近日，由中國水利教育協(xié)會和教育部等主辦的2015年第四屆全國大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽正式舉行。本次大賽以“高效用水”為主題，來自全國69所高校的900余名師生參加了角逐。揚(yáng)州大學(xué)水能學(xué)院的學(xué)生在和清華大學(xué)同組競技中，憑借過硬的創(chuàng)新技術(shù)，一起進(jìn)入決賽，他們設(shè)計(jì)的“太陽能智能滴灌機(jī)器人”最終獲得優(yōu)勝獎。
據(jù)了解，這種機(jī)器人的能源由太陽能供給，能自動監(jiān)測土壤含水率，并根據(jù)旱情自動鋪設(shè)和回收滴灌帶，給北方干旱地區(qū)的灌溉帶來了福音。
為何要設(shè)計(jì)?
干旱地區(qū)滴灌方式存在諸多缺陷
暑假期間，揚(yáng)州大學(xué)水能學(xué)院大三學(xué)生龔志浩和同學(xué)們沒有閑著，他們在帶隊(duì)老師楊小令的指導(dǎo)下，進(jìn)行“太陽能智能滴灌機(jī)器人”的研究。
什么是滴灌機(jī)器人?作為這個項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一，龔志浩告訴記者，滴灌是目前干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，具有無水損失，無地面徑流損失，深層滲漏損失小，田間蒸發(fā)損失低的特點(diǎn)，水的利用率可達(dá)95%，在干旱地區(qū)，對作物的生長極其有利。
“然而滴灌的灌溉方式，還有不少缺點(diǎn)，”龔志浩介紹，可以將滴灌系統(tǒng)分成三類：地面固定式、地下固定式、移動式。地面固定式系統(tǒng)安裝、維護(hù)方便，也便于檢查土壤濕潤和測量滴頭流量變化的情況，但是毛管和灌水器易損壞和老化，對田間耕作也有影響。地下固定式系統(tǒng)延長了設(shè)備的使用壽命，但是不能檢查土壤濕潤和測量滴頭流量變化的情況，發(fā)生問題維修也很困難。移動式滴灌系統(tǒng)特別適用于半干旱地區(qū)少遇大旱的抗旱救災(zāi)中，但需要隨時監(jiān)測土壤含水率，鋪設(shè)和回收滴灌帶，人力資源耗費(fèi)巨大，所花時間極長，難以普及。
“此時，研究一種能自動監(jiān)測土壤含水率，并根據(jù)旱情自動鋪設(shè)和回收滴灌帶的智能機(jī)器人已成為農(nóng)業(yè)水利工程的急迫任務(wù)。”龔志浩告訴記者，這項(xiàng)研究，他們從4月份就開始進(jìn)行調(diào)研構(gòu)思，“太陽能智能滴灌機(jī)器人”的實(shí)物制造也是在暑假期間剛剛制成。
有何功用?
人們遠(yuǎn)程遙控便可進(jìn)行灌溉
在現(xiàn)場，記者看到，這款“太陽能智能滴灌機(jī)器人”從外形上來看，更像是一棵圣誕樹，主干上掛著各式裝置。龔志浩介紹，不要小看這個機(jī)器人，雖然占地面積不多，卻有多個裝置，包括滴灌部分、運(yùn)載部分、供能部分、氣象儀、含水率監(jiān)測裝置、攝像頭、避障裝置等。
“太陽能智能滴灌機(jī)器人”在設(shè)計(jì)時，有一個很大的功能，就是當(dāng)土壤有效水含量小于計(jì)算出的作物需水量時，機(jī)器人就緊急出動，自動鋪設(shè)滴灌帶進(jìn)行滴灌，并在滴灌完成后能自動回收滴灌帶。“這個設(shè)計(jì)，在前期調(diào)研時，我們想了很多辦法解決滴灌帶防摩擦問題，最終還是從錄音機(jī)的芯片上獲得了啟發(fā)。”龔志浩說道，滴灌部分采用皮帶輪式的連接方式，運(yùn)用收音機(jī)收放磁帶的原理，免去了滴灌帶鋪設(shè)與回收時和地面的磨損。
既然是智能型機(jī)器人，那么，這款滴灌機(jī)器人包含了哪些原本需要人工做的工作?“你看這主干上裝有多個設(shè)備，不要小看它們，它們做了很多人工的工作。”龔志浩告訴記者，氣象儀可以監(jiān)測田間小氣候，包括近地面處的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓以及降雨量，從而計(jì)算作物需水量。含水率監(jiān)測裝置采用電阻式土壤含水率傳感器，可以較快捷地檢測出土壤含水率。
“人們需要做的，就是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，”龔志浩說，在這款機(jī)器人中，他們在底盤前后均安裝有攝像頭，以便鋪設(shè)和回收滴灌帶時可以遠(yuǎn)程控制，并且在避撞裝置采用紅外線避撞傳感器，安裝在底盤四角。當(dāng)小車距離作物根部過近時，紅外傳感器就會發(fā)出信號，提示轉(zhuǎn)向，以免破壞作物。
有何創(chuàng)新?
使用太陽能作為驅(qū)動機(jī)器人的主要動力
“這個機(jī)器使用了太陽能作為驅(qū)動機(jī)器人的主要動力，這就賦予了智能機(jī)器人源源不斷的動力來源。從而保證了該機(jī)器人長時間，大范圍，遠(yuǎn)距離地在田間工作，不用人工再補(bǔ)充能源，可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”
龔志浩介紹，因?yàn)樵摍C(jī)器人可以長時間呆在田間工作，又可以解決現(xiàn)階段難以進(jìn)行的土壤含水率的實(shí)時監(jiān)測問題，也解決了滴灌帶布設(shè)和回收耗費(fèi)大量勞動力的問題，可以保證農(nóng)民干旱之年不減收。當(dāng)旱情解除后，可以及時回收滴灌帶，避免長期日曬老化，延長了使用年限。
“除了綠色環(huán)保外，這款‘太陽能智能滴灌機(jī)器人’還有一個創(chuàng)新點(diǎn)，就是可以進(jìn)行精確灌溉，可以通過監(jiān)測田間小氣候計(jì)算出作物需水量，再根據(jù)土壤實(shí)際含水率便可得出作物所需的灌溉水量，避免了無效灌溉，從而節(jié)約用水。”
“目前，我們的這項(xiàng)裝置已經(jīng)申報了專利，并且會在未來進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，”龔志浩表示，該機(jī)器人特別適合于半干旱耕地的應(yīng)急抗旱保苗工作，在北方玉米、高粱等寬行距作物種植區(qū)應(yīng)用前景非常廣泛。
