進階農業灌溉技術解決缺水問題

過去十年，農業灌溉控制變得日益複雜。如今，許多種植者捨棄傳統的灌溉計時器和液壓調節器，改用改良自工業應用的進階控制與連線元件，包括採用可編程邏輯控制器 (PLC) 的系統、工業電腦，以及越來越經濟實惠、能連線和徹底善用常見工業通訊協定的自動化元件。這些控制器和元件，能接受土壤濕度感測器、氣象站和凍結感測器等來源的輸入訊號，針對農務即時做出數位回應。

更重要的是，雖然利用資料達到最佳灌溉效果的作法越來越聰明，但這些精密的灌溉控制系統，現在在價格上卻變得更加親民。

圖 1：地景保存與農業種植者設備公司 Toro 銷售的 Tempus 自動化農業灌溉系統，就徹底善用 4G／Wi-Fi／LoRa／藍牙連線能力。基地台能讓種植者控制閥門與監測裝置，連線範圍達 1.6 km。可輕鬆增加更多基地台以擴大覆蓋範圍，基地台皆可採用太陽能或固線供電。(圖片來源：The Toro Co.)

隨著氣候暖化、部分區域逐漸乾旱、人口增加、地下蓄水層枯竭，水資源的保育越來越勢在必行。事實上，水資源很快將成為世界最核心的關鍵資源，且在 21 世紀的地緣政治上，重要性將超越石油，甚至可能會在未來引發戰爭。水資源的相關問題在中東由來已久。中東地區自文明發源後越來越乾旱，人口佔全球 5%，但淡水僅有全球的 1%。

圖 2：採用微噴霧系統和其他滴漏方法的溫室灌溉與戶外行栽作物灌溉，皆可享受進階灌溉控制帶來的益處。(圖片來源：Getty Images)

從商業角度來看，缺水會反映在較高的食物與農產品價格上，過去十年間，水的價格比能源上升得更快。明確來說，不管是大規模的商業活動或新興農業活動，都得注重將用水量降至最低，同時達到最大的作物產量。

可控式灌溉和生長機制

對灌溉控制器的需求，視應用和系統類型而定，無論是以灑水器、滴灌還是水栽澆水迴路為基礎都算。

圖 3：T3000 系列二氧化碳感測器具有 IP67 外罩，能耐受室內垂直栽種活動的濕氣、灰塵及肥料。透過數據回饋，就可促成自動化的水栽灌溉與滴灌施肥例行作業。(圖片來源： Amphenol Telaire)

在溫室栽種的作物，能嚴格管控其灌溉；因為少了戶外環境的變化，就能在容差範圍內維持一貫最佳化的光照、澆水、施肥與土壤結構。灌溉始終採用水泵蓄水塘和托盤型灌溉迴路為基礎，因此水分幾乎不會蒸發流失，也沒有逕流損失。特定作物適用的軟體有相當多種；這些程式融合了業界對植物品種生長週期的知識，以及偏好的生長參數。

圖 4：採用 IP67 外罩，因此 WIL 工業燈特別適合室內數位農業應用。(圖片來源： Weidmüller)

對傳統的戶外農業來說，灑水器是最廣泛使用的灌溉設備，舉凡小型的草坪灑水器 (類似住宅草坪上使用的灑水器)，到電動馬達或柴油泵驅動的高壓工業灑水器都包括在內。後者更涵蓋以大規模灑水器陣列來灌溉好幾公頃開闊農田的巨型線性移動系統。

另一個常用於大規模作業自動化灌溉系統的設計就是拍擊式灑水器。這些系統也有經過簡化，以消費性草坪灌溉產品販售。簡單來說，拍擊式灑水器是將一股水柱通過機械臂輸送的頭端組件。水在機械臂重複拍擊下，散佈在種植的作物上。產生的壓力和機械臂的運動，會推動頭端繞著樞軸轉動，讓灑水器掃過整個圓或部分弧形面積。

農作物自動化澆水的最後一個選擇是滴灌。無論是根據所謂的漏管陣列還是微噴霧頭端陣列，滴灌法可將水更直接輸送到植物的根部區域，藉此減少用水量 (尤其是蒸發掉的水分)。

細談中樞與線性移動農業灌溉

中樞灌溉是灑水器式作物澆水的進階改良版。這是灌溉大片開闊農田最有效的方法之一，對於一塊 50 公頃 (125 英畝) 左右的面積，業界典型系統能覆蓋 400 公尺半徑範圍。中樞灌溉系統使用一條具有許多個灑水頭的灌溉管，管道繞著固定樞軸旋轉，以灌溉整個圓形或部分弧形面積。管道由多個水塔支撐，水塔在動力輪的帶動下沿地面移動。

圖 5：計時控制項搭配中樞灌溉系統使用，即可安排基本的澆水排程。此外，欠電流監測器會常態監督中樞灌溉系統水塔三相系統的其中一段。這種欠電流監測器會偵測水塔是否停滯或卡住，以免澆太多水。(圖片來源：Littelfuse)

在水塔之間，水管利用桁架和張力構件纜線來支撐，與吊橋的支架非常類似。原始中樞灌溉系統開發於 1940 年代，利用水流來帶動車輪。今日更常見的是，這種設備靠電動馬達來轉動車輪以便推進。輪速可能很慢，因為要指揮車輪完整轉完一次，系統控制項可能要花幾天的時間。

圖 6：AgSense 軟體可透過行動裝置和筆記型電腦，當作應用程式來存取，可運用 GPS 和回饋技術，協助農場業者追蹤灌溉泵與輔助元件、流量與壓力狀態、土壤濕度、天氣狀況、貯槽液位 (若適用)，以及失竊的證據。這項產品是自動化樞軸灌溉系統的首選 (也相容於線性機器)，可提供即時資訊和警報，甚至能管理液壓與電動樞軸的組合。基本上，此軟體能促成數位面板功能，並與任何品牌或年代的機械面板維持相容性。(圖片來源： Valmont Industries Inc.)

樞軸灌溉系統是一種非常複雜的大型機器，有其特有的區域控制挑戰。水塔的移動並不一致，會個別停下與啟動，讓管道接近於對齊。管道和支撐此管道的桁架十分柔韌，能適應水塔不規律的運動及地面的自然起伏。

在樞軸灌溉系統上，水塔段採用個別控制。在過去，是利用簡單的機制和極限開關來達成。透過監測下個區段上安裝的操縱桿的位置，每一個區段都能輕鬆感測相對於下個區段的角度。接著，簡易極限開關就能根據下個水塔段的相對角位置來啟動、停止和反轉車輪。此作法適用於簡易液壓控制搭配液壓驅動的車輪的情況。

最外側中樞水塔尾端的噴槍，能將灌溉的面積延伸到實體結構之外。如果連續執行此操作，灌溉範圍依舊會呈圓形。但也可控制噴槍，利用中樞灌溉系統灌溉一個大約正方形的區域。

(影片來源：UNL Biological Systems Engineering)

線性移動灌溉系統也採用灑水器，與中樞灌溉系統類似。但是，水塔段並非圍繞固定的樞軸以圓弧狀驅動，而是直線來回移動。這意味著，線性移動灌溉系統覆蓋的是正方形範圍，而非圓形範圍。這種覆蓋範圍可能更適合現有的農田系統，並提供更完整的土地覆蓋率。只是，這也會讓驅動式水塔和供水的控制變得更有難度。

圖 7：這是一種線性移動的灌溉設計。自動化系統採用此機械設備，就可解決戶外灌溉的難題。(圖片來源：Getty Images)

某些設計利用開放式通道，沿著灌溉區的某個邊緣進行供水，或有個替代方案是透過彈性軟管供水。要注意的是，這種線性移動灌溉系統的水塔必須在速度上協調一致，讓管道保持合理的筆直性，各水塔也必須一起轉向，系統才能在農地上持續前後行進而不偏離軌道。為了滿足這些要求，某些水塔會經過編程，以跟隨埋置的纜線。

農業灌溉控制器

最簡單的灌溉控制器就是單純的計時器，可讓水在預設時間點任意流放。這種計時器也用於消費級草坪灑水器。

再精密一點的產品則是工業灌溉控制器。這種控制器傳統上採用液壓控制系統的形式，且通常會搭配中樞灌溉器使用。

如今，許多更進階的工業灌溉控制項都使用標準 PLC。除了控制大型灌溉器的運動 (例如那些以線性移動灌溉設備為主的灌溉器)，這些 PLC 型電子產品也能經過配置，以接受來自土壤濕度感測器、流量感測器、氣象站和凍結感測器的輸入訊號。即便水果業和室內智慧農業中的某些農業活動規模非常小，但已經可輕易取得這類系統，就可利用 Arduino 系統等控制器自動澆灌植物和溫室。

圖 8：NETBEAT NetMCU 是整合式商業級灌溉控制器的一個例子，事實上，這款加固型產品可進行施肥、滴灌施肥、作物塑模和預測等眾多任務，形成完整的數位農業解決方案。(圖片來源： Netafim)

自動化灌溉控制器能測量流率，確保輸送的水量經過測量，而不是在某段預設時間內輸送任意水量。針對一塊指定面積的土壤輸送已知的水量，就可在不浪費水的情況下，達到理想的生長條件。控制流量也有助於偵測阻塞與洩漏，提醒操作員注意問題，以免作物嚴重受損或浪費水資源。現代化控制器可透過 IoT 協定，在事件發生時將警訊傳送到操作員的手機。

圖 9：RevPi 自動化控制與 I/O 元件，是以單板 Raspberry Pi SoM/CPU/GPU 微型電腦的運算模組版本打造。最新的 RevPi 版本能因應類比訊號，這對特定作物灌溉控制作法相當有用。(圖片來源： KUNBUS)

對某些農場業者來說，另一個先進的產品選擇就是蒸散或 ET 控制器。這些控制器會依據水土平衡原則來估算用水需求。

水平衡是一門農業水文的研究，但其最基本的原則在於，流入的水必須等於流出量和儲水變化量的總和。流出量包含流水量 (逕流) 及蒸散，蒸散是指水蒸發至大氣以及透過植物蒸發。

ET 控制器需具備流入量 (灌溉流率與降雨) 的即時資料，以及會影響蒸散的環境參數 (例如溫度、濕度與太陽輻照度)。需要透過 ET 控制器 (通常是經過改良的自動化控制器) 嚴格控管的關鍵參數，包括作物係數和土壤的保水能力。農作物係數會根據天氣情況和水的可用性來決定蒸散率。ET 控制器最多能將用水量減少 63%，此省水量相當驚人，其他多種作法都望塵莫及。

結論

如今大規模的工業農場業者，有許多精密的灌溉解決方案可選擇。事實上，自動化技術已經讓進階灌溉方法的價格變得親民，連較小型的農場業者和專門生產蔬菜和細緻作物的低毛利食品生產商，也負擔得起。