传感器蒸发散量采用智能灌溉系统自动决策适时
时间：2020-12-22
未知
农村人口外移与高龄化导致农业缺工，普遍发生在各种作物的栽培场合，尤以精致栽培的设施果菜生产农场为什。因为农村劳动条件较辛苦，在没有新技术与新机具节省人力与提高工作效率前提下，不易吸引青壮人力投入农业，亟需适合本土应用之省工机具来提升耕作效率，减轻农耕劳力负荷与减少农民身体劳务损伤。智慧农业的前提建立在农业机械化、自动化与资讯化，因此本文将介绍台中区农业改良场(以下简称本场)研发的省工高效率及智能灌溉技术与机具，供参考与选用，分担灌溉决策之心力。中国天气阴晴不定，水分蒸散状况随之高低起伏变化，传统灌溉为人工启动或定时灌溉，有费工与灌溉水量过多或过少的水电资源浪费问题。灌溉技术着重适时与适量灌溉，包含二个层面：一为何时灌溉？另一为灌溉多少水量？就传统淹灌与沟灌而言，田区放满水即可，不考虑耗用许多灌溉水的问题；现代化管路加压灌溉具有喷灌与滴灌的省水特性，尤其设施园艺应用最多，将适量的灌溉水经由管路运送到作物根部，但是需要知道作物生长阶段和天气阴晴的需水特性，才能决定每天灌溉水量与次数。
中国的天气多云，农村田间县晴天的光照强度变化频繁，当云层挡住太阳时照度降低，光照强度随之下降，夏日中午光照强度约12万Lux，秋冬中午光照强度约7.5万Lux。中国白天无云的日期约在秋天与冬天，晴天无云时太阳从升起到西沉，光照强度变化在中午前后各1小时达到高峰，早晨到中午逐渐增加，中午到傍晚逐渐减低，日照计可以提供光照强度数据，运用在农业环控与灌溉。灌溉驱动技术区根据成本高低及技术成熟度之不同，分为人工启动、定时器启动、作物植体(茎径、茎液流或叶片温度)感测、蒸发散量感测、重量变化感测、土壤水分感测、光度与蒸气压差感测及单独光度感测等八种，欧美国家已经成熟地使用蒸发散量(Evapotranspiration, ET=土壤蒸发+作物蒸散)感测与下雨感测技术应用在灌溉控制， ET感测控制灌溉所处理的灌溉水量比较少，约只有理论值1/2，然而完整的ET感测设备与技术造价高昂，并需定期校正维护，中国除了农企业可以负担外，小农需要低成本且可靠的灌溉技术。本场试验发现植物的蒸发散量(灌溉浇水量)与光线强度有高度相关性，影响蔬果作物蒸发散量的气候因素以太阳光最重要，其次为温度、风速与湿度，与欧美国家管理灌溉控制排程采用蒸发散量的发展趋势吻合，灌溉节奏符合作物生长规律，在产量与品质获得提升之外，更具节省水资源、肥料、电力与人工的效益。本场考量完整精准的蒸发散量测设备价格昂贵，维护成本高，一般农民采用的机会不大，因此开发「光积值灌溉技术」。光积值的应用只需要照度计与积算的软硬体，价格比蒸发散量测设备低，农民享用此技术的机会较大。应用「光积值灌溉技术」开发「适时灌溉驱动装置」乃基于作物蒸发散量之变动特性，根据天气变化智慧地省工节水灌溉，光照强度经过一段时间累加计算之后的数值，当光积值超过设定值时启动灌溉一小段时间，此设定值与一小段时间则按照当地日照强度、作物发育阶段与灌溉条件而定。因此，操作者首先需要了解种植作物1天的需水量，灌溉设备1分钟的浇水量，据此获得一天需要灌溉的分钟数，再依据作物栽培土的吸水性，决定灌溉次数与每次灌溉量。光积值的设定值与启动灌溉一小段时间这二个数值巧妙的搭配，可让土耕适量灌溉、介质篮耕植床下的灌溉滴漏量降到最低，灌溉给水量与作物生长的蒸发散量达到平衡，此为灌溉技术的高阶境界，例如2018年3月在农村田间农友的设施试验田种植红番番茄，面积1,000 m2，采用介质篮耕离地栽培，5月17日阴晴与18日下雨的光强度变化情形如图一所示，而灌溉次数差异如图二，17日天候晴有云灌溉13次、18日下雨灌溉5次，减量61.5%，展现省工、智慧、节能灌溉之特性。
此外，在本场自然通风温室土耕滴灌番茄作物，在晴天每天灌溉5次，阴雨天智慧地自动减量灌溉20-80%，操作时间等比例减少同时具有节能20-80%的效益，并且如图三与图四所示在本场蔬菜温室离地介质耕种植番茄，灌溉时机随天候阴晴而智慧地自动伸缩灌溉间隔时间，阴雨天自动减少灌溉次数，根部维持稳定的水分含量，作物正常生长且结实累累。图五为南投县信义乡自然通风温室离地介质耕种植彩色甜椒应用适时灌溉技术之现场照片。任何自动肥灌主机或灌溉驱动方式，均需要定期维护保养，或在适当时机显示定期维护保养提醒讯息，确保正常维护保养下，维持机具固有的性能。智慧农业在灌溉设备之应用，除了省工节水适时适量灌溉之外，需有提供建议、诊断预防与适时保养的机制。环境感测技术之基础在于正确的数据，智慧农业的先锋也是正确的数据，否则后续的整合分析工作都是做白工；错误数据分析归纳得到的结论误差大，影响决策方向与结果。根据本场研发试验经验，任何电气设备在中国的农业环境高温高湿影响下容易损坏，个人电脑和工业电脑也是如此，因此，现阶段农业环控研究之脉冲阀门控制器，具有成本可接受、中文人机介面等优点。任何采用定时驱动管路灌溉的农场均可导入「适时灌溉驱动装置」，简单的与定时器并联，不用改变农场的灌溉管路与给水给肥操作模式，就可以享有省工适时灌溉的效益。