本文收录于《农业信息化》2022年第10期，目次28
摘要：在农田水利工程中，应用自动化节水灌排一方面可节约水能扩大灌溉农田面积，以此增加农作物产量；另一方面可根据农作物的生长特性，做到按需灌溉，对提高农作物产量起着积极作用。因此，该文就农田水利工程自动化节水灌排设备的设计与应用展开总结分析，为进一步加强农田自动化技术，促进农业现代化发展提供参考资料。
关键词：农田；自动化；节水灌排设备；系统硬件
技术的发展为传统农业带来了技术革新。过去以人力和畜力为代表的传统农业，生产方式与销售渠道都较为狭窄，农业经济也仅局限在“小农经济”模式中，农户除自给自足外，很难获得额外的经济收入。现阶段以机械化为主的新型农业，除生产方式上得到机械化的改进外，销售渠道也在不断拓宽，通过互联网与电子商务的双向发展，“电子商务+农产品”的模式已快速流行，以此实现了“小农经济”的迅速集中。而在现代化农业的发展趋势中，农业发展将以大数据技术、物联网技术等信息技术为主体，达到智慧化、自动化的农业生产模式，以此实现农业经济的快速提升[1]。
农田水利工程自动节水灌排设备的设计思路
自动节水灌排设备与传统农田人力灌排水相比，第一能保障农田用水的灌溉均匀。相较于大批量的漫灌，自动灌排可将定量的水灌溉到农田，保证农田中的水稻可吸收到充足的水分。第二，能够提高对灌溉水资源的利用率，减少人力灌水所造成的水分流失或深层渗透，有效节水率可达到35%左右。第三，能提高农户的劳动效率。通过利用自动节水灌排设备，技术人员可直接在管控间内操作不同农田中的多个闸门，及时对农田用水进行管理，快速达到农田“浅湿干”的农作目标。因此，基于对农田自动节水灌排设备的要求，秉持着高效节水的基本原则，对农田自动节水灌排设备进行的设计。运用现代化的技术手段来管理整个节水灌排设备的应用系统，并基于农田灌溉的实际项目，对灌排设备的系统信息进行分类，设计出结构合理、技术满足的自动节水灌排设备，以此实现农田水利工程的高效工作，推动农业现代化进程。
自动化节水灌排设备的系统设计
2.1 设备系统结构
该自动化节水灌排设备的系统结构如图1所示。
从图1中可以看出，自动化节水灌排设备的系统结构由监控中心、基站、无线路由节点、无线传感器节点四部分组成。首先，传感器节点分为灌水水分传感器节点与排水水分传感器节点。技术人员通过将传感器节点深埋在农田土壤中，节点会自动采集土壤中的含水率信息，并结合灌水或排水预定的含水率来判断灌水量或排水量是否达到预期的标准。整合后的数据信息会利用ZigBee网络自动上传至无线路由节点部分中。其次，无线路由节点通过汇总无线传感器所上传的水分数据后，再将其上传至基站部分中。最后，基站依托GPRS网络，将水分数据上传至监控中心的数据库中，技术人员再利用GPRS网络，下发排水或灌水的自动化指令，以此实现对节水灌排设备的远程控制。从自动化节水灌排设备系统的整体系统结构中可以看出，监控中心、基站、无线路由节点、无线传感器节点四个部分之间利用信息技术紧密相连，实现了农田土壤水分信息的双向交互，切实保证了农田灌水与排水的及时性，为提高农田生产质量奠定了良好基础[2]。
2.2 系统硬件设计
无线传感器网络节点是该自动化节水灌排设备主要的系统硬件，其必须具备数据收集、数据处理、数据传递等多个功能，针对此节点的设计结构如图2所示。
从图2中可以看出，自动化节水灌排的硬件设备由控制阀门、水分传感器、微控制器、电源供应模块与射频天线5部分组成。其中水分传感器采用了TDR-3型土壤水分传感器，将土壤水分检测精准度控制在±1.5%内，起到了数据收集的基本功能。微控制器采用STM32F103C8T6处理器，凭借其4个并行端口与12VAD采样器，精确处理土壤水分数据。射频天线采用IoT-8dBi220，利用A/D转换数字信号，达到数据传递的功能作用。电源供应模块采用了KM22010-3的AC/DC电源，可将5～25 mA的电流转化为0～6 V的电压输出。以此通过各部分间的相互配合，达到精准控制农田节水灌排的最终目的。
2.3 系统软件设计
农田水利工程自动化节水灌排设备的系统软件主要为传感器节点间的任务上传，通过在一定间隔时间内采集土壤含水率，并将其上传至基站，基站再根据土壤含水率的大小来进行阀门的开闭动作，达到精准灌排水的工作目的。其主要节点流程如图3所示。
从图3中可以看出，农田水利工程自动化节水灌排设备系统软件传感器节点控制流程的核心部分为阀门的开启与关闭。例如，当传感器节点接收到农田土壤含水量数据时，基站可通过控制流程，判断阀门开关状态，再根据农田灌排水的实际需求，自动进行闸门的开关操作，并将改变后的闸门状态再发送到基站中，以此通过自动控制农田闸门，达到自动化节水灌排的工作目的。并且，在自动化设备的正常运行中，技术人员也要时刻关注设备系统的网络状态，保证网络流通顺畅，系统中各个节点的信息数据与指令操作都可顺利上传下达，以此提高农田的生产效率[3]。
农田水利工程自动化节水灌排设备的应用展望
为有效推进农田水利工程自动化节水灌排设备的普及应用，提高农田的生产质量，提升水利工程的工作效率。农田当地政府首先应从加强宣传引导的方向出发，安排专业技术人员对农田水利工程自动化节水灌排设备的应用优势进行详细的宣传引导，使广大农户对自动化的种植技术具备初步了解。宣传方式可采用线上、线下双线并行。线上宣传方式可选用农业微信公众号推送、抖音短视频推广、微博信息投放等；线下宣传方式可选择举办自动化设备使用讲座、分发宣传海报、张贴标语等，并在宣传结束后，从当地农田中选择自动化节水灌排设备的试验农田，由先进农户个体带头，发挥辐射带动作用，让农户们直观看到自动化设备为农田灌水、排水带来的改变，使得农田自动化节水灌排设备能够广泛应用到各地的农田当中。其次，对使用自动化节水灌排设备的农户采取水费与电费上的政策扶持，制定阶梯式的收费方式，电费金额与水费金额和设备的使用频率紧密联系，通过缴费金额的大幅度降低，让广大农户认识到节电节水的重要性，从而提高其他农户对于自动化节水灌排设备的使用热情。最后在农田水利工程自动化节水灌排设备的推广应用中，技术人员需根据各农田所在地的气候条件不同，对农田水利工程自动化节水灌排设备的性能进行实验，通过对设备运行速率、检测精准度的事先调试，确保自动化设备能够满足当地农田灌水、排水的实际需求，以此达到节水节能的最终目的。由此可见，农田水利工程自动化节水灌排设备的应用帮助农户更科学合理地进行农田灌溉与排水措施，实现了自动化管理。在提高耕种效率的同时，做到了以水调肥、以水调温，以此满足水稻正常发育生长所需条件，促进农作物增产增质。
结语
综上所述，农田水利工程自动化节水灌排设备的设计与应用，是实现农业现代化的必经路径。其既可提高农业的生产效率，又可切实节约农业的生产成本。因此，为有效推进农田水利工程自动化节水灌排设备的应用，当地政府应加强政策支持与技术培训，安排专业技术人员对自动化节水灌排设备的应用优势加以引导，并制定合理的应用制度，激发各地农户对自动化设备的使用积极性，进一步推进现代化农业高效发展。
参考文献：
[1]刘斌.农业节水灌溉系统中的计算机控制技术的应用——评《节水灌溉自动化控制技术管理方法》[J].灌溉排水学报,2022,41(7):147.
[2]杨叶娟.农业节水灌溉自动化技术的应用[J].南方农机,2022, 53(13):99-101.
[3]封安全. 简析农田水利工程的高效节水灌溉技术应用[J]. 水电水利, 2021, 5(7):75-76.
作者单位：河北供水有限责任公司；沧州市水利科学研究所
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