开展智能化控制灌溉研究,为农业高效用水提供技术支撑

文章来源:作者: 点击数:发布时间:2018-01-30【字体:   

  资源节约和现代化,是我国未来农业发展需要重点突破的两个方面,落实到农业灌溉上,需要重点解决的问题是精量供水和灌溉的规模化、自动化。由于我国水资源严重短缺,决定了国外许多发达国家采用的高耗能、高耗水、大规模的农业灌溉技术模式不适用于我国农业发展实践,迫切需要突破作物水分状况信息实时采集、环境综合信息处理与灌溉决策、灌溉设备精确控制等方面的理论与技术瓶颈,建立适合我国国情的精量用水、节约能源、适度规模化的作物需水与精量灌溉控制技术体系,满足现代节水农业发展的需求。瞄准这一科学问题,本项目在“十一五”和“十二五”国家“863”计划的连续支持下,经过10年多的努力,突破了多项关键技术,形成了一批具有自主知识产权的技术和产品,其中部分产品已实现了产业化,其技术性能达到国际先进水平。

  针对农业生产中缺少实时、准确监测作物需水信息的设备,现有设备国产化程度低,系统化、配套性差,长期依赖进口,价格高,维护难等问题,研究团队采用提高信号源频率等技术,研制出基于驻波率(SWR)原理的管式土壤水分测试仪和适用于自动控制的可埋式土壤水分传感器,提高了测量的稳定性、准确性和通用性;利用热脉冲原理研发出具有自适应能力的分别适用于木本和草本植物的蒸腾速率测定仪,稳定性强,灵敏度高,并实现自动采集、移动存储、无线传输、廉价低耗;基于蒸发量监测研制出“傻瓜式”灌溉预警装置,耗水量监测误差小于5%,预警时间误差小于2d;区域土壤水分遥感监测系统,具有对地面调查依赖性小、监测机理明确、时间频次高、性价比高、区域适用性强的优点。并研究提出土壤水分监测探头布设及其数据标准化处理方法。

  传统灌溉方式自动化、智能化水平低、耗水费工,无法适应现代节水农业发展。大力发展智能化、自动化精准灌溉技术,是我国农业现代化发展的重大技术需求。        研究团队融合灰色预测理论、模糊数学和PID控制技术,研制出灰色预测模糊PID控制器,并与水肥精量灌溉智能控制机相结合,实现了水肥精量控制;构建了大田作物、土壤、水肥和气象环境信息数据库,据此提出基于KBE的灌溉智能决策支持技术;利用有线和无线数据传输技术,开发基于物联网的智能灌溉远程控制系统,实现利用internet浏览器、手机短信、手机Android平台和Zigbee无线网络的农田现场的实时采集与监控,实现远程灌溉计划的实时查看、编辑与运行,实现水肥精量控制机的远程监控以及温室现场温湿度的实时调节等。

  集成首部智能控制系统、用水计量调度系统、灌溉智能控制系统和灌溉决策关键因子监测系统,构建了系列化、标准化、组态化的灌溉智能决策与控制平台。自动反冲洗过滤器控制器、精准灌溉施肥机、IC卡水电双重计量设备、无线自组网灌溉调度预付费水表、无线自组网控制器、无线电磁阀控制器器和可编程灌溉控制开发平台等7种设备已经进行批量生产;开发的组态化灌溉控制决策软件平台,实现了数据采集、大田灌溉决策等模块的开发。

  项目研制新设备/产品16台(套),开发软件系统8套;获授权发明专利23项;获得软件著作权20项;发表学术论文94篇,其中SCI论文16篇,EI论文11篇。

  研究成果分别在北京、新疆、陕西、河南等地得到规模化应用,其中应用于冬小麦/夏玉米28.07万亩,棉花5000亩。年均增产粮食120kg/亩,节水100-150m3/亩,节本增效280元/亩;累计增产粮食3370.80万kg,节水5614-8421万m3,节本增效7884.65万元;增产皮棉14.00万kg;节水60万m3,节电1.00万kw.h,节本增效60万元。

  作物需水信息自动采集与智能控制灌溉技术,是现代化农业发展的国际前沿技术,成果整体将直接服务于农业生产实践,为我国现代节水农业的发展提供理论指导和技术支撑。该技术的应用不仅可以有效提高灌溉的精准性,提高灌溉水利用率和作物产量及品质,还可以大幅度提高肥料的有效利用率,减少农田面源污染发生的可能性及危害程度,对于实现农业生产“一控二减三基本”的目标起到重要的科技支撑作用。同时,这项成果在林业生产、生态环境建设及城市园林绿化等领域的植被精准灌溉方面,也具有十分广阔的应用前景。

作物需水信息采集系统:SWR管式土壤剖面水分监测仪(左)、墒情远程监测站(中)和针式土壤水分传感器(右)