淮安市科技计划项目申报书(农业)

淮安市科技计划项目申报书

( 科技支撑计划--农业部分 )

项目名称： 基于AVR单片机温室蔬菜大棚智能滴灌系统 承担单位： 淮安信息职业技术学院 所在地区： 单位地址： 邮编： 项目负责人： 电话：

主管部门：

填报日期： 年 月 日

淮安市科学技术局 二○○九年制

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一、立项依据

1、本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势；

水是维持一切生命活动不可替代的物质。水资源是地球上最重要的自然资源之一，不仅是人类赖以生存的必要条件，也是人类发展工农业和从事一切生产活动所不可缺少的因素，因此，水既是农业的命脉，对于工业生产和城市建设、国民经济的发展也有极为重要的意义。

我国可利用的水资源年均总量约为2.8万亿立方，位于世界第6位，而人均占有量仅为世界人均占有量的25%，单位耕地平均水量约为世界平均水量的75%，都低于世界平均水平。

中国是一个农业大国，在年均可利用的水资源总量中，农业用水占73%，主要用于灌溉，但同时中国也是一个水资源不足、旱涝灾害频繁的国家，水危机对中国的影响极为严峻。中国农业对灌溉的依赖性极强，全国2/3以上的耕地分布在降水量小于1000毫米的常年灌溉带和不稳定灌溉带，灌溉为7.2亿亩、耕地灌溉比例己达50.7%，这在世界大国中均居于首位。

“短缺”与“浪费”并存是我国农业水危机的重要特征:一方面是农业供水因水资源短缺而难以增加，同时工业和城市的发展将进一步削减己经明显不足的农业灌溉用水，农业缺水问题日益突出，不仅灌溉面积难以扩大，而且现有的灌溉面积也难以稳定;另一方面是农业水资源浪费严重，水分利用效率低，平均0.4左右。而水利技术先进的国家，灌溉水利用率一般可高达0.8~0.9。因此，发展节水高效型农业是我国农业摆脱水危机、实现持续增长的根本出路，也是我国农业摆脱水危机的战略选择。

随着人类科技的不断进步，农业灌溉技术也相应得到很大的发展。人

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们从传统的以明沟输水、地面灌溉的方法，发展了喷灌、地下灌溉和滴灌等现代灌溉技术。采用节水和节能的灌水方法是当今世界灌溉技术发展的总趋势。目前，发达国家的管道灌溉技术应用十分广泛，美国早在20年代就已应用管道输水技术，低压管道灌溉面积已占总灌溉面积的50%;日本已有30%的农田实现了地下管道灌溉，并且管网的自动化、半自动化给水控制设备也较完善;以色列、英国、瑞典等国有90%的土地实现了灌溉管道化。 1.1 国内外滴灌技术发展现状

滴灌技术首创于20世纪40年代，70年代在欧美等国广泛应用。目前采用滴灌技术的国家有50多个，其中以以色列、美国、荷兰及欧洲等国家发展迅速，三十多年来经历了从静水压动力系统到定时定量自动化系统，以及操作由繁到简的发展过程。许多国家对此技术应用较为普遍，如严重缺水的以色列已实施了大田的滴灌工程;美国起步较晚，但推广、应用面积数量居世界之首;其他国家如澳大利亚、巴西等也都是滴灌技术进展很快的国家。特别在温室栽培中，滴灌技术尤其广泛。以色列长期致力于开发节水新技术，以解决其水资源短缺问题。其北部年降水量为00~800mm;中部地区的年降水量在400~600mm之间;南部地区的降水量仅为25mm。水资源的自然枯竭迫使以色列最大限度地采用节水灌溉方法。世界上微灌技术的发展最有代表性的国家首推以色列，其温室种植全部采用微灌，以滴灌为主。以色列温室滴灌的最高水利用率为95%，用这种方法灌溉的独特之处在于水分可以在土壤中均匀扩散，减少了水分的蒸发和渗漏。以色列的滴灌面积己占耕地面积70%以上。

美国是目前世界上微灌面积推广最多的国家，滴灌面积已占总灌溉面

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积的4.20k，约为95万公顷。澳大利亚是世界上推广微灌面积最多的国家之一。比利时、日本、法国、英国等国的滴灌技术也发展很快。

我国滴灌技术发展是从1974年开始的，当时试点仅3个，面积约5.3公顷，但试验都取得了显著增产和省水效果。20世纪80年代初期，滴灌技术己广泛应用在温室、大棚等蔬菜保护地和山区果园中，促进了该领域生产的发展。到20世纪90年代末，全国推广面积己达8亿亩。在我国北方的保护地生产中，滴灌己成为作物增产的重要技术环节。近年来，江苏、浙江、广东等省也大力发展节水灌溉，开展滴灌技术。 1.2 国内外自动滴灌系统发展现状

在节水灌溉方面，以色列是世界上微灌技术的发展比较先进的国家之一，其温室种植全部采用微灌，以滴灌为主。他们对农作物的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，办公室里的中心计算机对田间的控制器进行通讯，即可方便地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80%一90%。

我国从开始的大水漫灌，发展到定额灌溉，再演进到节水灌溉(其中包括充分灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉、控制性分根交替灌溉等)，对大田作物需水规律及节水灌溉的研究已趋于成熟，但在露地蔬菜，设施蔬菜等方面却研究较少，缺乏成熟的认识，目前设施蔬菜生产中水、肥管理基本仍处于经验阶段，缺乏科学量化指标，对于大棚蔬菜栽培而言，传统灌水方式是沟畦灌，水的利用率只有40%。

我国现有温室大棚绝大多数采用传统的灌溉的模式，尤其在微灌设备产品的开发利用上相差甚远。近些年来，改进和研制了一些新的滴灌设备，

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制定了滴灌滴头和滴灌管的技术标准和技术规范。进入20世纪90年代，国家对农业节水灌溉更加重视，投入相对增加。各地纷纷建立了设施农业的示范点，促进了滴灌和微灌节水技术在我国的应用，并且引进了以色列、美国、法国、韩国等国的部分先进技术和设备，国内温室大棚微灌有了较大的发展。但国内温室灌溉设备，在主要材质、技术精度和工艺水平上比较落后，整个系统配套性差，自动控制灌溉系统未有成型产品，基本用手 动阀控制。现在市场上能批量使用的滴灌管主要是引进以色列等国外技术和设备生产，生产的产品价格高，很大程度上了设施农业先进灌溉技术的推广。

1.3 国内外滴灌技术发展趋势

目前，国外滴灌先进的国家自动施肥系统应用己经非常广泛，施肥器受计算机或小控制器控制，已能实现精确施肥。以往的许多研究结果表明，影响作物产量的诸多因素中，水和肥适时适宜的施用起着十分关键的作用。如何根据作物不同生育阶段的需水需肥要求及当时的土壤水分和养分状况，采用滴灌方式，将水肥同步输送到作物的根部，提高作物对水肥的利用率，是目前各国学者都非常关注的研究课题。

在灌条件下土壤中的水肥运移很复杂，目前对滴灌条件下土壤水肥迁移变化规律缺乏清晰的认识和有效的理论分析，因此制定合理的灌溉制度，以及解决施肥与灌水中各项技术要素之间的优化组合方式等问题尚存在一定困难。故对滴灌条件下水分、养分运动的微观机制和宏观变化特征进行必要的基础性研究，为农业生产实践提供必要的理论基础是目前滴灌技术发展的一个重要研究课题。

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2、本项目研究的目的、意义；

研究目的：本项目对淮安地区常见温室大棚蔬菜灌溉规则、滴灌时间、滴灌量及水肥耦合进行研究，设计一个智能滴灌系统提高灌溉水的利用率、节约水资源、降低温室温湿度以及科学施肥，提高作物对肥料的吸收率，减小过量施肥对土壤、地下水等环境的影响。

研究意义：针对我国农业用水资源短缺与灌溉用水浪费严重，水分利用效率低，平均0.4左右的情况。采用滴灌技术的灌溉水利用率一般可高达0.8一0.9。因此，发展节水高效型农业是我国农业摆脱水危机、实现持续增长的根本出路，也是我国农业摆脱水危机的战略选择。

目前采用的温室大棚控制系统多为单因子控制，并不适用，而多因子控制系统往往价格非常昂贵，不具有推广意义。本项目设计的智能滴灌系统具有很好的多因子控制适应性，价格低廉，非常适合农户使用。

此外，一般的滴灌系统比较简单，主要靠人工经验来管理，对于滴灌规则缺乏必要的考虑与研究，往往容易导致土壤盐分积累造成盐害。本项目根据不同作物生产的规律可以智能设定灌溉规则，即节省了人力又避免盐害的发生。此外，本项目还可以对作物的施肥进行科学投放，实现精确施肥，避免了传统农业大量使用氮肥，而产生的地下水的盐污染、土壤和农产品中盐过量累积以及品质下降等一系列环境生态问题。

3、本项目研究现有起点科技水平及已存在的知识产权情况； 滴灌方式经历了由传统的大田漫灌——手动控制大田膜下滴灌——自

动化控制膜下滴灌——智能化控制膜下滴灌的发展过程。滴灌技术自发明到现在，逐渐由手动控制到半自动控制，今后发展的趋势是智能化自动控

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制灌溉。西班牙、以色列、美国等开发的采集土壤水分，判断作物需水状况智能灌溉系统以及管理决策系统已经得到示范应用。我国在该领域也投入了大量资金和人力进行研究，开发适合我国国情的滴灌自动化控制系统和智能决策管理系统。滴灌与覆盖保墒技术相结合将取得更大的节水增产效益。滴灌技术越来越多地与地面覆盖保墒技术结合使用，如我国大田棉花膜下滴灌就是滴灌技术与地膜覆盖技术有机结合，应用面积成为世界之最，实现了节水和保墒双重目标。

天津市水利科学研究所杨万龙等人的温室滴灌施肥智能化控制系统专利，实现了根据作物所需的营养液浓度、酸碱度自动的将高浓度的母液与水进行智能化混合配制、pH、Ec的精量调节和施肥的自动控制与计量的功能；中国水利水电科学研究院于颖多等人的地下滴灌水、肥、药一体化自动控制系统及方法专利，实现了通过传感器获得与农田灌溉有关的多种参数再结合初始化数据,通过灌溉决策软件进行分析计算；最终执行灌溉指令的功能；中国农业机械化科学研究院胡渭等人的一种温室滴灌自动控制系统专利，用测量植株部的传感器、与该传感器及电源连接的控制机构、与该控制机构连接的滴灌控制部及与该滴灌控制部连接用于滴灌的滴箭,滴灌的精度达到0.01升。

4、本项目研究国内外竞争情况及产业化前景。

自20世纪90年代，我国引进了以色列、美国、法国、韩国等国的部分先进技术和设备，国内温室大棚微灌有了较大的发展。但国内温室灌溉设备，在主要材质、技术精度和工艺水平上比较落后，整个系统配套性差，自动控制灌溉系统未有成型产品，基本用手动阀控制。现在市场上能批量

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使用的滴灌管主要是引进以色列等国外技术和设备生产，生产的产品价格高，很大程度上了设施农业先进灌溉技术的推广。

在温室环境控制系统方面，由于价格的因素，常为单因子方法控制，农户适用装置较少；而多因子方法控制由于价格昂贵很难进入普通农户家庭。

我国是一个古老的农业大国，耕地面积有1亿平方公顷。我国还是一个缺水的国家，同时有限的水资源在时空和地域的分布上很不平衡，占国土面积60%以上的北方地区拥有水资源量不足全国总量的20%。因此，开展节水灌溉是我国工农业生产不断持续发展的保证措施，对缓解我国水资源紧缺状况，促进水资源持续利用和改善生态环境有极为重要的意义。发展滴灌技术是节约水资源，保墒养熵，提高农户收入的有效途径，具有社会、经济两个方面的推广价值，极具产业化前景。

二、研究内容

1、具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题；

针对我们目前农业生产中的温室蔬菜大棚控制管理主要依靠人工经验管理，缺乏系统的科学指导。其栽培技术缺乏量化指标，主要靠管理者的经验，科技含量不足，只能被动地实现保温、降温、遮阳和防雨，而不能主动地调节温、光、水、肥、气的情况，提出研究一种利用AVR单片机作为控制器，通过湿度传感器采集土壤湿度，温度传感器采集大棚温度，根据灌水制度，智能自动进行水、肥的滴灌。

其中重点要解决的关键技术问题有： 1) 制定滴灌灌水规则

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为了科学灌溉、施肥，需要对大棚蔬菜生长情况做统计分析：不同种类的大棚蔬菜在不同温度、光照等环境条件下对于灌溉的要求是多样的，而且同种蔬菜在不同生长过程中对于水、肥的要求也是不同的。此外土壤质地也有很大影响。通过实验、查询资料等方法获得数据，进行回归分析获得水（养）分生长模型，进而据此制定滴灌灌水规则。

2) 肥水耦合

水和肥是影响蔬菜产量和品质的两个重要因素。水分不足会降低作物的产量，养分不足既降低作物的产量，又作物对水分的充分吸收利用。适宜的灌水可以促进肥料的转化和作物对肥料的吸收利用，提高肥料的利用率，而适宜的施肥也可以调节水分利用过程，提高水分利用率。需要根据蔬菜的生长规律，结合温室的小气候环境和土壤的理化条件，将滴灌与施肥有机地结合起来，达到节水节肥、增产增收的目的。

2、主要的技术创新之处；

1) 采用AVR单片机控制，通过数字化温度、湿度、光照度传感器获得影响灌溉的多种环境因子数据。根据灌水制度确定的滴灌模型求解，科学进行水、肥的滴灌。 2) 将各影响因子的具体数值代入二元二次正交旋转组合设计方案，经过运算建立水肥耦合回归模型。再进行相关性分析及主成分分析

3、要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益。 三、研究试验方法、技术路线以及工艺流程 四、工作基础和条件

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1、承担单位概况;

2、本项目现有的研究工作基础；

3、项目负责人以往承担市级以上各类科技计划项目完成情况；

4、项目实施具备的人才队伍、经费配套投入能力； 5、本项目实施可能对环境的影响及预防治理方案。 五、项目研究预期成果及效益 六、计划进度安排与考核指标 七、经费概算及来源

1、项目预计总经费 万元，其中向市科技局申请 万元，承担单位自筹 万元。

2、项目经费情况表

项目经费情况表 经费单位：万元

经费投入预算 来 源 申请市拨款 单位自筹 银行贷款 其他来源 预算数 经费支出预算 科目 设备费 材料费 测试化验加工费 燃料动力费 差旅费 会议费 劳务费 管理费 其他 预算数

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合计 合计

八、项目主要研究人员

姓名 单位 性别 年龄 专业 学位 职称 项目中承担工作 九、 承担单位审查及承诺意见、盖章

承担单位 参加单位 （法人签字） （法人签字）

盖章 盖章 年 月 日 年 月 日

十、 区科技主管部门、市有关局审查承诺意见、盖章

是否同意配套支持： 配套支持经费： 万元

（负责人签字）

单位盖章

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年 月 日

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