利用先进的农业灌溉解决水资源匮乏问题

在过去十年中，农业灌溉控制变得越来越复杂。现在，许多种植者已经用先进的控制和连接元器件取代了传统的灌溉定时器和液压调节器，这些元器件从工业应用元器件演化而来，包括采用可编程逻辑控制器 (PLC) 的系统和工业 PC，以及越来越经济并能够连接和利用常见工业通信协议的自动化元器件。这些控制器和元器件可以接受来自土壤湿度传感器、气象站、冻结传感器等来源的输入，以实时提示做出适应性的数字农业响应。

更重要的是，虽然利用数据来优化灌溉变得越来越智能，但这些复杂的灌溉控制系统却越来越经济实惠。

图1：草坪维护和农业种植设备公司 Toro 销售 Tempus Automation 农业灌溉系统，这些系统使用 4G/Wi-Fi/LoRa/蓝牙连接。利用基站，种植者能够在1.6 公里范围内控制阀门和监测设备。他们可以轻松增加基站，从而扩大控制范围；所有基站都可以用太阳能供电或使用硬接线。（图片来源：The Toro Co.）

随着全球气候变暖、各地区变得更加干旱、人口增加、地下含水层枯竭，节约用水变得越来越重要。事实上，水可能很快就会成为主要关键资源，在 21 世纪，它将承担比石油更重要的地缘政治意义——甚至可能引发未来的战争。与水有关的问题在中东地区已经存在了很长时间。自人类文明诞生以来，这个地区变得越来越干旱，现在仅依靠全世界 1% 的淡水，养活全世界 5% 的人口。

图 2：基于微喷系统和其他滴灌方法的温室灌溉和室外行间作物灌溉受益于先进的灌溉控制。（图片来源：Getty Images）

从商业角度来看，水的稀缺性反映在更高的食品和农产品价格上，过去十年里，水的价格上涨速度超过了能源。显而易见，对于大规模商业运营和初创农业公司来说，在最大限度提高作物产量的同时，还必须最大限度减少水消耗量，这一点变得至关重要。

可控的灌溉和种植机制

对灌溉控制器的要求取决于应用和系统类型——无论是基于喷灌、滴灌还是水培浇灌回路。

图 3：T3000 系列二氧化碳传感器采用 IP67 等级的外壳，可耐受室内垂直农业作业中的湿气、灰尘和化肥。其反馈可以为自动水培灌溉和施肥程序提供信息。（图片来源：Amphenol Telaire）

温室种植作物的灌溉可以得到精细控制；没有室外环境的变化，最佳的光照、水、施肥和土壤成分可以始终保持在容差范围内。灌溉始终基于水泵蓄水池和塔盘式灌溉回路...几乎不会因蒸发或径流而损失水。适合特定作物的软件选择非常多；这些程序利用了有关植物物种生长周期和最佳生长参数的行业知识。

图 4：IP67 等级外壳使得 WIL 灯特别适合室内数字农业应用。（图片来源：Weidmüller）

对于传统的室外农业，喷灌机是使用最广泛的灌溉设备，其设计从小型草坪喷灌机（类似于房主在草坪上使用的喷灌机）到由电动机或柴油泵驱动的高压工业喷灌机。后者包括大规模平移式喷灌系统，能够使用大型喷灌机阵列，灌溉绵延数公顷的田地。

在大规模作业的自动化灌溉系统中，另一种常见设计是撞击式喷灌机。这些设备的简化版本也作为消费草坪灌溉产品出售。简而言之，撞击式喷灌机包含一个喷头组件，将一股水流送过机械臂。水经过机械臂反复击打，散落在种植的作物上。产生的压力和机械臂运动会推动喷头围绕枢轴转动，从而使喷灌机扫过一个圆周或部分圆弧区域。

农作物自动浇灌的最后一个选择是滴灌。无论是基于所谓的漏管阵列还是微喷头阵列，滴灌都可将水更直接地输送到植物的根部，从而减少用水量（特别是蒸发损失）。

关于中枢和平移农业灌溉的更多信息

中枢灌溉是喷灌式作物浇灌的高级改造。这是灌溉大型开阔农田最有效的方法之一，行业典型系统能够覆盖半径 400 米的区域，面积达 50 公顷（125 英亩）左右。中枢灌溉系统围绕固定枢轴来旋转灌溉管道（有很多喷头），从而灌溉一个圆周或部分圆弧区域。管道由多个塔架承载，通过驱动轮沿地面移动。

图 5：定时控制器结合中枢灌溉系统使用，指挥基本的水调度。此外，欠流监视器通常监控中枢灌溉系统塔架上的三相系统的其中一段。这种欠流监视器可以检测到停滞或卡住的塔架，以防止过度浇水。（图片来源：Littelfuse）

在塔架之间，水管由桁架支撑，使用电缆作为拉力构件——非常类似于吊桥的支撑。最初的中枢灌溉系统开发于 20 世纪 40 年代，该系统利用水流来驱动轮子。目前，此类设备依靠电动机转动轮子进行推进的情况更为常见。这些轮子的速度可能非常慢，因为系统控制器可能需要几天时间来指挥轮子完成一次完整旋转。

图 6：AgSense 软件（一个可通过移动设备和笔记本电脑访问的应用程序）利用 GPS 和反馈技术，帮助种植者跟踪灌溉泵和辅助部件、流量和压力状态、土壤湿度、天气状况、水箱水位（适用时），以及盗窃证据。该软件是自动枢轴灌溉系统的首选（但也兼容平移灌溉设备），可提供实时信息和警报，甚至允许组合管理液压与电动枢轴。基本上，该软件能实现数字面板功能，同时保持与任何品牌或年份的机械面板的兼容性。（图片来源：Valmont Industries Inc.）

枢轴灌溉系统是令人惊叹的复杂大型设备，有其特有的灌溉区域控制挑战。这些塔架并不是同步移动，而是单独停止和启动，以保持管道的大致对齐。管道和支撑它的桁架具有相当大的灵活性，可以适应塔架的不平衡运动和地面的自然起伏。

在枢轴灌溉系统中，塔段是单独控制的。过去，这使用简单的机制和限位开关来实现。通过监测连接到下一个塔段的连杆的位置，每一个塔段都可以轻松感知相对于下一塔段的角度。然后，简单的限位开关可以根据下一个塔段的相对角度位置，来启动、停止和反转轮子。这种方法适合采用液压驱动轮的简单液压控制。

最外侧中枢塔架末端的喷枪可以将灌溉区域扩大到物理结构之外。如果持续这样工作，灌溉区域仍将是圆形。但是，通过控制喷枪，使用中枢灌溉系统可以灌溉一个大致正方形的区域。

（视频来源：UNL Biological Systems Engineering）

平移式灌溉系统与中枢系统类似，同样使用喷灌机。但是，塔段并不是围绕一个固定枢轴在弧线上移动。相反，塔段沿一条直线来回移动。这意味着平移式灌溉系统覆盖一个矩形区域，而不是一个圆形区域。这样的覆盖区域可以更好地适应现有的农田系统，提供更完整的土地覆盖。然而，这也使得塔架驱动和供水控制更具挑战性。

图 7：这是平移式灌溉设计。采用这种机械设备的自动化系统解决了户外灌溉的难题。（图片来源：Getty Images）

在一些设计中，我们要通过灌溉区域边缘的明渠供水，而在替代方案中，还可以通过柔性软管供水。需要注意的是，这种平移式灌溉系统的塔架必须在速度上协调一致，以保持管道的合理平齐，而且塔架必须一起转向，系统才能在田地中持续前后移动，而不偏离轨道。为了满足这些要求，一些塔架经过编程，能够跟随埋设的缆线移动。

农业灌溉控制器

最简单的灌溉控制器只是一种让水在预设时间里自由流动的计时器。消费级草坪喷灌机中也有这种定时器。

更复杂一点的是工业灌溉控制器。这些控制器传统上采取液压控制系统的形式，通常与中枢灌溉机配对使用。

今天，许多更先进的工业灌溉控制器使用标准 PLC。除了控制大型灌溉系统的运动，如基于平移式灌溉设备的灌溉系统，这些基于 PLC 的电子设备还可以配置为接受来自土壤湿度传感器、流量传感器、气象站和冻结传感器的输入。一些此类系统现在很容易被小型种植企业（水果行业和室内智能农业行业中）采用，这些企业使用 Arduino 等控制器来实现植物和温室的自动浇灌。

图 8：NETBEAT NetMCU 是一个集成式商业级灌溉控制器的例子——事实上，这种坚固耐用的产品可以执行一系列的施肥、灌溉、作物建模和预测任务，从而提供完整的数字农业解决方案。（图片来源：Netafim）

自动灌溉控制器可以测量流量，以确保输送经过计量的水量，而不是在预设时间内输送任意的水量。通过为特定面积的土地输送已知数量的水，能在不浪费水的情况下实现理想的种植条件。流量控制还可以检测堵塞和泄漏，在发生重大作物损害或水损失之前，提醒操作人员。利用物联网协议，现代控制器甚至可以在此类事件发生时，向操作人员的手机发送警报。

图 9：RevPi 自动化控制和 I/O 元器件围绕单板 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 微型计算机的计算模块构建。最新的 RevPi 版本可处理对某些作物灌溉控制方法很有用的模拟信号。（图片来源：KUNBUS）

对一些种植者来说，另一个前沿选择是蒸散或 ET 控制器。这些控制器根据土壤与水的平衡原则来估算需水量。

水平衡由农业水文学进行研究，最基本原则是水的流入量必须等于流出量加上存水量的变化。流出量由径流和蒸散组成——水通过植被的蒸发和蒸腾作用进入大气。

ET 控制器需要关于流入量（灌溉流量和降雨量）以及影响蒸散的环境参数（如温度、湿度和太阳辐射）的实时数据。需要通过 ET 控制器（通常是自适应自动化控制器）严格控制的关键参数包括作物系数和土壤的持水能力。农业作物系数根据天气条件和水供应情况来决定蒸腾速率。ET 控制器可以减少高达 63% 的用水量——这种惊人的巨大节约量是许多其他方法无法比拟的。

总结

对于当今的大型工业化农场来说，由很多先进的灌溉解决方案可供选择。事实上，自动化技术也使得先进灌溉方法变得足够经济实惠，无论是小型种植者，还是专门从事蔬菜和利润率较低的精细作物的食品生产商都能负担得起。