智慧化田间综合管理系统设计及其在石棉县蟹螺乡的应用
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摘要传统田间综合管理主要依靠人工完成，存在劳动强度大、管理成本高、作业效率低等问题。针对传统田间管理存在的问题，将气动控制与智慧灌溉云平台、信息采集设备、水肥一体化管理设备、外挂扩展设备和移动APP等多种技术相结合，设计了一种智慧化田间综合管理系统。该系统由气动控制提供动力，结合田间管理的修枝、除草、松土、施肥、灌溉等工艺，运用互联网、大数据、云计算、物联网等现代技术，能够实现对田间的适时、按需管理。本文介绍了该系统的设计原理及其在石棉县蟹螺乡的应用，并分析了其应用效益，以期推动该系统的推广应用，达到提高园区管理水平、节本增效的目的。
关键词 气动控制;智慧灌溉;综合管理系统;四川石棉;蟹螺乡
中图分类号 S126
文献标识码 A
文章编号 1007-5739（2019）07-0158-02
近年来，随着乡村振兴政策的落实以及社会经济的不断发展，农村人员结构、产业结构、运行模式正在发生深刻的变革。在农业产业化进程中，依靠传统人力操作、手动控制管理大面积果园的方式已经不能满足生产要求，应用自动化、智能化、智慧化的田间综合管理系统是现代农业发展的趋势。
随着农业机械化的发展，气动控制因具有效率高、成本低等优点越来越多地被应用到果树修剪机松土机除草机等多种农业机械上。据调查，采用气动控制的农业机械能大幅减轻劳动强度降低人工作业成本、提高作业效率和作业质量，能有效提升农业生产的综合机械化水平。
目前，气动控制在农业机械上的应用大多为单个机械配备独立气动控制系统，极大降低了气动控制系统的利用效率。针对以上问题，本文以石棉县蟹螺乡田间综合管理工程为例，设计了一种具有常规田间气动综合管理功能且具备智慧化灌溉施肥、给药优势的新系统，以期为智慧化田间综合管理提供借鉴。
1设计原理
本系统将气动控制与智慧灌溉系统相结合，形成一套智慧化田间综合管理系统。田间综合管理系统主要包括气动控制系统、智慧灌溉云平台、信息采集设备、水肥一体化管理设备、外挂扩展设备和移动APP、灌溉设备、修枝设备、除草设备和松土设备等。
1.1气动控制系统
气动控制系统由空气压力机、压力调节系统、不锈钢气压阀和高压管路系统构成，其压力调节系统能够实现本地或远程启停以及切换压力等级等;不锈钢气压阀采用304不锈钢材料，主要实现田间作业时的气压启闭及各设备的快速拆装等.空气压力机的主要参数为额定功率15kW、额定转速760r/min排气量1500L/min、压力0.6～2.5MPa、容积100L。
1.2工作原理
在气动控制系统中，空气压缩机作为气动发生装置，将原动机供给的机械能转化为气体的压力能[5-）;气动执行元件则将压力能转化为机械能完成规定动作;在这2个部分之间，根据机械或设备工作循环运动的需求，按一定顺序将各种控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动辅件连接起来。在作业过程中整个系统由空气压力机提供动力，通过压力调节系统将气压设置为0.8MPa和2.0MPa两档，根据不同气压设备自动切换，再将不同压力的空气通过田间管网输送至不锈钢气压阀，以实现田间综合管理系统的修枝、松土除草等功能。
2气动控制智慧化田间综合管理系统在蟹螺乡的应用2.1应用园区基本情况
石棉县蟹螺乡田间综合管理工程项目区面积33.33hm2，园区主要作物为脆红李、樱桃核桃等果树，果树行距为4m、株距为3m，大部分果树正处于挂果年到丰产年时期，且园区土地已完成流转，地块较标准、种植较规律，比较适合田间综合管理系统的示范应用。
2.2项目详细应用方案
该园区安装有灌溉设备，其水源为高位水池，水量补充有保障;灌溉形式采用滴灌，每株树周围设置1个四爪滴箭，流量20L/h，每条专用滴灌管长度不超过80m，灌溉过程中要根据实际需求采用调压阀进行压力调节，基于气动控制的田间综合管理系统通过气动装置控制阀门动作调节压力，进而实现对灌溉设备的控制。田间果树修枝采用气动修枝剪进行，工作压力0.8MPa，最大剪切能力（口径）30mm，空气消耗量0.1L/次。松土采用柱形气压劈裂松土，工作时将钻杆钻入土壤层内，将压缩气体通人钻杆的通道再从可更换喷气孔喷出，使土壤产生气压劈裂现象，完成松土作业;松土的同时兼具向土壤层内输送物料的功能，工作压力为2.0MPa。采用金属除草盘配合塑料除草头，对田间杂草进行有效清除，工作压力为0.8MPa。
本项目控制系统架构可分为3层：感知层、网络层和应用層。感知层由各种传感器构成，包括土壤温湿度传感器、小型气象站、无线摄像头等感知终端。感知层是控制系统识别物体、采集信息的来源，用于测量项目区空气温湿度、风速等气象参数，为智慧灌溉云平台提供开启或关闭灌溉系统的判断依据。网络层由互联网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个控制系统的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是控制系统与用户的接口，与智能灌溉需求结合，实现控制系统的智能控制，包括泵站无线远程控制变频柜、施肥系统控制柜.空气压力机软起动控制柜、电磁阀户外控制箱和农业智慧灌溉管理系统。
3应用效益分析
相比传统的修枝、除草、松土、施肥、节水灌溉等，气动控制系统的应用在很大程度上降低了作业强度，有效提高了作业效率和作业质量。据统计，与传统田间管理相比，采用基于气动控制的田间综合管理系统对田园进行管理可节省劳动力70%，且作业效率可以提高40%以上。如传统的果树修枝需要22.5工日/hm2，采用田间综合管理系统后仅仅需要6.75工日/hm2，且树枝切口平整度更好，基本无破裂撕裂等情况，极大降低了修剪对树枝的破坏。项目区作物平均较工程应用前增产2250kg/（hm2.年），共可增产75t，按当前市场价折合人民币约100万元。此外，应用智慧化田间综合管理系统对田园进行管理，灌溉等相应的工艺更加精准，如水肥药一体化技术可减少水分的渗漏和蒸发，提高水分利用率，促进农业向节水节肥、高产优质方向发展。
4结语
智慧化田间综合管理系统，是将气动系统与智慧灌溉云平台、信息采集设备、水肥一体化管理设备外挂扩展设备和移动APP等结合起来，实现对修枝除草、松土、施肥、节水灌溉等环节的综合管理。在石棉县蟹螺乡田间综合管理项目中，应用该系统，提高了园区管理水平，节省了劳动力，节约了成本，增加了农民收人，有效解决了农业灌溉用水不足的问题，提高了灌溉水利用率和灌溉用水保证率，社会经济效益显著。
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