矩形灌溉在智慧农业中应用的可行性分析.pdf

2023年第1 4期中国高新科技157AGRICULTUREWATERCONSERVANCY林水利矩形灌溉在智慧中应用的可行性分析魏玮郭志臣邯郸职业技术学院，河北邯郸056001摘要：文章通过对矩形灌溉与传统喷灌灌溉（圆形灌溉）方式进行对比分析及能耗模型分析，论证矩形灌溉整体优于传统喷灌圆形灌溉方式，并探讨实现矩形灌溉方式的自动控制方法与设备。经过可行性对比分析得出结论：通过变频技术改变水压来控制矩形灌溉可以实现节水灌溉的目标，为今后实现智能化节水灌溉控制系统的开发与应用奠定理论基础。关键词：矩形灌溉；智慧农业；可行性文献标识码：A中图分类号：TN929文章编号：2 0 9 6-41 37（2 0 2 3）1 4-1 5 7-0 4D0l:10.13535/ki.10-1507/n.2023.14.50Feasibility analysis of rectangular irrigation applied in smart agricultureWEIWei,GUOZhichenHandan Vocational and Technical College,Handan 056001,ChinaAbstract:This paper argues that rectangular irrigation is superior to traditional sprinkler irrigation and circular irrigation by comparingand analyzing the traditional sprinkler irrigation(circular irrigation)method and the energy consumption model analysis.Throughcomparative analysis,the automatic control method and equipment for realizing rectangular irrigation mode were found,and therelevant conclusions were finally reached after feasibility comparison and comparison.It lays a theoretical research foundation for thedevelopment and application of intelligent water-saving irrigation control system in the future.Keywords:rectangular irrigation;smart agriculture;feasibility1研究背景当前，世界发达国家都在利用现代空间信息技术以及工业4.0 技术加速改造现代农业生产方式，努力提高农业产业体系、经营体系和生产体系的数字化、网络化、智能化水平，推动现代农业向精准农业发展、向智慧农业阶段升级。从国外智能节水灌溉的情况来看，以色列、美国、澳大利亚等已经完全实现了农田的智能节水灌溉，在农田灌溉方面有着非常规范化的管理方式。运用现代农业技术中的水肥一体化技术以及节水灌溉中的滴灌技术，加上微喷灌和移动喷灌技术，配合计算机进行智能控制，形成一整套智能灌溉系统。该系统在以色列的种植业中已经得到广泛应用，以色列实施节水灌溉的田地已达到全国耕地面积的8 0%左右。美国虽然在这方面起步稍晚，但其发展速度非常快，目前是推广田地微灌面积总公顷数最多的欧美国家，其利用自已国家生产的控制中心器、电磁阀门、肥料滴头、肥料过滤装置等相关设备，结合国际上最新的微灌节水技术，早在1 9 9 1 年就已经开发设计了第一套自动灌溉控制系统，并应用于本国温室大棚农作物的栽培。我国自2 0 世纪5 0 年代开始，针对农田土壤环境监测、大田灌溉、灌溉用水管理以及水肥一体化农田施肥涉及的信息技术展开研究。通过7 0 余年的不断努力，在农业节水灌溉技术方面有了很大进步。江苏大学学者研发了一种基于模糊决策理论的冬小麦精量灌溉智能系统，该系统预测结果相比只依靠1 种或2 种相关参数预测结果的准确度提升数倍。但整体来看，我国智能灌溉整体发展水平仍不高，技术应用性低、信息采集与传输的可靠性差。有关部门调查显示，我国在大型灌区中灌溉用水水位高度的观测点、灌溉用水、水流量观测点每37 0 0 亩才有一个，相当于一个观测位要观测近百公里长度的渠道。因此，我国农业智慧节水技术研发和基础设施建设还有很长的路要走。经过前期调研，矩形灌溉方式目前有两种控制方式：一种是利用直流电机控制灌溉喷射的角度来改变其形状，对应的喷射水量不变；另一种是通过控制特定角度的喷射水量来控制形状，随着角度的不同水量也会逐渐变化，这种方式真正做到了节水灌溉，而仅仅控制角度并没有达到实质性的节水效果。本项目采用改变特定角度喷射水量的方式来实现矩形灌溉效果，主要考虑使用变频器控制输入端，PLC进行中央处理，之后利用远程I/O控制输出。在本项目中，该矩形节水灌溉方式准备在大田智慧农业实施。由于大田农业耕种中对经济效益影响最大的是灌溉方式的选择，如果这种灌溉方式具有可行性，在后期项目实施过程中，则会考虑将这种灌溉方式用于两方面：一方面用于可移动灌溉机器人，实现可移动式矩形点阵化灌溉；另一方面用在管路喷灌系统，实现固定矩形喷灌。为验证矩形灌溉和传统灌溉方式相比是否真正能够达到节水的效果，是否具有进一步开发与研究的价值，决定先在理想条件下，按照每单位面积的田地，在单位消耗水量均匀的前提下进行图形几何建模分析，并结合对应几何模型的经济效益模型比较分析，为后期依托矩形灌溉进行的产品开发打下良好的理论基础。158中国高新科技2023年第1 4期林水利IAGRICULTUREWATERCONSERVANCY2传统喷灌灌溉与矩形灌溉方式对比分析2.1传统喷灌灌溉方式分析传统的喷灌设备的喷灌模式以自身为中心点画圆，圆的大小同时取决于设备的耐压等级和水的压力，并在实际农田灌溉中采用多点灌溉的方式。由于传统喷灌为圆形，多点的圆形灌溉方式会出现重叠（不重叠）现象，且重叠（不重叠）部分区域会造成重复灌溉（无法灌溉），如图1 所示。不登图1传统灌溉方式分布示意图由图1 可见，传统灌溉方式中必然会出现不合理灌溉区域，即重叠区域或不重叠区域。由于不合理灌溉区域的存在造成了水资源的浪费或不合理使用，不符合精准灌溉的发展趋势。对于农田逐渐集约化的大型农场，不合理灌溉区域必然会带来一部分农作物无法进行合理精准灌溉而导致死亡，给农场种植收益带来一定的经济效益损失。2.2矩形灌溉方式分析矩形节水灌溉以1 个喷灌点为1 个最小单元进行喷灌，整体水压的控制形成一个矩形喷灌。该喷灌机器人有别于传统的喷灌设备，如图2 所示。炬形接漏机器人多矩形灌溉方式单矩形移动灌溉方式图2矩形喷灌方式3矢矩形灌溉与传统灌溉能耗分析模型实现基于矩形-点阵化的节水灌溉模式后，灌溉精度得到很大提高，水资源节约程度较传统灌溉模式得到很大改善。具体分析模型如下。3.1单个灌溉设备能耗方程对比设圆形灌溉单位面积上总能耗的消耗函数为Ci(s)，单位面积上的单位半径能耗函数为Ci(r)；矩形灌溉单位面积的消耗函数为C2(s)，单位面积上的单位半径能耗函数为C2(c)。令S,=C(s)，R=C(i()，S,=C2(s)，R z=C2(r)，其对应消耗函数对比图如图3所示。Ri=C10m)RC2(m)图3单个圆形、工单个矩形灌溉方式对应能耗函数对比图图3单个圆形、单个矩形灌溉方式对应能耗函数对比图示由图3可见，圆形灌溉区域总消耗能耗为：Si=元R2(1)矩形总消耗能耗为：S2=4R2（2)设R,=R,=R，即灌溉半径能耗一致的情况下，可得SS，单个灌溉时圆形灌溉方式总耗能略低于矩形灌溉方式。3.2多个灌溉设备能耗方程设R,=Ci(s)，多圆灌溉区域内，双圆左灌溉区面积Cis)，且S,=Ci(s；右灌溉区能耗函数Ci(s），且S=Ci(s；重复灌溉区域能耗Cs(s），且Sc=C(s，重复灌溉区域长度为Y，宽度为X。其多个圆形能耗函数图如图4、图5 所示。重复灌溉区域长度YRi=C1()Ri=Ci(r)重复灌溉区域宽度X图4多个圆形灌溉区域双圆实际灌溉区域重复灌溉区能耗函数图示重复灌溉区域长度YS(=重复灌溉区域宽度X重复灌溉区域面积S。图5多个圆形灌溉区域双圆对应能耗函数图示2023年第1 4期中国高新科技159AGRICULTUREWATERCONSERVANCY农林水利由图4可见，重复灌溉区域长度为Y：Y=2R12/2Ri(3)sin45由于重复灌溉区域面积接近椭圆，因此，重复灌溉区域面积对应能耗函数为：Sc=C3(S)=X.22.222=XR2(4)由图5 可见，实际灌溉区域能耗函数为左侧、右侧圆形灌溉区域能耗函数为：S;=Ci(s)=S;=Ci(s)=元R?(5)且双圆重复灌溉区域的能耗函数为：S=2S=2C(s)=2ay2X Ri=/2 Ri2(6)设实际双圆灌溉区域能耗函数为S：S=CsI=S,+S;+2Sc=2元R?+元V2XR1=2S1+元2 XRi(7)设最佳能耗系数横向范围为最小，即交叉重复灌溉区域最小，此时对应双圆灌溉效率最好，双圆重复灌溉能耗最小，其对应双圆灌溉区域最佳灌溉能耗函数为：Smx=%=2元R+/2 元R(8)x设双圆灌溉区理想总灌溉能耗函数为St：ST=CsT=2元R2=2Si(9)由此可得，双圆灌溉区理想总灌溉能耗函数为St，小于实际双圆灌溉区域能耗函数为SI。同时，双矩形灌溉区对应能耗函数为C(a)，且S,=C2()。单位面积的单位半径能耗函数为C2()，且R,=C2(s)。二C2(m2C2（m)图6多个矩形灌溉区域双圆对应能耗函数图示由图6 可得，双矩形灌溉能耗函数为：S,=C2(0)=8C2(n)=8R2(10)3.3双圆灌溉区能耗方程与双矩形能耗方程实际能耗对比分析设双圆灌溉区为最佳灌溉效果，灌溉效果为最优方式，其对应能耗方程如式（8）。在两种灌溉方式单位面积的单位半径能耗系数相等的情况下，即R,=R,=R时，比较式（1）式（8）与式（1）式（1 0）的能耗方程，可得出表1 所示的具体比较数值。表1两种灌溉方式下单位面积的单位半径能耗系数对比计算单位面积的单位双圆形灌溉区总能双矩形灌溉区总能半径能耗系数耗方程对应数值耗方程对应数值RS,maxR=0.57.086.48R=18.49988R=1.517.4618R=229.5632由表1 可以看出，当0 S即多个矩形灌溉方式要优于多个圆形灌溉方式；当R1时，其对应的SmaS，即多个圆形灌溉方式要优于多个矩形灌溉方式。因此，若单位面积的单位能耗系数0 R1，则使用矩形灌溉方式进行灌溉，会优于圆形灌溉方式，且矩形灌溉不存在重复灌溉区，其实际灌溉区域面积即为理想灌溉区域范围，更容易实现精准灌溉的目标。3.4单位面积的单位半径能耗系数分析与比较3.4.1矩形灌溉方式能耗变化曲线分析对于矩形灌溉控制方式来说，要实现矩形灌溉需要采用变频器来改变对应电压峰值，从而控制喷灌水源水压，其对应能耗变化曲线如图7 所示。UmaxUmin0wtolwtiwt2wt3wt4wtTstT图7矩形灌溉控制能耗变化曲线图通过图7 可以看出，矩形灌溉控制的能耗变化曲线接近正弦曲线，其基本函数结构为：Ji(x)=Asin（o x+p)+b(11)式中，为x轴移动距离，与移动周期长短有关；b为y轴移动距离，与用电量大小有关；A为峰值拉伸倍数，与单位用电量大小有关；为决定周期，与单位移动周期长短有关。按照一般变频器的控制规律可得，除去变频器启动初始周期Tst，变频器运行期间单位周期内由4次正弦周期变化Qt,o t 4，即T=4，由此可得：Ji(x)=Asin（x/2+)+b(12)令=x/2+，且正弦方程中有0 sin1，由式（1 2）可得，若fi(x)中的A、b 足够小时则能保证0 fi(x)1，同时，160中国高新科技2023年第1 4期（责任编辑：肖央然）.0.（责任编辑：肖央然）林水利AGRICULTUREWATERCONSERVANCY其对应的灌溉半径能耗系数0 R1。在正弦交流电路中，y轴的峰值大小b与峰值拉伸倍数A均与用电量大小有关。因此，结合变频器的实时变化曲线及式（1 1）中的变量分析可以得出，通过变频器调节交流电的峰值大小，即交流电最大电压值大小。3.4.2圆形灌溉方式能耗变化曲线分析圆形灌溉中的能耗变化曲线如图8 所示。u(wt)Umax=BToffwtTonT-图：圆形灌溉中的能耗变化曲线图8 中，圆形灌溉中设备起动周期Ton，运行周期为T，可得出其对应的运行能耗函数为：J2(x)=kx+B(13)由该函数可以看出，J2(x)函数值始终大于1，即J(x)1。当其正常运行时，其圆形喷灌设备能耗达到电压最大值Umx且Umax=B，其对应函数截距值保持不变。因此，圆形灌溉的单位半径能耗系数始终存在R1。表1 中，圆形灌溉方式较矩形灌溉方式耗能更多，且其能耗增加将随灌溉区域的增加成倍增长；而矩形灌溉区域可以通过降低用电量的方式保证灌溉效率最大化。4结论由以上分析可以得出以下结论：单位面积能耗半径灌溉系数R，当0 S2，即多个矩形灌溉方式要优于多个圆形灌溉方式，从能耗方面优于圆形灌溉方式。（2）在后期灌溉设备研发方面，矩形灌溉方式可以考虑通过变频技术来控制水压的大小，以减小实时用水量，最终实现精准灌溉的目标。（3）通过以上分析可以得出结论：如果通过变频技术改变水压来控制矩形灌溉，可以实现节水灌溉的目标，可为后期进一步研发其对应的灌溉设备奠定良好的基础。基金项目：邯郸市科技局邯郸市科学技术研究与发展计划项目课题“基于VR技术的智慧农业物联网信息化平台应用研究”(21422902206)。作者简介：魏玮（1 9 8 1-），女，河北邯郸人，邯郸职业技术学院讲师，研究方向：自动控制系统。参考文献1QIU J.China faces up to groundwatercrisisJ.Nature,2010,466（7 30 4):30 8.2李金基于物联网的农田灌溉系统设计D淮南：安徽理工大学，2 0 1 7.3陈凯新疆滴灌系统工程技术问题分析及其管理模式研究D保定：河北农业大学，2 0 1 6.4SIMPSON R A,DANDY G C,LAURENCE J M.Geneticalgorithms com-pared to other techniques for pipe optimizationJ.Journal of Water Resource Planning and Management，2 0 0 4，1 2 0（4):42 3-443.5】张兵，袁寿其，李红，等基于模糊决策理论的冬小麦精量灌溉智能系统的研究J中国农村水利水电，2 0 0 6(5):17-20.6张昆大田智能灌溉系统研究与设计J河南机电高等专科学校学报，2 0 1 8，36（2）：2 5-30.科技与创新，2 0 1 5（9）：1 5 3-1 5 4.3杨正玮多普勒天气雷达日常维护与故障维修J.设备管理与维修2 0 1 8（6）：7 3-7 4.4】张硕新一代C波段脉冲多普勒天气雷达：故障检测排除个例分析J吉林气象，2 0 0 4（2）：35-37.5李卫东，韩波，殷秋云多普勒雷达常见故障分析与维修J江西农业，2 0 1 7（1 7）：5 3.6】张福贵，舒毅，唐佳佳，等天气雷达定标、测试与故障诊断技术发展与趋势J气象科技进展，2 0 2 1，1 1(4):72-81.