智能化精準(zhǔn)灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的探索與應(yīng)用

董啟興　吳萍　姚菲

【摘要】我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，又是水資源嚴(yán)重短缺的國家，利用有限的水資源發(fā)展高效農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)和主題，而智能化精準(zhǔn)灌溉是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。該系統(tǒng)將田間監(jiān)測傳感器、控制器與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，使其與人之間的互動(dòng)不再局限于空間，變得更為方便，且有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。其可靠性高、靈活性強(qiáng)、易于操作，有廣泛的推廣和使用價(jià)值，發(fā)展前景良好。

【關(guān)鍵詞】智能化；精準(zhǔn)灌溉；遠(yuǎn)程控制；探索；應(yīng)用

【Abstract】As a large agricultural country and a country with severe water shortage， developing a productive agriculture with limited water resources is a goal and theme of modern agriculture. Intelligent precision irrigation is an effective way to achieve this goal. The system combines field monitoring sensors and controllers with the Internet to make it more space-efficient and easier to interact with people， and to facilitate high productivity and efficiency. Its high reliability， flexibility， ease of operation， a wide range of promotion and use of value， good prospects for development.

【Key words】Intelligent；Precision irrigation；Remote control；Exploration；Application

1 基本情況

1.1國內(nèi)水資源狀況及用水情況。

我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國家。淡水資源總量為28000億m3，人均只有2200m3，僅為世界平均水平的1/4，扣除汛期的排洪泄流和其他難以利用水資源后，實(shí)際可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億m3左右，人均可利用水資源量不足900m3。在農(nóng)業(yè)、人類生活、工業(yè)、生態(tài)和服務(wù)行業(yè)等用水類型中，農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的65%左右。

1.2國內(nèi)現(xiàn)有的灌溉方式及存在的一些問題。

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，人口眾多，農(nóng)業(yè)問題是關(guān)系到國計(jì)民生的大問題。目前，國內(nèi)的灌溉主要有畦田灌、溝灌、噴灌、微灌、滴灌等多種節(jié)水灌溉方式，有些雖已采用了自動(dòng)化管理模式，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，但是還缺乏智能化灌溉管理系統(tǒng)，沒有將作物生育期的生理需水要求與供水管理智能化地結(jié)合起來，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)作物在需水時(shí)不能及時(shí)灌水，而在作物不需水時(shí)仍然灌水的情形，一方面會(huì)造成水資源的不必要的浪費(fèi)，另一方面還降低了灌溉的工作效率。

2. 智能化灌溉系統(tǒng)的發(fā)展前景

信息化、智能化農(nóng)業(yè)是推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ彩鞘澜甾r(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。我國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)也正向可持續(xù)的信息化、智能化方向發(fā)展。而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是伴隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展而提出的一種全新的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理思維，是信息農(nóng)業(yè)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物。智能化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)就是基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢，是高效節(jié)水農(nóng)業(yè)邁向更高臺(tái)階的一個(gè)目標(biāo)，有著廣闊的發(fā)展前景。

3. 智能化灌溉系統(tǒng)工作原理及其組成

本系統(tǒng)包括自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)和田間參數(shù)監(jiān)測模塊系統(tǒng)兩部分。它整合了電容器檢測土壤含水量、手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制、定點(diǎn)定位定量灌溉等技術(shù)。

3.1智能化精準(zhǔn)灌溉的工作原理。

該系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，主要由信號處理電路、電容器、驅(qū)動(dòng)電路、灌溉控制器等組成。土壤電容器模塊檢測土壤的濕度，模塊在土壤濕度達(dá)不到設(shè)定臨界值時(shí)，DO輸出高電平，當(dāng)土壤濕度超過設(shè)定臨界值時(shí)，模塊D0輸出低電平；小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，進(jìn)而通過單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)電路。檢測土壤濕度電容器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，由自動(dòng)控制臺(tái)按田間每個(gè)灌區(qū)實(shí)際面積利用匯編語言對系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程，并根據(jù)編程來控制相應(yīng)灌區(qū)的供水量。

3.2自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)。

本系統(tǒng)在田間定點(diǎn)定位設(shè)置電容器，使其檢測面積恰好能覆蓋整塊田地。電容器會(huì)將采集到的信息及時(shí)通過無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到云端實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，用戶可以通過云端或手機(jī)客戶端查看田間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解作物生育情況。當(dāng)土壤溫、濕度超過警戒值時(shí)，系統(tǒng)向用戶發(fā)送信息通知，提醒人工干預(yù)控制。用戶可以通過手機(jī)上的虛擬開關(guān)遠(yuǎn)程控制田間的灌溉，來改變作物的土壤濕度與環(huán)境溫度，如果在報(bào)警一定時(shí)間內(nèi)未完成人工控制，系統(tǒng)會(huì)自行啟動(dòng)澆灌系統(tǒng)，以確保對作物的及時(shí)灌溉。

3.3田間參數(shù)監(jiān)測模塊系統(tǒng)。

該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)編程軟件、開關(guān)控制面板、電容器、供電模塊及間水層和作物根系層土壤含水量的變化來獲得作物生長的盈虧水狀況，并反饋給中央處理器（這里主要是和預(yù)定值進(jìn)行比較，將電容器傳來的土壤含水量值與當(dāng)初設(shè)置的濕度臨界值進(jìn)行比較。如果濕度臨界值小于當(dāng)前土壤含水量值，則說明當(dāng)前土壤水分含量滿足系統(tǒng)設(shè)定要求，不需要灌溉；如果濕度臨界值大于當(dāng)前土壤水分含量，則說明土壤干涸，需要灌溉。）。關(guān)于供電模塊和田間開關(guān)控制面板，可在田間安裝太陽能電池板以實(shí)現(xiàn)供能，這樣既可以節(jié)約電能，又能實(shí)現(xiàn)環(huán)保。智能化灌溉系統(tǒng)適用于噴灌、微灌、滴灌等灌溉方式。其設(shè)計(jì)流程圖如下（設(shè)計(jì)流程圖見圖1）：

3.4管道排布：在實(shí)驗(yàn)田分布漫灌，搖臂噴頭，微灌，滴灌等多種灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全方位，無死角灌溉田地。現(xiàn)列舉各種灌溉優(yōu)缺點(diǎn)如下①漫灌：在田中以小水流灌溉，略省水，可育旱作物，但是費(fèi)水。②噴灌：以噴嘴擬人工降雨，省水，但是不利于喜水作物。③滴灌：田間以軟管縱橫其中，中開小口，水自口出，以滴流的方式進(jìn)行灌溉，節(jié)水，但是應(yīng)用范圍有局限。我們可以根據(jù)具體時(shí)段，具體植物選擇合適的灌溉方式。本設(shè)計(jì)中灌溉管路部分包括首部單元及鋪設(shè)于作物行間的分支毛管，所述首部單元又包括首部干管及兩至三個(gè)首部支管，首部干管通過三通或者四通與各首部支管連接，首部干管及首部支管上均設(shè)有電磁閥，各首部支管分別連接有分支毛管。在材料方面，該裝置管路部分的水管、三通、四通等配件均選用PPR管，它具有節(jié)能節(jié)材、環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、內(nèi)壁光滑不結(jié)垢、施工和維修簡便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。這樣的管路設(shè)置不僅有利于植物更好吸收水分，而且節(jié)水環(huán)保。endprint

3.5信息采集裝置：本裝置采集器主要采用RB-02S047型號的水分傳感器，分別插入田地內(nèi)監(jiān)測田間水層和植物根系層土壤含水量，并將水分情況通過模擬量輸出傳入信息操作控制部分XCKB中，完成信息采集工作。

3.6信息處理中心：該系統(tǒng)選用中央控制模式，由數(shù)據(jù)編程軟件、開關(guān)控制面板、電容器、供電模塊及其附件組成。本裝置信息處理中心是信息操作控制部分XCKB。水分傳感器將數(shù)據(jù)采集到后傳輸?shù)絏CKB中，XCKB再通過無線連接將土壤水分信息傳送到處理裝置中，再傳輸?shù)皆贫藢?shí)施儲(chǔ)存。這里主要是和預(yù)定值進(jìn)行比較，模塊在土壤濕度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO輸出高電平，當(dāng)土壤濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊D0輸出低電平；小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，進(jìn)而通過單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)電路。把檢測土壤濕度電容器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號，由自動(dòng)控制臺(tái)按田間每組灌區(qū)實(shí)際面積利用匯編語言對系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程，對每一組支流灌溉出水流量多少控制各支流電磁閥為每組灌溉區(qū)依次供水（根據(jù)植物需水量，可以自動(dòng)或者人為開啟某一支路的電磁閥，開啟較合適的灌溉系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)灌溉再節(jié)水和技術(shù)自動(dòng)化。

3.7電路控制部分：本裝置的具體控制電路圖如圖所示，我們設(shè)計(jì)在田間安裝太陽能電池板以實(shí)現(xiàn)供能（既可以節(jié)約電能，也可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保），通過無線網(wǎng)絡(luò)，連接手機(jī)APP終端與灌溉實(shí)體裝置兩個(gè)部分進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制灌溉。

3.8反饋控制機(jī)制：本裝置的反饋系統(tǒng)可分為手動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)兩種方式。手動(dòng)控制系統(tǒng)：手機(jī)APP界面窗口上，用戶可以直觀的觀測到田間的水分含量，根據(jù)作物的需水量，可以人為地手動(dòng)操作打開“OFF-ON”來控制灌溉。待到土壤水分常數(shù)達(dá)到正常值后再次執(zhí)行“ON-OFF”轉(zhuǎn)換，完成澆灌過程。（XCKB中主要由Seeeduino Cloud開發(fā)板和Relay Shield擴(kuò)展板疊加組成。一方面，Seeeduino Cloud開發(fā)板的主要特點(diǎn)在于支持以太網(wǎng)和WiFi，是我們無線傳輸?shù)年P(guān)鍵介質(zhì)所在。通過手機(jī)無線搜索連接Seeeduino Cloud開發(fā)板所發(fā)出的Wi Fi信號可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。另一方面，Relay Shield 擴(kuò)展板通過繼電器可以實(shí)現(xiàn)不同路電磁閥的控制，達(dá)到進(jìn)一步的灌溉效果）。自動(dòng)控制系統(tǒng)：本裝置可以根據(jù)傳感器的感應(yīng)，設(shè)定相應(yīng)的水分飽和值來自動(dòng)控制水流的通斷。

4. 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)將田間監(jiān)測傳感器、控制器與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，使其與人之間的互動(dòng)不再局限于空間，變得更加方便。

（2）手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測田間溫度、土壤濕度、作物生長、空氣濕度，直觀方便。

（3）灌溉方式多樣化，合理有效，節(jié)約環(huán)保。

（4）采用自動(dòng)化與精準(zhǔn)化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不僅能有效節(jié)約水資源，而且還能達(dá)到省工省時(shí)的作用，從而大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。 此系統(tǒng)可靠性高、靈活性強(qiáng)、易于操作，有廣泛的推廣和使用價(jià)值。

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