作者：Jody Muelaner， Lisa Eitel

　　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组件取代了传统的灌溉计时器和液压调节器，这些组件适用于工业应用，包括采用可编程逻辑控制器 (PLC)、工业 PC 的系统，以及能够连接和利用常见工业通信协议的日益经济的自动化组件。这些控制器和组件可以接受来自土壤湿度传感器、气象站和冻结传感器等来源的输入，以实时提示自适应数字农业响应。

　　更重要的是，这些复杂的灌溉控制系统现在变得越来越实惠......即使使用数据来优化灌溉也变得越来越智能。

　　图 1：地面维护和农业种植设备公司 Toro 销售利用 4G/Wi-Fi/LoRa/蓝牙连接的 Tempus Automation 农业灌溉系统。基站允许种植者控制长达 1.6 公里气泡内的阀门和监测设备。可以轻松添加基站以扩展范围;所有这些都可以是太阳能供电或硬连线的。(图片来源： 托罗公司)

　　随着气候变暖、地区变得更加干旱、人口增加和含水层枯竭，节水越来越重要。事实上，水可能很快成为主要的关键资源，在21世纪将比石油更具地缘政治重要性，甚至可能引发未来的战争。与水有关的问题在中东已经由来已久。自文明诞生以来，这个地区变得越来越干旱，现在支持 仅占世界淡水的1%，就占世界人口的5%.

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

　　从商业角度来看，水资源短缺反映在食品和农产品价格上涨上，包括 水价上涨速度快于能源 在过去的十年中。需要明确的是，对于大规模商业运营和初创农业运营来说，最大限度地减少用水量同时最大限度地提高作物产量变得至关重要。

　　可控的灌溉和生长机制

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

　　图3： T3000 系列 二氧化碳传感器具有IP67外壳，可承受室内垂直农业操作中的湿气，污垢和肥料暴露。他们的反馈可以为自动化水培灌溉和施肥程序提供信息。(图片来源： 安费诺·特莱尔)

　　种植园作物的灌溉可以得到非常严格的控制;在没有室外环境变化的情况下，最佳的光、水、施肥和土壤成分可以始终保持在公差范围内。灌溉始终基于泵占用的水库和基于托盘的灌溉回路......几乎没有水因蒸发而损失，也没有因径流而损失。针对特定作物的软件选项比比皆是;这些计划结合了有关植物物种生长周期和首选生长参数的行业知识。

　　图 4：AN IP67 外壳使 威尔灯 特别适用于室内数字农业应用。(图片来源： 魏德米勒)

　　对于传统的户外农业，洒水器是使用最广泛的灌溉设备，其设计范围从小型草坪洒水器(类似于房主在草坪上使用的喷头)到由电动机或柴油泵驱动的高压工业洒水器。后者包括大型线性移动系统，能够通过其大型洒水阵列灌溉绵延数公顷的空地。

　　在大规模操作的自动灌溉系统中常见的另一种设计是 冲击式喷头.这些的简化变体也作为消费者草坪灌溉产品出售。简而言之，冲击式喷头由一个头部组件组成，该组件将水射流送过机械臂。这些水被手臂反复撞击并散落在正在种植的作物上。由此产生的压力和机械臂的运动将头部推到枢轴周围，这反过来又导致洒水器扫过圆圈或部分弧形。

　　农作物自动浇水的最后一种选择是滴灌。无论是基于所谓的泄漏管阵列还是微喷头阵列，滴灌都可以通过将水更直接地输送到植物的根部区域来减少用水量(尤其是蒸发损失的水)。

　　有关中心支轴式和线性移动农业灌溉的更多信息

　　中心支轴式灌溉是对喷灌作物浇水的高级改编。这是灌溉大型开放田地的最有效方法之一，行业典型的系统能够在高达50公顷(125英亩)左右的区域内覆盖400米半径。中心枢轴式灌溉系统通过围绕固定枢轴旋转灌溉管(带有许多喷头)来灌溉圆形或部分弧形。管道由多个塔承载，这些塔通过动力轮沿地面移动。

　　图5： 定时控制 与中心枢轴式灌溉系统一起使用，以控制基本的用水时间表。此外，暗流监测器通常监视中心枢轴灌溉系统塔上的三相系统的一条腿。这种欠流监测器可检测停滞或堵塞的塔，以防止过度浇水。(图片来源： 利特尔保险丝)

　　在塔之间，水管由桁架支撑，桁架使用电缆作为张紧构件 - 非常类似于悬索桥的支撑。最初的中心枢轴式灌溉系统开发于 1940 年代，使用水流来驱动车轮。今天，这种设备依靠电动机转动车轮进行推进的情况要普遍得多。这些车轮的速度可能非常慢，因为系统控制可能需要几天时间才能通过一整圈来指挥车轮。

　　图 6：AgSense 软件(可通过移动设备和笔记本电脑作为应用程序访问)利用 GPS 和反馈技术帮助农民跟踪灌溉泵和辅助组件;流量和压力状态;土壤湿度水平;天气状况;储罐液位(如适用);以及盗窃的证据。作为自动枢轴式灌溉系统(但也与线性机器兼容)的领先选项，该产品提供实时信息和警报，甚至允许管理液压和电动枢轴的混合车队。从本质上讲，该软件支持数字面板功能，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： 瓦尔蒙特工业公司)

　　枢轴式灌溉系统是大型且令人惊讶的复杂机器，带来了自己的区域控制挑战。塔不会一致移动，而是单独停止和启动以保持管道的大致对齐。管道以及支撑它的桁架具有相当大的灵活性，以适应塔楼的不均匀运动和地面的自然起伏。

　　在枢轴式灌溉系统上，塔部分是单独控制的。传统上，这是通过简单的机制和限位开关来实现的。通过监控连接到下一部分的杠杆的位置，每个部分都可以轻松感知其相对于下一部分的角度。然后，简单的限位开关可以根据下一个塔段的相对角位置启动、停止和反转车轮。这种方法适用于使用液压动力轮进行简单的液压控制。

　　最外层中心枢轴塔末端的喷枪可以将灌溉区域扩展到物理结构之外。如果这连续运行，该区域仍将是圆形的。但是，通过控制喷枪，可以使用中心枢轴灌溉系统灌溉近似方形的区域。

　　(视频来源：UNL生物系统工程)

　　同样采用喷头，线性移动灌溉系统类似于中心枢轴系统。但是，塔部分不会围绕固定枢轴以弧形驱动。相反，它们在一条直线上来回移动。这意味着线性移动灌溉系统覆盖矩形区域而不是圆形区域。这种覆盖区域可以更好地适应现有的现场系统，并提供更完整的土地覆盖。然而，这也使得对从动塔的控制以及对供水的控制更具挑战性。

　　图 7：这是一种线性移动灌溉设计。采用这种机械设备的自动化系统解决了困难的室外灌溉挑战。(图片来源：盖蒂图片社)

　　在某些设计中，水由沿灌溉区域边缘的开放通道或通过柔性软管(以替代布置)供应。需要注意的是，这种线性移动灌溉系统的塔必须表现出协调的速度，以保持管道合理笔直 - 并且塔必须一起转向，以便系统在田地上不断向前和向后移动而不会偏离轨道。为了满足这些要求，一些塔被编程为遵循埋地电缆。

　　农业灌溉控制器

　　最简单的灌溉控制器只是计时器，允许水在预设时间自由流动。这样 计时器也出现在消费级草坪洒水器中.

　　更复杂的是工业灌溉控制器。这些传统上采用液压控制系统的形式......并且通常与中心枢轴式灌溉器配对。

　　如今，许多更先进的工业灌溉控制都使用标准PLC。除了控制大型灌溉器的运动(例如基于线性移动灌溉设备的灌溉设备)外，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。一些这样的系统现在很容易进入非常小的农业操作(在水果行业以及室内智能农业行业)，使用控制器，如 Arduino 自动浇灌植物 和温室。

　　图 8：NETBEAT NetMCU 是集成商业级灌溉控制器的一个例子，事实上，这款加固型产品执行了一系列施肥、施肥、作物建模和预测任务，以实现完整的数字农业解决方案。(图片来源： 耐特菲姆)

　　自动灌溉控制器可以测量流速，以确保输送测量量的水量，而不是在某个预设时间内输送任意量的水量。通过为给定的土壤区域提供已知数量的水，可以在不浪费水的情况下实现理想的生长条件。流量控制还允许检测堵塞和泄漏，在发生重大作物损害或水分损失之前提醒操作员注意问题。 使用物联网协议，现代控制器 甚至可以在发生此类事件时向操作员的手机发送警报。

　　图 9：RevPi 自动控制和 I/O 组件围绕单板 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 小型机的计算模块变体构建。最新的RevPi变体可容纳对某些作物灌溉控制方法有用的模拟信号。(图片来源： 昆布斯)

　　一些农民的另一个前沿选择是 蒸散 或 ET 控制器。这些根据土壤与水的平衡原则估算需水量。

　　水平衡是通过农业水文学研究的，但最基本的是，流入水量必须等于流出量加上储量变化。流出由溪流(径流)和蒸散作用组成，蒸散作用是指水通过蒸发和蒸腾作用通过植被向大气中的流动。

　　ET控制器需要有关流入量(灌溉流量和降雨量)以及影响蒸散的环境参数(如温度，湿度和太阳辐照度)的实时数据。需要通过ET控制器(通常是经过调整的自动化控制器)严格控制的关键参数包括作物系数和土壤的持水能力。农作物系数决定了蒸腾速率与天气条件和水的可用性有关。ET 控制器可以 减少高达 63% 的用水量 — 这是许多其他方法无法比拟的惊人节省。

　　结论

　　为当今的大型工业化农民提供复杂的灌溉解决方案。事实上，自动化技术也为小农户以及专门从事蔬菜和娇嫩作物的食品生产商提供了足够实惠的先进灌溉方法，利润率较低。