膜下滴灌自动化控制系统的设计

膜下滴灌自动化控制系统的设计

张国忠

甘肃神农水务工程有限公司，甘肃张掖 734000

摘要：中国是全球13个严重缺水的国家之一，其人均水资源仅为全球平均水平的四分之三，农业用水量占全球总用水量的七成，其中绝大多数都被用于农田灌溉。为此，推广节约型灌溉技术，提升灌溉用水的效率，已成为解决中国水资源紧张的关键，也是现代农业发展的必由之路。在这篇文章中，我们将深入探讨膜下滴灌自动化控制系统，并着重介绍一种利用GPRS技术实现的系统。通过GPRS技术，我们可以将监控箱收集的土壤水分和灌溉用水量信息实时传输到上位机软件平台，从而实现膜下滴灌的全自动化控制，大大提高了灌溉效率、。经过多次试验，我们发现这个系统的运行非常稳定和可靠。这款系统具有高度的精度和可靠性，可以快速、准确地收集土壤中的水分和用水量，并且可以实施滴灌的自动控制，这种技术的优势在于它的结构简单、性能可靠，受到广大使用者的一致认可。

关键词：膜下滴灌自动化控制系统、设计、优化

前言：通过主控部分的精确分析，滴灌自动化系统可以根据土壤水分的消耗量和作物耗水方式，实现精确、科学的灌溉，从而更好地满足作物生长的需求。该系统可以根据各传感器的灌溉要素，自动发出是否进行灌溉的指令，从而实现精准的灌溉。

一、膜下滴灌自动化控制系统简介

采用膜下滴灌技术，不仅能够大大提高灌溉效率，还能够实现节约水资源的目标。通过滴灌技术，灌溉水以滴状、缓慢、均匀、定时、定量的方式流入作物根系发育区，有效地保持土壤的最佳含水状态，而地膜覆盖技术则可以加快地温，促进作物的成熟，同时有效地减少作物之间的水分流失，从而提高农作物的产量和品质。通过结合两种技术的优势，我们成功地开发出了一种全新的膜下滴灌技术。

（一）膜下滴灌技术的优点

与传统的地面灌溉技术相比，有以下8个方面的明显优点:

1、省水

滴灌技术能够有效地控制和调节植物的生长，通过将水滴均匀地分布在植物的根部和周围的土壤中，从而满足植物的营养需求。此外，通过使用覆膜技术，能够有效地阻止植株之间的蒸腾，并且通过管道输送水分，从而降低渗漏损失。因此，在农作物的生长阶段，应该使用40%~50%的水量来浇灌。

2、省肥

使用滴灌技术，我们能够将肥料直接送到植物的根部，这样植物就能更容易地吸收并利用它们。这样做不仅能够提高肥料的利用率，还能够帮助植物生长。此外，适当的施肥量还能够节省20%的肥料投入。

3、省农药

通过将水封装在管道内，我们能够有效防止水对植物的危害。此外，使用滴灌技术灌溉，地表没有积水，使得土壤湿度较低，有助于防止病原体的繁殖。这样，我们就能够大幅降低使用农药的数量，节约10%~20%的费用，并获得良好的防治效果。

4、省地

由于田间全部采用管道输水，代替了地面灌溉时需要的农渠及田间灌水毛渠及埂子，可节省土地5%~7%

5、省工和节能

在地面灌溉过程中，需要挖掘土壤并封闭沟渠，这样的工作环境较为艰苦，劳动强度较大。采用滴灌技术可以显著减轻人力和机械的负担，因为它可以随着水流进行施肥、施药，而且作物之间的距离很近，使得膜下和周围的杂草很难生长，土壤不会凝固，从而使得人工管理的效率得到显著提升。

6、有利于利用盐碱地

通过膜下滴灌，可以在作物根系周围形成一个低盐度的环境，从而促进幼苗的生长和作物的发育。在盐碱地上的实验表明，膜下滴灌的脱盐效果非常显著，相比地面灌溉，它的用水量大大减少，同时也能够带来更高的产量，因此，膜下滴灌在盐碱地的应用非常有价值。

7、有较强的抗灾能力

作物从下种、出苗起，就得到适时、适量的水和养分供给，各类生长指标均优，抵抗力强。

8、增产

通过科学的水肥管理，土壤变得疏松、通透性增强，并且保持湿润，使得作物生长条件得到优化，大多数作物的产量可以提高15%~30%，而低产田的产量可以提高50%以上。

9、质量提高

通过膜下滴灌技术，我们可以创造出优越的生长环境，从而提升农作物的产量和品质。举个例子，棉花的成熟度很高，纤维的长度可以达到0.4~0.7mm，并且具有较高的整齐度和美观的外观。

（二）膜下滴灌技术的适用条件

1、适宜推广的地区

膜下滴灌技术的独特之处在于，它可以有效降低植物之间的蒸腾，并且能够有效地将灌溉水聚集到植物的根部，这样就可以极大地提升灌溉水的使用效率。因此，膜下滴灌技术是最适合那些需要定期灌溉的干旱地区的。

2、适宜应用的作物

采用膜下滴灌技术对新疆的番茄、葡萄、辣椒、玉米和瓜果等作物的收获效果显著，而且不会产生任何额外的经济费用。然而，在实施过程中，必须特别注意轮作倒茬的问题，以确保最终的收获成果。

3、适宜的生产规模和管理方式

膜下滴灌技术需要建立一个完善的供水系统，以保证灌溉的有效性，因此，最佳的条件是建立一个连续的灌溉区域，并实施统一的种植和管理。

4、适宜的设备和政策支持

为了确保滴灌技术的有效应用，必须提供优质的滴灌器材，价格实惠，技术服务完善，并得到领导的重视和政策支持。如果某个地方还未采用机械覆盖的种植技术，那么就应该考虑使用滴灌技术来种植作物。这样可以避免农业设备的浪费，并且能够更好地实施滴灌技术。

二、一种基于GPRS技术的膜下滴灌自动化控制系统设计

（一）系统结构

通过在膜下滴灌系统中增加监控箱和电磁阀，我们能够实现对灌溉的集中控制和离散控制。这种方法可以有效地提高灌溉效率，并且能够更好地监测土壤水分。膜下滴灌自动控制系统由三个层次组成：控制中心位于软件平台上，通过以太网与其他网络进行通信；GPRS 网络连接控制中心；在采集与控制层，监控箱和传感器被安装在一起，用来收集、分析、检测和执行各种指令。此外，通过软件平台，系统还能够对传输的数据进行实时监测，如果发现有异常情况，系统将立即发出警告，并对其进行及时的处置。本文提出的膜下滴灌自动控制系统，其结构框架如图 1所示。

图1    系统组成框图

（二）系统硬件设计

膜下滴灌自动控制系统的核心部分 监控箱，由微控制器、可读写存储器、RFIC 卡读写接口、显示接口、 GPRS 数据传输模块等组件组成，可实现对滴灌过程的实时监控，同时还可以实现对滴灌结果的实时预警，从而提高滴灌效率。该监控箱的硬件结构可以在图 2 中找到。

图2    监控箱硬件原理图

TI公司的超低功耗处理器 MSP430F149拥有出色的性能，功耗低到令人惊叹的水平，处理能力出众，外围模块多样，开发过程高效，而且，该处理器还拥有12位 A/D 转换器、16位定时器、2个串行通行接口，以及一个矢量中断看门狗，这些功能让它在处理复杂任务时，拥有更快的响应时间，更出色的处理性能，更高的可靠性，从而为用户带来更多的便利和实用性。以及更多的功能。GPRS 通信模块拥有2个8位端口，它不仅具有出色的中断性能，还可以支持多达十多种不同的中断源，并且可以实现多种复杂的嵌套模式。G24-L 拥有出色的 GSM/GPRS/EDGE 模块，不仅支持四频传输，还能在极端的环境条件下正常运行，最大的工作温度范围甚至可以达到-30C~+85C，为用户提供了一种安全、高效、稳定的多路信号传输服务。FDS-100 土壤水分传感器具有出色的测量能力，可以测量范围从0 %到+3%，甚至可以在极端恶劣的环境下稳定运行，而且输出的电流信号也可以从0到20mA 不等。它采用 RemoDAQ一8073A 三相全参数电量变送模块，可以实现 10~500V的电压和 0.2 级的电流测量，而且还可以利用互感器实现更大范围的电流测量，从而更好地满足用户的需求，为农业生产提供更加可靠的数据支持。这个模块拥有一个先进的控制器、数字信号处理芯片和强大的 RS232 通讯接口，可以有效提高测量精度，并且可以轻松与单片机实现无缝连接，从而大大提升测量效率。

（三）系统软件设计

为了更好地保障系统的稳定运行，我们使用了易控组态软件，它能够实现监控箱的实时接收、传输和显示，同时，该软件也能够根据数据库的变化，自动计算灌水的时长和量，并将其转化成图表或曲线，从而为灌溉管理者提供可靠的参考。图3 揭示出一个完整的系统软件框架。

图3  系统软件框图

为了更好地管理农田，我们在每个灌溉区域安装了适当的土壤水分传感器。这些设备可以实现自动化的测量，并可以根据实际情况实时将数据传送至软件平台。具体的流程请参见图 4 。

图4  土壤水分采集及传输子程序流程图

结语：膜下滴灌自动化控制系统是一种先进的节水灌溉技术，它可以有效地控制灌溉量，从而满足大规模农业的需求，并且可以通过CPRS 技术和GPRS 网络技术实现对灌溉过程的实时监控，从而为农业生产提供更加可靠的保障。经过多次实验，我们发现这个系统在膜下滴灌工程中表现出色，它能够稳定可靠地收集传感器信息，并且能够对水泵和阀门进行控制，从而实现灌溉的自动化。

参考文献：

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[2] 蒋毅,赵燕东等精准自动控制系统的应用研究 .湖南农业科学,2009,(5): 136~138.