作者：Jody Muelaner， Lisa Eitel

　　在過去十年中，農業(yè)灌溉控制變得越來越復雜?，F(xiàn)在，許多種植者已經用先進的控制和連接組件取代了傳統(tǒng)的灌溉計時器和液壓調節(jié)器，這些組件適用于工業(yè)應用，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工業(yè)通信協(xié)議的日益經濟的自動化組件。這些控制器和組件可以接受來自土壤濕度傳感器、氣象站和凍結傳感器等來源的輸入，以實時提示自適應數(shù)字農業(yè)響應。

　　更重要的是，這些復雜的灌溉控制系統(tǒng)現(xiàn)在變得越來越實惠......即使使用數(shù)據(jù)來優(yōu)化灌溉也變得越來越智能。

　　圖 1：地面維護和農業(yè)種植設備公司 Toro 銷售利用 4G/Wi-Fi/LoRa/藍牙連接的 Tempus Automation 農業(yè)灌溉系統(tǒng)?；驹试S種植者控制長達 1.6 公里氣泡內的閥門和監(jiān)測設備?？梢暂p松添加基站以擴展范圍;所有這些都可以是太陽能供電或硬連線的。(圖片來源： 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)水越來越重要。事實上，水可能很快成為主要的關鍵資源，在21世紀將比石油更具地緣政治重要性，甚至可能引發(fā)未來的戰(zhàn)爭。與水有關的問題在中東已經由來已久。自文明誕生以來，這個地區(qū)變得越來越干旱，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的灌溉控制。(圖片來源：蓋蒂圖片社)

　　從商業(yè)角度來看，水資源短缺反映在食品和農產品價格上漲上，包括 水價上漲速度快于能源 在過去的十年中。需要明確的是，對于大規(guī)模商業(yè)運營和初創(chuàng)農業(yè)運營來說，最大限度地減少用水量同時最大限度地提高作物產量變得至關重要。

　　可控的灌溉和生長機制

　　對灌溉控制器的要求取決于應用和系統(tǒng)類型，無論是基于噴頭、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，可承受室內垂直農業(yè)操作中的濕氣，污垢和肥料暴露。他們的反饋可以為自動化水培灌溉和施肥程序提供信息。(圖片來源： 安費諾·特萊爾)

　　種植園作物的灌溉可以得到非常嚴格的控制;在沒有室外環(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。灌溉始終基于泵占用的水庫和基于托盤的灌溉回路......幾乎沒有水因蒸發(fā)而損失，也沒有因徑流而損失。針對特定作物的軟件選項比比皆是;這些計劃結合了有關植物物種生長周期和首選生長參數(shù)的行業(yè)知識。

　　圖 4：AN IP67 外殼使 威爾燈 特別適用于室內數(shù)字農業(yè)應用。(圖片來源： 魏德米勒)

　　對于傳統(tǒng)的戶外農業(yè)，灑水器是使用最廣泛的灌溉設備，其設計范圍從小型草坪灑水器(類似于房主在草坪上使用的噴頭)到由電動機或柴油泵驅動的高壓工業(yè)灑水器。后者包括大型線性移動系統(tǒng)，能夠通過其大型灑水陣列灌溉綿延數(shù)公頃的空地。

　　在大規(guī)模操作的自動灌溉系統(tǒng)中常見的另一種設計是 沖擊式噴頭.這些的簡化變體也作為消費者草坪灌溉產品出售。簡而言之，沖擊式噴頭由一個頭部組件組成，該組件將水射流送過機械臂。這些水被手臂反復撞擊并散落在正在種植的作物上。由此產生的壓力和機械臂的運動將頭部推到樞軸周圍，這反過來又導致灑水器掃過圓圈或部分弧形。

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

　　有關中心支軸式和線性移動農業(yè)灌溉的更多信息

　　中心支軸式灌溉是對噴灌作物澆水的高級改編。這是灌溉大型開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50公頃(125英畝)左右的區(qū)域內覆蓋400米半徑。中心樞軸式灌溉系統(tǒng)通過圍繞固定樞軸旋轉灌溉管(帶有許多噴頭)來灌溉圓形或部分弧形。管道由多個塔承載，這些塔通過動力輪沿地面移動。

　　圖5： 定時控制 與中心樞軸式灌溉系統(tǒng)一起使用，以控制基本的用水時間表。此外，暗流監(jiān)測器通常監(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)測器可檢測停滯或堵塞的塔，以防止過度澆水。(圖片來源： 利特爾保險絲)

　　在塔之間，水管由桁架支撐，桁架使用電纜作為張緊構件 - 非常類似于懸索橋的支撐。最初的中心樞軸式灌溉系統(tǒng)開發(fā)于 1940 年代，使用水流來驅動車輪。今天，這種設備依靠電動機轉動車輪進行推進的情況要普遍得多。這些車輪的速度可能非常慢，因為系統(tǒng)控制可能需要幾天時間才能通過一整圈來指揮車輪。

　　圖 6：AgSense 軟件(可通過移動設備和筆記本電腦作為應用程序訪問)利用 GPS 和反饋技術幫助農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;儲罐液位(如適用);以及盜竊的證據(jù)。作為自動樞軸式灌溉系統(tǒng)(但也與線性機器兼容)的領先選項，該產品提供實時信息和警報，甚至允許管理液壓和電動樞軸的混合車隊。從本質上講，該軟件支持數(shù)字面板功能，同時保持與任何品牌或年份的機械面板的兼容性。(圖片來源： 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雜機器，帶來了自己的區(qū)域控制挑戰(zhàn)。塔不會一致移動，而是單獨停止和啟動以保持管道的大致對齊。管道以及支撐它的桁架具有相當大的靈活性，以適應塔樓的不均勻運動和地面的自然起伏。

　　在樞軸式灌溉系統(tǒng)上，塔部分是單獨控制的。傳統(tǒng)上，這是通過簡單的機制和限位開關來實現(xiàn)的。通過監(jiān)控連接到下一部分的杠桿的位置，每個部分都可以輕松感知其相對于下一部分的角度。然后，簡單的限位開關可以根據(jù)下一個塔段的相對角位置啟動、停止和反轉車輪。這種方法適用于使用液壓動力輪進行簡單的液壓控制。

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

　　(視頻來源：UNL生物系統(tǒng)工程)

　　同樣采用噴頭，線性移動灌溉系統(tǒng)類似于中心樞軸系統(tǒng)。但是，塔部分不會圍繞固定樞軸以弧形驅動。相反，它們在一條直線上來回移動。這意味著線性移動灌溉系統(tǒng)覆蓋矩形區(qū)域而不是圓形區(qū)域。這種覆蓋區(qū)域可以更好地適應現(xiàn)有的現(xiàn)場系統(tǒng)，并提供更完整的土地覆蓋。然而，這也使得對從動塔的控制以及對供水的控制更具挑戰(zhàn)性。

　　圖 7：這是一種線性移動灌溉設計。采用這種機械設備的自動化系統(tǒng)解決了困難的室外灌溉挑戰(zhàn)。(圖片來源：蓋蒂圖片社)

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

　　農業(yè)灌溉控制器

　　最簡單的灌溉控制器只是計時器，允許水在預設時間自由流動。這樣 計時器也出現(xiàn)在消費級草坪灑水器中.

　　更復雜的是工業(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。

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

　　圖 8：NETBEAT NetMCU 是集成商業(yè)級灌溉控制器的一個例子，事實上，這款加固型產品執(zhí)行了一系列施肥、施肥、作物建模和預測任務，以實現(xiàn)完整的數(shù)字農業(yè)解決方案。(圖片來源： 耐特菲姆)

　　自動灌溉控制器可以測量流速，以確保輸送測量量的水量，而不是在某個預設時間內輸送任意量的水量。通過為給定的土壤區(qū)域提供已知數(shù)量的水，可以在不浪費水的情況下實現(xiàn)理想的生長條件。流量控制還允許檢測堵塞和泄漏，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)生此類事件時向操作員的手機發(fā)送警報。

　　圖 9：RevPi 自動控制和 I/O 組件圍繞單板 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 小型機的計算模塊變體構建。最新的RevPi變體可容納對某些作物灌溉控制方法有用的模擬信號。(圖片來源： 昆布斯)

　　一些農民的另一個前沿選擇是 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。

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

　　ET控制器需要有關流入量(灌溉流量和降雨量)以及影響蒸散的環(huán)境參數(shù)(如溫度，濕度和太陽輻照度)的實時數(shù)據(jù)。需要通過ET控制器(通常是經過調整的自動化控制器)嚴格控制的關鍵參數(shù)包括作物系數(shù)和土壤的持水能力。農作物系數(shù)決定了蒸騰速率與天氣條件和水的可用性有關。ET 控制器可以 減少高達 63% 的用水量 — 這是許多其他方法無法比擬的驚人節(jié)省。

　　結論

　　為當今的大型工業(yè)化農民提供復雜的灌溉解決方案。事實上，自動化技術也為小農戶以及專門從事蔬菜和嬌嫩作物的食品生產商提供了足夠實惠的先進灌溉方法，利潤率較低。