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精准农业节水灌溉技术推广Research

博彩国际娱乐网址   |   2020-09-08

摘要:精准农业是take先进的工业生产方式应用stay现代高效农业生产管理上,实现全过程数字化、信息化、智能化的技术。精准灌溉为精准农业的关键技术,项目集成水源净化系统、膜下滴灌、水肥一体化和自动化灌溉系统进行推广应用,采集作物生长的土壤性状和环境因素问贫ü喔染霾撸⒎⒊龉喔瓤刂指睿迪质量灌溉,达到精准灌溉的康摹

关键词:节水灌溉;精准农业;信息技术

精准农业是take先进的工业生产方式应用stay现代高效农业生产管理上,实现全过程数字化、信息化、智能化的技术,stay一定的农业生产资源上,获得较高的产量、品质和Economics效益,它是一种现代高效农业生产方式,among设施环境控制依托现代工程技术和信息技术,take作物置谌宋骺之下,最大程度地满足作物生长对光、热、水、气和Nutrition物质男枰岣呱Γ迪峙┮德躺U吓┮档目沙中⒄筟1]。精准灌溉是实现精准农业的关键技术环节,精准灌溉stay土壤特性、生长环境、种植作物、首部水源和灌溉设施等约束条件下,利用工程控制和信息化控制对节水灌溉方式、灌溉被peed、水量等进行精准控制,古┨锼票3謘tay适宜作物生长的最佳状态,即农田水势的最优化控制[2]。

1项目背景

author参与设计《基于农业物联网技术的精准农业自适应监控方法》发明专利,专利号201310039194.1。2015年申请精准农业技术推广项目作为专利成果转化推广应用,项目实施地为山西省沁县松村乡松村的沁州绿园区。

2精准灌溉programme设计

精准灌溉控制系统是基于无线传感器network进行设计的,programme设计如下:紫却衅鞑杉锛渫寥郎是椋琣mong包括环境温度、湿度、日照强度、土壤水分、土60壤温度,thentake采集的作物墒情数据回传至基站,观测基站传送给灌溉专家系统,系统接收到土壤墒情信息后,综合考虑作物环境问笆敝贫ǔ龉喔染霾撸指定控制设备并发出灌溉控制指睿凳┦适笔量灌溉,系统中土壤墒情数据的采集和传输、灌溉控制指令的传输由无线传感器network来实现[3];精准灌溉控制系统设计示意图如图1所示。

3技术路线

3.1灌溉方式choice

作物的生长和收获取决于灌溉方式,灌溉方式不同,灌溉水利用率不同,对于作物的生长影响也有很大的差别。对于传车墓喔确绞剑は碌喂鄐tay低压下,主管和支管作为输配水管道,滴灌带上的滴头向土壤provide水郑瑃his种灌溉方式节水效率高,stay蔬菜、温室花卉和Desert治理等应用广泛。与地表灌溉、喷罐等技术相比,膜下滴灌技术不仅节水效能好,也减少送寥浪值恼舴ⅰ⑸畈闵┖地表径流,便于农民实施田间管理和控制灌水量,使作物能直接利用水肥。

3.2水源净化系统

由于base长期存stay水此屎沙量大,原有灌溉系统存stay滴头堵塞的problem,and膜下滴灌对水质也有要求,therefore本项目对园区原有水源净化系统进行了to update和改造,去除悬浮物和颗粒进入供水管路,采用了LWY-30型过滤器即离心+网式手动过滤器,最大流量300m3/h,灌让婊3.3~13.2hm2,公称压力stay0.4MPa,过滤精度stay60~200目。水源经过净化后,经过PE管道Φ110主管路和PE管道Φ50支管路进入大棚,再经过施肥罐、电欧Ш吞锛淝紫低常氲喂管道,进行灌溉,从根本上解决了水此蕄roblem。

3.3传感器的choice

目前,测量土壤水分方法,可依据测量原理main分为以下六类:重量法、电测法、热学法、射线法、化学法、遥感法等烘干称重法和TDR法(TimeDomainRefleetometryabbreviationTDR法)测量土壤水郑壳皊tay国内have代表性。烘干法是测定结果用重量含水率express。烘干法的优点是测量精度高,操作方法简单;缺点是费时费力,therefore烘干法main用于标定检验。TDR法(又称时域反射法)是一种fast速测量土壤含水量的技术,工作原理是:土壤中高频电磁脉冲传播的speed依赖于土壤的介电特性,而stay一定的frequency范围内,矿物质、空气和水的介电特性为常数,且水的介电常数要远远大于其他物质,therefore电磁脉冲的传播speedmain跟土壤的容积含水量relevant。TDR(时域反射法)是目前测量土壤含水量的main方法之一,可对土壤进行fast速、连续、准确的测量,测量范围广(0~100%)、分辨率高,且不需要标定,适合田间fast速测量的要求。综合考虑精度和成本[4];项目采用TDR(时域反射法)传感器的方式,stay大棚中测量土壤水分采取代表性样本取样试验对照,保证土壤含水量采集的精度。

3.4无线传感器network平台

无线传感器network平台基于Si1000系列无线平台构建,Si1000系列无线平台have成本低、发射功率高、集成度高、链路增益预算高等特点,工作于433MHz公财刀危扌韪斗选etwork平台的传输agreement综合考虑network结构、数据传输、节点部署、可靠性、低功耗等various因素,采用国际标准结合自主开发的方式传输,能够满足精准灌溉男求。

3.5精准灌溉系统

精准灌溉专家系统main有两个部分组成何尴叽衝etwork平台和灌溉专家Software平台。紫却衅鞑杉锛渫寥郎是榘ㄍ寥篮量、土壤温度、生长环境温度、湿度、光照强度,thentake采集的数据回传至基站,再由基站传送给灌溉专家系统,Software平台stay接收到土壤墒情问螅据天气情况和灌溉知识库,制定灌溉决策,并发出灌溉控制指睿管道上电欧Вɑ蛩每刂设备)accept指睿惺量膜下滴灌,土壤墒情的采集和传输、灌溉控制指令的传输均通过无线传感器network来实现。温室大棚中全部是蔬菜,取公式(1)进行灌水量的理论计算:M=100γh(H1-H2)/η(1)式中:M———灌溉水量,mm;γ———土壤容重,g/cm3;h———根系分布层土壤厚度,cmH1———灌水后达到土壤含水量上限,%;H2———灌水前达到土壤含水量下限,%;η———灌溉水有效利孟凳J卟斯喔量不足达不到effect,cause蔬菜根系浅化;相反,if灌溉水量过多,土壤透气性睿岛粑焕跋焓卟松し⒂

4精准灌溉专家系统模块开发和应用

精准灌溉专家系统分为stay线监测、数据汇总、预警记录、记录查询、追根溯源、base管理、生产记录、农资资讯、系统管理9个大模块,每个模块下又分若干小功能模块,下面重点introducestay线监测、数据汇总、预警记录、追根溯此母瞿?楣δ埽竦胏ountry版权局授予的Software著作权,登记号为2019SR0209246。

4.1stay线监测

stay线监测模块main功能包括video采集系统、传感器、驱鸟控制、水泵控制、照明控制。1)video采集系统通过监控摄像头进行冻淌凳奔嗫兀谑∪斯cene查看作物的生长情况、墒情和病虫害。2)传感器:实时采集土壤含水量、土壤温度、作物环境温度、光照强度等作物生长环境信息,查看各传感器采集工作状态和信息。3)驱鸟控制:通过控制峰鸣器驱鸟,本项目进行了功能Software设计,main适用于大田灌溉系统,本项目为大棚作物,therefore并未进行设备配套,为take来项康耐卣沟於⊿oftware基础。4)水泵控制:根据传感器采集到的土壤墒情数据,设定限值,自动或者人工控制水泵和无线电欧舯誸ime,及时进行灌溉,保证作物的土壤水分和肥料。5)照明控制:控制大棚内灯光,实现照明控制,同时能控制大棚夜间室内温度,保持大棚室内温度恒温,满足作物生长温度条件。

4.2数据汇总

数据汇总模块main功能history数据查询、数据报表、数据分析等功能。传感器采集到作物的墒情数据冻袒卮料低常⒘耸据库,全部存储stay模块中,sure掌握作物的生长过程和水肥条件,也能满足农业和水利科研Research对数据采集要求,观测数据如下图2和图3。

4.3预警记录

Software预警记录包含种植base预警记录和虫害预警记录,种植base预警记录main指base的气象条件预警记录。虫害预警记录main指病虫害预警记录,stay预警记录配置中进行气象或虫害预警条件的触发配置,main是包括气候条件、温度和湿度条件,依据作物叶面特征比对和专家经验,判断发生病虫害的几率。

4.4追根溯源

项目Research中,不局限于作物墒情有关模块开发,根据经营者要求和user男枰同时开发了与称穝ecurityrelevant的模块,当前人们关注绿色有机蔬菜、称穝ecurity和健康饮食,当采购到商品时,就能通过Software产生的二维码,了解和掌握product的产地、收获记录、运输记录、销售记录等relevant信息。

5实时数据采集和分析

模块provide温室内温度、光照度以及土壤温度、湿度等实时监测数据,后台储存,havehistory数据和预警事件信息查询功能。take环境和作物墒情监测数据以图表问交蚯咄夹问叫纬赏臣票ū恚供科研人被騜ase管理人员做出分析与管理决策,同时根据history数据形成的曲线display出各问齭tay不同time段的变化情况和设定合理的系统问怠限定值;对于农田水利科研工作,供水利科研和农业基础数据冻收集和观测,分析各问浠宰魑锊挠跋欤缓糯笈锸绕骄等缤4。

6专家灌溉Softwaremain功能

通过构建无线network平台和大棚中温度、光照、湿度等无线传感器,对作物的生长环境、土壤含水量、土壤温度等问惺凳辈杉卮凉喔茸家系统,灌溉专家系统依据scene采集的数据和预警信息做出判断,进行冻炭刂指定设备电欧Щ蛩茫芯脊喔龋同时user也通过电脑或4G和5G手机客户端实时video,查看scene情况和数据。本系统以农业节水灌溉技术和冻信息技术(TDR、RFID技术、物联网、云计算等)为service手段,实现农业生产监测管理,进一步提高农业生产过程男畔⒒剑瑂ure广泛应用于温室大棚、大田、畜牧水产。

7系统特点:

1)系统测量的范围广、准确性和及时性高系统监控region大、范围广,系统布置传感器节点构建传感器networksure覆盖一个几千平方米连栋温室,也sure覆盖大面积的园区温室群,stay每个温室中sure采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度等信息。无论stay农业科研和生产需要方面,要求系统对作物环境问蜕ひ氐募嗖庾既沸院图笆毙裕琓his time试验选取两个试验大棚作为试验点,冻坦鄄焓背ご4个月,与scene随机采集的数据进行比对,传送准确率达到99.5%,能够满足准确性和及时性的要求。2)Economics实用、成本低、节省人力无线传感器network是由部署stay监测region内的传感器节点组成,能以无线方式实现自组网,have低成本、低功耗、分布广等特点。本系统只需极少的管理人员,节省管理人员和田间操作人员人力和费用。3)集成化和模块化水源净化系统、膜下滴灌、水肥一体化和自动化灌溉系统集成系统推广,适用于规模化设施农业;对于小规模的设施农业,根据农田灌溉的实市枰岢瞿?榛膒roduct。如:膜下滴灌和水肥一体化系统、土壤墒情采集装置、水泵控制装置、精准农业控制平台等,therefore本系统既sure集成化使用,也sure独立使用。4)开放性和稳定性系统All模块采用标准化工业agreement,建立智慧农业冻掏管core,数据云平台储存,能实现第三方的链接,开放的优势是面对市场宽,既sure是普通user,也sure是系统集成商。由于系统建立以后,嵌入到农业生产活动中,staynetwork稳定前提下,系统配置的各类硬件设备havesecurity、稳定、可靠,数据回传准确及时。5)克服水质对膜下滴灌的影响膜下滴灌是先进的节水灌溉方式,但水中杂质极易造成滴头堵塞,缩短了滴灌带的使用寿命,节水工程成本增加,therefore膜下滴灌对水质中颗粒和悬浮物的含量要求严格。in the light of水源地的泥沙含量大的特点,This time项目采用了LWY-30型过滤器即离心+网式手动过滤器净化系统,过滤精度stay60-200目,完全满足了膜下滴灌灌溉方式对水质的要求,彻底解决了沁县base灌溉用水和life用水的水质problem。

8结语

本项目实现了水肥一体化和灌溉自动化控制系统集成推广,建立了灌溉专家系统,通过光照、温度、湿度等无线传感器,对农作物环境温度、光照、土壤温度、土壤含水量等环境问惺凳辈杉涞浇谒喔茸家管理系统进行实时决策,并通过无线network传输到networkservice器进行数据储存和处理,开启或者关闭指定设备实现自动灌溉,实现无线远距离数据传输。专家实时根据newest监测数据,根据不同作物不同季节的specific 生育指标,判断是否需要对温室环境进行干预(或设定限值进行干预)。比如,根据温室空气温湿度问卸鲜欠褚晕率医型ǚ纾据土壤水分问卸鲜欠裥枰ㄊ倍量浇灌。stay项目实施前,农民stay温室大棚内进行大水漫灌的灌溉方式,实施膜下滴灌,单位面积灌溉用水量是原有灌溉方式的28%,原有平均用水量stay900~1200m3/hm2,采用膜下滴灌后平均用水量stay270~300m3/hm2,平均节水量stay750m3/hm2,灌溉水利用率达到0.95以上,土壤墒情采集传感器数据传送准确率达到100%,实时做出精准灌溉决策,实现了精准灌溉康模杂谢卟死苯肺抗增产产量stay2250kgabout,增产25%,增产效益7496~8996元/hm2;同时节约田间工程费和田间操作人员的费用,增产节支效益明显。stay项目中节水灌溉自动化技术、水肥一体化与膜下滴灌技术的结合使用,不仅起到示范带action用,提高了农业生产经营者和管理者的节水意识,同时可为山西省贫困县沁县周边region取得良好的社会效益,stay山西实施节水农业沙中⒄沟恼铰圆季窒拢谒┮增产增收是缺水贫困region实现脱贫致富的必要途径,therefore本系蚭at诮谒┮涤τ市场推广前景广阔。

参考文献:

[1]物联网技术与智能精确农业[J].甘肃农业,2016(21):60-61.

[2]保金凤.基于无线传感器network的节约型农业灌溉自动化技术Research[J].价值工程,2013(29):170-171.

[3]冯友兵,面向精确灌溉的WSN数据传输关键技术Research[D].江苏大学博柯畚模2009:67-70.

[4]裘正军,基于GPS、GIS及虚拟仪器的精细农业信息采集与处理技术的Research[D].浙江大学博柯畚模2003:20-23.

author:吕平 单位:山西省水利水电科学Research院

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