作者：Jody Muelaner， Lisa Eitel

　　在過(guò)去十年中，農(nóng)業(yè)灌溉控制變得越來(lái)越復(fù)雜。現(xiàn)在，許多種植者已經(jīng)用先進(jìn)的控制和連接組件取代了傳統(tǒng)的灌溉計(jì)時(shí)器和液壓調(diào)節(jié)器，這些組件適用于工業(yè)應(yīng)用，包括采用可編程邏輯控制器 (PLC)、工業(yè) PC 的系統(tǒng)，以及能夠連接和利用常見(jiàn)工業(yè)通信協(xié)議的日益經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)化組件。這些控制器和組件可以接受來(lái)自土壤濕度傳感器、氣象站和凍結(jié)傳感器等來(lái)源的輸入，以實(shí)時(shí)提示自適應(yīng)數(shù)字農(nóng)業(yè)響應(yīng)。

　　更重要的是，這些復(fù)雜的灌溉控制系統(tǒng)現(xiàn)在變得越來(lái)越實(shí)惠......即使使用數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化灌溉也變得越來(lái)越智能。

　　圖 1：地面維護(hù)和農(nóng)業(yè)種植設(shè)備公司 Toro 銷售利用 4G/Wi-Fi/LoRa/藍(lán)牙連接的 Tempus Automation 農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。基站允許種植者控制長(zhǎng)達(dá) 1.6 公里氣泡內(nèi)的閥門和監(jiān)測(cè)設(shè)備。可以輕松添加基站以擴(kuò)展范圍;所有這些都可以是太陽(yáng)能供電或硬連線的。(圖片來(lái)源： 托羅公司)

　　隨著氣候變暖、地區(qū)變得更加干旱、人口增加和含水層枯竭，節(jié)水越來(lái)越重要。事實(shí)上，水可能很快成為主要的關(guān)鍵資源，在21世紀(jì)將比石油更具地緣政治重要性，甚至可能引發(fā)未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)。與水有關(guān)的問(wèn)題在中東已經(jīng)由來(lái)已久。自文明誕生以來(lái)，這個(gè)地區(qū)變得越來(lái)越干旱，現(xiàn)在支持 僅占世界淡水的1%，就占世界人口的5%.

　　圖2：基于微噴系統(tǒng)和其他滴灌方法的溫室灌溉和室外行作物灌溉受益于先進(jìn)的灌溉控制。(圖片來(lái)源：蓋蒂圖片社)

　　從商業(yè)角度來(lái)看，水資源短缺反映在食品和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格上漲上，包括 水價(jià)上漲速度快于能源 在過(guò)去的十年中。需要明確的是，對(duì)于大規(guī)模商業(yè)運(yùn)營(yíng)和初創(chuàng)農(nóng)業(yè)運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，最大限度地減少用水量同時(shí)最大限度地提高作物產(chǎn)量變得至關(guān)重要。

　　可控的灌溉和生長(zhǎng)機(jī)制

　　對(duì)灌溉控制器的要求取決于應(yīng)用和系統(tǒng)類型，無(wú)論是基于噴頭、滴灌還是水培澆水回路。

　　圖3： T3000 系列 二氧化碳傳感器具有IP67外殼，可承受室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)操作中的濕氣，污垢和肥料暴露。他們的反饋可以為自動(dòng)化水培灌溉和施肥程序提供信息。(圖片來(lái)源： 安費(fèi)諾·特萊爾)

　　種植園作物的灌溉可以得到非常嚴(yán)格的控制;在沒(méi)有室外環(huán)境變化的情況下，最佳的光、水、施肥和土壤成分可以始終保持在公差范圍內(nèi)。灌溉始終基于泵占用的水庫(kù)和基于托盤的灌溉回路......幾乎沒(méi)有水因蒸發(fā)而損失，也沒(méi)有因徑流而損失。針對(duì)特定作物的軟件選項(xiàng)比比皆是;這些計(jì)劃結(jié)合了有關(guān)植物物種生長(zhǎng)周期和首選生長(zhǎng)參數(shù)的行業(yè)知識(shí)。

　　圖 4：AN IP67 外殼使 威爾燈 特別適用于室內(nèi)數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用。(圖片來(lái)源： 魏德米勒)

　　對(duì)于傳統(tǒng)的戶外農(nóng)業(yè)，灑水器是使用最廣泛的灌溉設(shè)備，其設(shè)計(jì)范圍從小型草坪灑水器(類似于房主在草坪上使用的噴頭)到由電動(dòng)機(jī)或柴油泵驅(qū)動(dòng)的高壓工業(yè)灑水器。后者包括大型線性移動(dòng)系統(tǒng)，能夠通過(guò)其大型灑水陣列灌溉綿延數(shù)公頃的空地。

　　在大規(guī)模操作的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中常見(jiàn)的另一種設(shè)計(jì)是 沖擊式噴頭.這些的簡(jiǎn)化變體也作為消費(fèi)者草坪灌溉產(chǎn)品出售。簡(jiǎn)而言之，沖擊式噴頭由一個(gè)頭部組件組成，該組件將水射流送過(guò)機(jī)械臂。這些水被手臂反復(fù)撞擊并散落在正在種植的作物上。由此產(chǎn)生的壓力和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)將頭部推到樞軸周圍，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致灑水器掃過(guò)圓圈或部分弧形。

　　農(nóng)作物自動(dòng)澆水的最后一種選擇是滴灌。無(wú)論是基于所謂的泄漏管陣列還是微噴頭陣列，滴灌都可以通過(guò)將水更直接地輸送到植物的根部區(qū)域來(lái)減少用水量(尤其是蒸發(fā)損失的水)。

　　有關(guān)中心支軸式和線性移動(dòng)農(nóng)業(yè)灌溉的更多信息

　　中心支軸式灌溉是對(duì)噴灌作物澆水的高級(jí)改編。這是灌溉大型開(kāi)放田地的最有效方法之一，行業(yè)典型的系統(tǒng)能夠在高達(dá)50公頃(125英畝)左右的區(qū)域內(nèi)覆蓋400米半徑。中心樞軸式灌溉系統(tǒng)通過(guò)圍繞固定樞軸旋轉(zhuǎn)灌溉管(帶有許多噴頭)來(lái)灌溉圓形或部分弧形。管道由多個(gè)塔承載，這些塔通過(guò)動(dòng)力輪沿地面移動(dòng)。

　　圖5： 定時(shí)控制 與中心樞軸式灌溉系統(tǒng)一起使用，以控制基本的用水時(shí)間表。此外，暗流監(jiān)測(cè)器通常監(jiān)視中心樞軸灌溉系統(tǒng)塔上的三相系統(tǒng)的一條腿。這種欠流監(jiān)測(cè)器可檢測(cè)停滯或堵塞的塔，以防止過(guò)度澆水。(圖片來(lái)源： 利特爾保險(xiǎn)絲)

　　在塔之間，水管由桁架支撐，桁架使用電纜作為張緊構(gòu)件 - 非常類似于懸索橋的支撐。最初的中心樞軸式灌溉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)于 1940 年代，使用水流來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪。今天，這種設(shè)備依靠電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪進(jìn)行推進(jìn)的情況要普遍得多。這些車輪的速度可能非常慢，因?yàn)橄到y(tǒng)控制可能需要幾天時(shí)間才能通過(guò)一整圈來(lái)指揮車輪。

　　圖 6：AgSense 軟件(可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和筆記本電腦作為應(yīng)用程序訪問(wèn))利用 GPS 和反饋技術(shù)幫助農(nóng)民跟蹤灌溉泵和輔助組件;流量和壓力狀態(tài);土壤濕度水平;天氣狀況;儲(chǔ)罐液位(如適用);以及盜竊的證據(jù)。作為自動(dòng)樞軸式灌溉系統(tǒng)(但也與線性機(jī)器兼容)的領(lǐng)先選項(xiàng)，該產(chǎn)品提供實(shí)時(shí)信息和警報(bào)，甚至允許管理液壓和電動(dòng)樞軸的混合車隊(duì)。從本質(zhì)上講，該軟件支持?jǐn)?shù)字面板功能，同時(shí)保持與任何品牌或年份的機(jī)械面板的兼容性。(圖片來(lái)源： 瓦爾蒙特工業(yè)公司)

　　樞軸式灌溉系統(tǒng)是大型且令人驚訝的復(fù)雜機(jī)器，帶來(lái)了自己的區(qū)域控制挑戰(zhàn)。塔不會(huì)一致移動(dòng)，而是單獨(dú)停止和啟動(dòng)以保持管道的大致對(duì)齊。管道以及支撐它的桁架具有相當(dāng)大的靈活性，以適應(yīng)塔樓的不均勻運(yùn)動(dòng)和地面的自然起伏。

　　在樞軸式灌溉系統(tǒng)上，塔部分是單獨(dú)控制的。傳統(tǒng)上，這是通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)制和限位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)監(jiān)控連接到下一部分的杠桿的位置，每個(gè)部分都可以輕松感知其相對(duì)于下一部分的角度。然后，簡(jiǎn)單的限位開(kāi)關(guān)可以根據(jù)下一個(gè)塔段的相對(duì)角位置啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)車輪。這種方法適用于使用液壓動(dòng)力輪進(jìn)行簡(jiǎn)單的液壓控制。

　　最外層中心樞軸塔末端的噴槍可以將灌溉區(qū)域擴(kuò)展到物理結(jié)構(gòu)之外。如果這連續(xù)運(yùn)行，該區(qū)域仍將是圓形的。但是，通過(guò)控制噴槍，可以使用中心樞軸灌溉系統(tǒng)灌溉近似方形的區(qū)域。

　　(視頻來(lái)源：UNL生物系統(tǒng)工程)

　　同樣采用噴頭，線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)類似于中心樞軸系統(tǒng)。但是，塔部分不會(huì)圍繞固定樞軸以弧形驅(qū)動(dòng)。相反，它們?cè)谝粭l直線上來(lái)回移動(dòng)。這意味著線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)覆蓋矩形區(qū)域而不是圓形區(qū)域。這種覆蓋區(qū)域可以更好地適應(yīng)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，并提供更完整的土地覆蓋。然而，這也使得對(duì)從動(dòng)塔的控制以及對(duì)供水的控制更具挑戰(zhàn)性。

　　圖 7：這是一種線性移動(dòng)灌溉設(shè)計(jì)。采用這種機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)解決了困難的室外灌溉挑戰(zhàn)。(圖片來(lái)源：蓋蒂圖片社)

　　在某些設(shè)計(jì)中，水由沿灌溉區(qū)域邊緣的開(kāi)放通道或通過(guò)柔性軟管(以替代布置)供應(yīng)。需要注意的是，這種線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)的塔必須表現(xiàn)出協(xié)調(diào)的速度，以保持管道合理筆直 - 并且塔必須一起轉(zhuǎn)向，以便系統(tǒng)在田地上不斷向前和向后移動(dòng)而不會(huì)偏離軌道。為了滿足這些要求，一些塔被編程為遵循埋地電纜。

　　農(nóng)業(yè)灌溉控制器

　　最簡(jiǎn)單的灌溉控制器只是計(jì)時(shí)器，允許水在預(yù)設(shè)時(shí)間自由流動(dòng)。這樣 計(jì)時(shí)器也出現(xiàn)在消費(fèi)級(jí)草坪灑水器中.

　　更復(fù)雜的是工業(yè)灌溉控制器。這些傳統(tǒng)上采用液壓控制系統(tǒng)的形式......并且通常與中心樞軸式灌溉器配對(duì)。

　　如今，許多更先進(jìn)的工業(yè)灌溉控制都使用標(biāo)準(zhǔn)PLC。除了控制大型灌溉器的運(yùn)動(dòng)(例如基于線性移動(dòng)灌溉設(shè)備的灌溉設(shè)備)外，這些基于 PLC 的電子設(shè)備還可以配置為接受來(lái)自土壤濕度傳感器、流量傳感器、氣象站和凍結(jié)傳感器的輸入。一些這樣的系統(tǒng)現(xiàn)在很容易進(jìn)入非常小的農(nóng)業(yè)操作(在水果行業(yè)以及室內(nèi)智能農(nóng)業(yè)行業(yè))，使用控制器，如 Arduino 自動(dòng)澆灌植物 和溫室。

　　圖 8：NETBEAT NetMCU 是集成商業(yè)級(jí)灌溉控制器的一個(gè)例子，事實(shí)上，這款加固型產(chǎn)品執(zhí)行了一系列施肥、施肥、作物建模和預(yù)測(cè)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)字農(nóng)業(yè)解決方案。(圖片來(lái)源： 耐特菲姆)

　　自動(dòng)灌溉控制器可以測(cè)量流速，以確保輸送測(cè)量量的水量，而不是在某個(gè)預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)輸送任意量的水量。通過(guò)為給定的土壤區(qū)域提供已知數(shù)量的水，可以在不浪費(fèi)水的情況下實(shí)現(xiàn)理想的生長(zhǎng)條件。流量控制還允許檢測(cè)堵塞和泄漏，在發(fā)生重大作物損害或水分損失之前提醒操作員注意問(wèn)題。 使用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，現(xiàn)代控制器 甚至可以在發(fā)生此類事件時(shí)向操作員的手機(jī)發(fā)送警報(bào)。

　　圖 9：RevPi 自動(dòng)控制和 I/O 組件圍繞單板 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 小型機(jī)的計(jì)算模塊變體構(gòu)建。最新的RevPi變體可容納對(duì)某些作物灌溉控制方法有用的模擬信號(hào)。(圖片來(lái)源： 昆布斯)

　　一些農(nóng)民的另一個(gè)前沿選擇是 蒸散 或 ET 控制器。這些根據(jù)土壤與水的平衡原則估算需水量。

　　水平衡是通過(guò)農(nóng)業(yè)水文學(xué)研究的，但最基本的是，流入水量必須等于流出量加上儲(chǔ)量變化。流出由溪流(徑流)和蒸散作用組成，蒸散作用是指水通過(guò)蒸發(fā)和蒸騰作用通過(guò)植被向大氣中的流動(dòng)。

　　ET控制器需要有關(guān)流入量(灌溉流量和降雨量)以及影響蒸散的環(huán)境參數(shù)(如溫度，濕度和太陽(yáng)輻照度)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。需要通過(guò)ET控制器(通常是經(jīng)過(guò)調(diào)整的自動(dòng)化控制器)嚴(yán)格控制的關(guān)鍵參數(shù)包括作物系數(shù)和土壤的持水能力。農(nóng)作物系數(shù)決定了蒸騰速率與天氣條件和水的可用性有關(guān)。ET 控制器可以 減少高達(dá) 63% 的用水量 — 這是許多其他方法無(wú)法比擬的驚人節(jié)省。

　　結(jié)論

　　為當(dāng)今的大型工業(yè)化農(nóng)民提供復(fù)雜的灌溉解決方案。事實(shí)上，自動(dòng)化技術(shù)也為小農(nóng)戶以及專門從事蔬菜和嬌嫩作物的食品生產(chǎn)商提供了足夠?qū)嵒莸南冗M(jìn)灌溉方法，利潤(rùn)率較低。