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智能灌溉:需要了解的12件事情

来源:智能灌溉系统

导读: 目前,世界人口接近75.3亿。最近的一项研究发现,全球平均有33%的人口因某种形式的缺水而遭受痛苦。到2030年,这一数字可能会上升到50%,这清楚地表明缺水问题正在以惊人的速度扩大。有趣的是,世界上 ...

目前,世界人口接近75.3亿。最近的一项研究发现,全球平均有33%的人口因某种形式的缺水而遭受痛苦。到2030年,这一数字可能会上升到50%,这清楚地表明缺水问题正在以惊人的速度扩大。有趣的是,世界上大约70%的取水量用于灌溉,而这正是大部分水资源浪费的地方。大约60%的用于灌溉的水流失了,要么是由于蒸散、地面径流,要么是由于低效、原始的灌水方法导致水的损失。这反过来又揭示了由物联网(IoT)驱动的智能灌溉的重要性,它可以在管理全球不断上升的水资源压力方面发挥重要作用。下面,我们将重点介绍智能灌溉的一些需要了解的事情:

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1、自动化灌溉的需求

智能灌溉是精准农业的关键组成部分。它有助于农民避免水资源浪费,并通过:

a)在正确的时间灌溉,b)尽量减少径流和其他浪费,以及 c)准确地确定土壤湿度水平,从而找到任何地方的灌溉需求量大小,从而改善农户在他们田地上的种植作物质量。用自动阀门和系统取代手动灌溉也消除了人为错误因素(例如,浇水后忘记关闭阀门),有助于节省能源、时间和宝贵的资源。一般来说,智能灌溉系统的安装和配置也相当简单。

2、基于物联网的灌溉系统体系结构

智能微控制器(充当“信息网关”)位于自动化灌溉基础设施的核心。放置在田间的土壤湿度传感器和温度传感器向微控制器发送实时数据。通常,设定好了“湿度/温度范围”,当实测值超出该范围时,微控制器会自动打开水泵,水泵上安装有输水管道。微控制器也有伺服电机端,以确保管道实际上是均匀地浇灌田地,这样就不会有任何地方被堵塞或导致土壤太干旱。整个系统可以由最终用户通过专用的移动应用程序进行管理。智能灌溉使种植者能够远程监控和灌溉他们的田地,而没有任何麻烦。

3、因特网的使用

来自集中网关(这里是微控制器)的信息流必须由稳定的互联网服务支持。无线低功耗网络(如LoRa WAN或Sigfox)可以很容易地用于为传感器供电。这些传感器将现场信息发送到用户的本地计算机或云网络(根据需要)。该系统可以将这些信息与第三方服务(如当地气象频道)的其它输入信息结合起来,做出“智能灌溉决策”。例如,如果预报中有降雨,即使实时数据表明农田需要灌溉,也不会放水灌溉,而会定期进行重新计算。

注:与手动浇灌系统相比,智能灌溉系统在旱季可节水45%,在雨季可节约大约80%的水。

4、成本优势

在自动化灌溉基础设施中,没有浪费资源的可能空间。因此,也可以获得成本效益。通过将传统的灌溉系统替换为完全自动操作的系统,作物因过度(或不足)浇水而死亡的可能性很小,这意味着农民不必担心频繁更换植物。此外,由于智能农业和智能灌溉都是为了更快、更健康的作物生长,所以平均作物周期缩短。这也意味着年产量会有可能增加。物联网驱动的灌溉工具也可用于草坪、花园和景观。

5、使用的传感器类型

有几种类型的传感器用于将数据传送到灌溉多控制器单元。每个单元都专用于捕获和传输特定的数据。第一个单元是土壤水分传感器(SMS),它检测土壤表面的介电常数,以估计表面的体积含水量。该湿度水平与介电常数读数成正比。SMS控制器可以是“按需”(具有启动和终止灌溉会话的能力)或“旁路”(允许灌溉会话在预先指定的阈值范围内)。下一个是温度传感器,它通常使用先进的电阻温度探测器组件(RTD)来精确跟踪土壤温度水平。这些“继电器”系统负责在任何时候根据精确的土壤温度要求打开或关闭泵。

注:与传统的定时洒水系统相比,土壤湿度传感器提供的田间灌溉效率更高。保证不存在过度喷洒或过度浇水的风险。

6、综结气候参数

虽然智能土壤湿度传感器有许多优点,但它们不会以任何方式考虑与天气相关的因素,这仍然是它的一个局限性。由于蒸腾作用,大量的水分流失(ET;通过蒸腾作用从植物叶片和土壤中损失的总水分)。因此,作物种植者更理想的灌溉思路应该是超过SMS控制器的使用,开始使用“更智能”的蒸腾量控制器或基于天气的灌溉控制器(WBIC)。这些天气传感器和实时的天气传感器一起接收实时更新。WBIC 还可以处理历史天气信息和/或从卫星接收的数据。从植物类型和土壤性质,到地面坡度和可利用的日照量,特定作物田的其它独特特征也全都考虑在内。这更精准确定一个地方,在任何特定时间点所需的确切作物需水量。

7、LED灯的作用

一个以微控制器为核心的智能灌溉装置会有预先测试过的LED灯泡。当现场传感器报告湿度水平已降至建议/阈值水平以下时,灯泡会发光,表示必须启动灌溉事件(即,必须打开洒水器阀门)。LED灯也是“水箱溢流控制模型”的重要组成部分,该模型使用强大的超声波传感器。只要水泵电机在运行,水箱中的水位低于临界水位,灯泡就会发光。本质上,LED灯是一种方便的警示工具,可以随时指示水泵和洒水车的状态。SMS 或超声波传感器的读数可以显示在移动应用程序上,方便农民使用。

注:用户可以在液晶屏上看到水箱的水位或土壤湿度。

8、传感器的布置

使用网关、水泵和其他工具来帮助灌溉是很好的思路,但是,除非传感器正确地放置在田间,否则智能灌溉网络所做的“决定”很可能是错误的。专家建议,在任何时候,都要将气象传感器放置在离地面 5英尺高的地方,并确保传感器远离地面。为了获得最佳效果,传感器应选择性地放置在能接收最大阳光的区域和植物根部区域内(深度为 0~3”)。土壤湿度传感器必须覆盖土壤,但周围的土压力也不应过高。

9、智能喷灌的兴起

改用智能灌溉制度的最大优势之一是可以节省大量的水。这些节省可以增加约20%,通过抛弃过时的喷灌系统和使用的喷嘴,可以通过旋转水流在多个轨道喷洒。这些“更智能的洒水器”在确保水均匀分配到田地的所有部分(或特定区域)方面有很大的帮助,并且对天气条件(风速、雾等)的变化提供了更大的抵抗力。这些旋转喷头释放的水主要被土壤浸透,从而最大限度地减少径流和其他形式的浪费。

注:雨量传感器也已经在不同国家的作物种植者中得到广泛接受。这些传感器兼作“关闭装置”,在暴雨时(以及之后)发送信号停止自动喷水装置。

10、更及时的故障检测和维修

传统灌溉系统(水箱、水库等)的小泄漏和裂缝会导致相当大的损失,加剧已经日益严重的全球水危机。更重要的是,手动检测这些问题的泄露根源通常很困难,而且可能是一件耗时的事情。安装智能灌溉工具是一个很好的方法来解决问题。有了物联网的支持,这些控制器可以实时检测到任何灌溉单元中存在的问题,这反过来又使用户很容易立即进行必要的维修。从本质上讲,互联网灌溉系统可以“监控”水箱、水泵和其他装置的状况,而用户无需一直呆在电脑前。

11、成本因素

虽然在农田上实施智能灌溉解决方案需要一些投资,但传感器的成本远没有过高。平均来说,一个土壤湿度传感器的价格在150美元到160美元之间,而更先进的WBIC的价格在300美元左右。顺便说一句,旋转式洒水器是在斜坡上灌溉的理想选择,其单价约为6美元或7美元。大型制造商还提供传感器和洒水装置的特别折扣。考虑到升级为智能植物灌溉系统的潜在好处,成本相对合理。

注:SoCal WaterSmart是灌溉控制器系统的领先制造商之一。对于技术水平最低的农作物种植者来说,像CropX这样的物联网灌溉设备,可以减少水资源浪费,有助于提高产量,是非常理想的。

12、挑战

近年来,物联网在农业中的应用大大增加。即便如此,“智能灌溉”的概念还是一个相对较新的概念。现有的智能灌溉控制器大多具有许多复杂的特性和功能。虽然它们非常适合大规模的商业用途,例如在高尔夫球场上,但对于小农场主和独立园丁来说,它们太过精致了。需要提高个人对这些智能灌溉系统的认识和熟悉程度,特别是因为用户输入数据的知识(例如,作物类型、土壤、地表坡度等)对这些系统的性能至关重要。此外,还必须记住,“智能系统”中的错误率远低于传统设置。但是机械故障或网络故障可能会造成严重后果。

有很多事情可以说是有利于智能灌溉系统。首先,它们有助于水的最佳利用,确保植物的均匀浇水。在高端传感器的帮助下,他们还可以考虑气候参数,使灌溉程序更有效。在水资源浪费大大降低的同时,也减少了对体力劳动的需求,这将大大节省开支。凭借智能的“灌溉决策”能力,先进的物联网支持的智能灌溉控制器正在改变农业的面貌。该领域正在迅速发展,在可预见的未来,追逐这一领域的进一步发展将是很有意思的。

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