量　，对于增收节支　，生态环境改善同样是非常重要的　。　所以从这个意义上认识　，　尽管投入较大　，　骨干及部分支渠的衬　砌还是必要的　。但不能简单认为渠道水利用系数越高越好　，因　此对那一级渠道衬砌　，　衬砌的比例多大　，　应当综合因素分析进　行优化　。　当然　，地下水的合理开采利用既有问题　，　也有地表水　分配管理的行政与技术问题　。灌区上游认为井灌增加动力费　用而不去发展井灌　，　只能是加剧下游的用水危机　。因此　，　应当　从上鼓励开发利用灌区上游地下水　，给予上游发展井灌一　定补贴　，聊城市引黄灌溉处已经开始实行　。在一定的配合　下　，减少上游地表引用水量　，加大向下游的分配量　，可更好起到　引黄补源　，以井保丰的作用　，　使全灌区宜井面积的地下水都能　得到合理开采　。随着黄河上游水资源的进一步开发利用　，下游　引黄水量也难以保证　，　所以　，　全面实施井渠结合　，　加快机井建　设　，以井保丰应作为井渠结合灌区的重点之一　。　由于大型灌区控制范围大　，输水距离远　，上　、　下游县市不可　能同时满足用水要求　，　在水量调配上　，　通过改变水量的时空分　配　，充分挖掘各种水源　，　可缓解用水矛盾　。第一次春灌可超前　引水　３～５　天　，集中向下游供水　。第二次春灌比较集中　，　难于缓　解上　、　下游用水不均的矛盾　，　下游县市宜采用井灌　。春灌后期　由于上游地区地下水位升高　，宜采用井灌　，以井代排　，降低地下　水位　，预防土壤次生盐碱化　，　同时有利于将黄河水尽量向下游　远送　，特别是地下水资源不足的地区　。７～８　月份由于黄河处在

　　　　６　　　　结　语

　　　　通过对引黄井渠结合灌区相关水利用系数　、　渠道衬砌率的　探讨　，对引黄井渠结合灌区的水资源的优化配置及合理的续建　配套与节水改造工程投入方向有了进一步的认识　。　对于引黄灌区来说　，　并不是渠系水利用系数越大　，　灌溉水　的利用率就越大　。渠系防渗程度的加大　，能够提高渠系水利用　系数　，但也能降低地下水的补充　，使地下水难以开发利用　，一定　程度的衬砌反而使地下水得到较好的补充　，　有利于开发　，　从而　提高灌溉水利用率　。引黄灌区　，　应当提倡井渠结合灌溉　，　这在　续建配套与节水改造工程需引起充分重视　。建配套与节水改　造规划中却是一味的加大渠系衬砌的力度　，总干　、　分干　、　支渠全　部衬砌　，这说明一些规划设计单位对地表水与地下水如何优化　配置还不够理解　，　应运用系统方法进行分析　，　建立区域水资源　的优化调配方案及工程措施　。　参考文献

　　　　［１　］　　　机井技术手册　［Ｍ］　．　北京　：　中国水利水电出版社　，１９９５．　［２　］　　　胡毓骐　，李英能　．　华北地区节水型农业技术　［　Ｍ］　．　北京　：　中国农业

　　　　科技出版社　，１９９５．

　　　　［３　］　　　沈荣开　．　内蒙河套引黄灌区节水改造与推行井渠结合的几个问题　［Ｊ　］　．　中国农村水利水电　，２００１　，　（２）　．

　　　　（　上接第　２８　页）

　　　　施的内容　。

　　　　２　　　　结　语　　　　①　本系统成功地将自动控制技术应用于节水灌溉系统　，通　过空气温度　、　湿度和土壤湿度等主要生态因子多参数控制模式　调节作物生长　，为作物创造优化的生态环境条件　。并在系统智　能化应用方面具有较大的创新　，将人工智能控制策略应用于系　统　，作物栽培专家咨询系统可根据作物不同生长发育期的需水　规律　，指导作物的水肥控制管理　，根据作物生长的需水规律预报　做出灌溉用水的决策　，随时可以根据实际执行的结果　，水情气象　和田间灌溉影响因素的变化及用户的要求进行修正和调整　，实　行动态管理　，投入运行后对作物生产具有显著的节水增效作用　。　②　本系统采用模块化　、　结构化设计思路　，方便系统的更新　、　升级和扩充　，适应不断提高的作物灌溉管理水平和现代高效农　业发展的要求　。　③　本系统成功地应用于福建省莆田涵江区显应现代生态　农业基地的名　、　、　贵　优花卉生产　，能实时显示各传感器的测试值　　　　图４　　软件控制系统控制流程

　　　　和各控件的运行状态　，　并可将这些参数存储备用　，　有良好的人　机交互界面　，管理和操作方便　，推广应用前景广阔　。　□

　　　　养与施肥建议　、　病虫害防治　、　采收后管理建议等栽培和管理措

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