智能分區(qū)農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)的研究—以丘陵山地為例

彭煒峰，李光林

0 引言

伴隨著我國“精準農(nóng)業(yè)”概念的深入，精準農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)取決于農(nóng)業(yè)精準灌溉技術[1-3]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉過程中灌溉控制系統(tǒng)依賴于人為勞動操作，系統(tǒng)能源消耗高，且管理困難[4-8]。近年來，國內(nèi)對土壤含水率監(jiān)控的研究有所突破，多數(shù)停留在對土地大面積土壤含水率的監(jiān)測，對影響種植物生長發(fā)育的實時土壤含水率的監(jiān)控和西南地區(qū)山地土壤含水率監(jiān)測研究很少[9-11]。若對大面積復雜山地實施有線實時監(jiān)控，存在布線成本急劇增加的問題，也不利于山地作業(yè)[12-13]。

重慶幾乎每年夏季都要遭受1個月左右的伏旱天氣，對山地種植物進行有效灌溉，是保證種植物產(chǎn)量和品質(zhì)的前提。目前，山地灌溉方式介于補充灌溉和統(tǒng)一灌溉范疇，存在著人力資源浪費、灌溉控制系統(tǒng)能源消耗高及水資源無法實現(xiàn)高效率灌溉等不足，導致山地農(nóng)作物種植減產(chǎn)[14-15]。

本系統(tǒng)研究設計了一套具有復雜山地分區(qū)實時精準灌溉及數(shù)據(jù)信息處理功能的灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)分區(qū)精準滴灌的自動化和智能化，對復雜山地土壤含水率實施實時監(jiān)控，提高水資源灌溉效率，降低人力資源需求，對西南地區(qū)進一步走向精準農(nóng)業(yè)及智能節(jié)水灌溉有一定的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的山地分區(qū)精準滴灌及數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)設計思路：在農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)中引入分區(qū)灌溉概念，針對高差、坡度不同的復雜山地，進行區(qū)域的劃分；四面形山地可分為東南西北4個區(qū)域，每個區(qū)域設置不同的灌溉壓力和流量，可根據(jù)各個區(qū)域實時土壤含水率進行分別滴灌。區(qū)別傳統(tǒng)統(tǒng)一灌溉，自動滴灌系統(tǒng)將土壤水分傳感器、水源工程、電磁閥、控制器及滴灌管網(wǎng)等部分集成一起，提高水資源灌溉效率。系統(tǒng)采用太陽能電池及蓄電池作為主要電能供給平臺，引入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術和GSM無線傳輸技術，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)各個區(qū)域的土壤水分實時數(shù)據(jù)收集；利用GSM無線傳輸技術將土壤實時數(shù)據(jù)信息進行遠程傳輸至終端，終端對數(shù)據(jù)分析處理，決策土壤當前實時區(qū)域操作，達到在節(jié)省人力資源的同時實現(xiàn)滴灌控制系統(tǒng)的自動化和智能化的目的。

該系統(tǒng)主要由太陽能電源子系統(tǒng)、自動滴灌子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)3部分組成。太陽能電源子系統(tǒng)作為系統(tǒng)主要電能供給平臺，在控制器的作用下將太陽能電源輸出電壓轉換為其他子系統(tǒng)所需求的電壓，實現(xiàn)按需供壓。自動滴灌子系統(tǒng)以自來水作為水源，首部樞紐主要包括施肥裝置、過濾器、控制閥、截止閥、止回閥及壓力表等部分；輸配水管網(wǎng)主要包括主干管、干管、滴灌管、支管及毛管等3級管道部分，還包括相應的三通、直通及彎頭等部件，以實現(xiàn)對土壤含水率的實時監(jiān)測并管理電磁閥進行自動按需滴灌。數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)對山地土壤含水率進行檢測及自動無線傳輸，實現(xiàn)檢測模塊與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 太陽能電源子系統(tǒng)

太陽能電源子系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的電能供應平臺，主要由太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器、逆變器及變換器等組成。其充分發(fā)揮太陽能逆控一體機的市電互補功能(太陽能充足時，通過逆控一體機對蓄電池進行電能的存儲；反之，太陽能不足時，則由市電對蓄電池進行電能的存儲)，為蓄電池提供穩(wěn)定平滑的充電電壓。經(jīng)蓄電池的輸出電壓一部分輸出到變換器，為系統(tǒng)其他直流模塊進行供電，另一部分逆變?yōu)榻涣麟姡瑸樨撦d水泵(如電磁閥供需電壓為12V)供電。本系統(tǒng)采用雙蓄電池構造，通過減少對蓄電池充放電次數(shù)的方法來實現(xiàn)太陽能與蓄電池之間的電能高效傳輸及延長電源的使用壽命的目的。即將蓄電池的充電過程和放電過程分開進行，一塊蓄電池處于充電過程時，另一塊蓄電池處于放電過程，當放電的蓄電池電壓降到供壓下限值時，對放電和充電的蓄電池工作過程進行切換，保持一塊充電，一塊放電，完全分離工作，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行。其結構示意圖如圖1所示。

1.2 自動滴灌子系統(tǒng)

根據(jù)試驗場地的氣候參數(shù)、種植物生長必需條件等因數(shù)來設定自動滴灌子系統(tǒng)的參數(shù)。利用水利計算方法來選定滴灌管徑的大小、灌水器的類型、滴灌管網(wǎng)鋪設長度及出水量等參數(shù)。在西南地區(qū)復雜的山地滴灌過程中，由于山地高差、坡度不一致，對土壤水分保持率也不一致，故對試驗場地進行分區(qū)滴灌試驗，具體分為東區(qū)滴灌區(qū)域、西區(qū)滴灌區(qū)域、南區(qū)滴灌區(qū)域及北區(qū)滴灌區(qū)域。自動滴灌子系統(tǒng)主要由電源模塊、水源工程、土壤水分傳感器、控制模塊、滴灌管網(wǎng)及電磁閥等構成。

電源模塊由太陽能電源子系統(tǒng)提供所需電壓，土壤水分傳感器選用型號為ARN-100水分傳感器，實現(xiàn)山地土壤的含水率實時監(jiān)測。為降低系統(tǒng)電能消耗，電磁閥選用久諾閥門有限公司研發(fā)生產(chǎn)的型號ZCZP-25自保持式電磁閥，管徑25mm，工作電壓為12V，具有兩個獨立的線圈，分別實現(xiàn)電磁閥的關閉與打開，并保持通斷狀態(tài)；狀態(tài)不變換的情況下，不需要電能供應，且狀態(tài)切換反應時間在1s左右，電磁閥線圈接收到12V的升壓信號，可實現(xiàn)電磁閥當前狀態(tài)的改變。

在自動滴灌子系統(tǒng)設計中，選擇4m×6m為一個滴灌單元?？紤]到實驗場地具體面積及精準滴灌的要求設計，該試驗基地地形復雜，坡度不均，除了管道正常的水頭損失外，還有很多不能預計的原因使壓力發(fā)生變化，所以要對系統(tǒng)進行全面的優(yōu)化設計，為了防止水壓或流量的波動，需要在系統(tǒng)中配置一定的穩(wěn)定裝置。一個滴灌單元共同使用一套土壤水分傳感器和電磁閥。滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)主水管采用管徑為25mm的PVC管(聚氯乙烯管，參照確定的管道材料以及相應的管道規(guī)格標準，同時考慮到西南地區(qū)夏季溫度高，選取PVC管，其特點是管壁光滑、耐腐蝕、耐高溫、耐壓強度高等)，滴管采用管徑為16mm的PVC管，滴孔直徑設計為0.9mm，數(shù)量為4個，對稱的分布在滴管下方。在滴灌過程中，當土壤水分傳感器實時監(jiān)測土壤含水率，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進行實時按需灌溉，從而實現(xiàn)系統(tǒng)實時自動滴灌的目的。本系統(tǒng)設計的滴灌結構以具體面積為滴灌單元，能有效地節(jié)約土壤水分傳感器及電磁閥的投入，降低電源能量損耗，從而降低整個系統(tǒng)的前期建設成本及后期設備維護成本。

1.3 數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)主要功能是將土壤含水率及相關數(shù)據(jù)信息通過GSM無線傳輸方式發(fā)送到終端，實現(xiàn)監(jiān)測端與終端之間的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實時傳輸。數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)由3層階級構成：土壤含水率檢測模塊看作底層階級；中間階級是數(shù)據(jù)收集階級，也即GSM階級；頂層階級為終端處理階級。通過土壤水分傳感器檢測土壤含水率，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡向GSM階級傳輸?shù)讓与A級的數(shù)據(jù)信息，GSM階級再統(tǒng)一發(fā)送匯集數(shù)據(jù)到頂層階級，即終端。其中，系統(tǒng)中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡模塊選用的是型號為MRF24G40MA器件，使用規(guī)定的無線傳感網(wǎng)絡協(xié)議，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效匯聚與傳輸。選用型號為SIM900A的GSM無線傳輸模塊作為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)暮诵钠骷?，使用AT指令實現(xiàn)雙向通信，支持短信互通，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)信息子系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of data information subsystem

2 硬件結構設計

2.1 電源穩(wěn)壓模塊

系統(tǒng)采用太陽能逆控一體機作為電池主要控制器件，保證蓄電池有穩(wěn)定的輸出電壓。其中，選用的太陽能電池板是廣州兆天有限公司研發(fā)生產(chǎn)的多晶太陽能電池板(額定電壓9V，上限電流0.34A)，通過金屬桿樹立支撐，樹立高度以高于種植物30cm為準；選用的蓄電池為新能源科技公司研發(fā)生產(chǎn)的聚合物鋰電池(單節(jié)鋰電池的標稱電壓3.7V，單節(jié)鋰電池的容量3.5A·h)。由于系統(tǒng)其他模塊需求電壓不一致，故系統(tǒng)設計了穩(wěn)定的升壓穩(wěn)定電路和降壓穩(wěn)定電路，當鋰電池隨著時間推移，輸出電壓出現(xiàn)波動時，仍能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。升壓電路和降壓電路如圖3和圖4所示。

2.2 電磁閥模塊

為了實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，故本系統(tǒng)的中央處理器選用了一款低電壓、低功耗及適用范圍廣等特點的單片機—STM32F103單片機。該單片機屬于Cortex-M3系列芯片，其正常工作頻率f為72MHz，正常工作電壓為2.0～3.6V，在系統(tǒng)中作為核心控制器。圖5為單個電磁閥的驅動電路圖，圖6為整個山地分區(qū)的電磁閥控制電路圖。

圖3 升壓電路Fig.3 Circuit of boost

圖4 降壓電路Fig.4 Circuit of step-down

圖5 電磁閥驅動電路Fig.5 The circuit of solenoid drivers

圖6 電磁閥分區(qū)控制電路Fig.6 The circuit of solenoid valve control diagram partition

系統(tǒng)試驗場地分為東、西、南、北4個滴灌區(qū)域，每兩個滴灌區(qū)域的山地高差和坡度不同，所以電磁閥的設置參數(shù)也不同，各個區(qū)域的滴灌參數(shù)也不同。圖5中，利用水分傳感器監(jiān)測得出土壤含水率參數(shù)值，與系統(tǒng)設定值作對比，得出對比結果，通過對比結果決定出單片機輸出高電平或低電平，從而控制電磁閥的工作狀態(tài)。圖6中，電路中A11、A12為電磁閥A11、電磁閥A12接口，J1為土壤水分傳感器檢測輸入接口，J2為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡模塊接口,J3為GSM無線傳輸接口，電路圖中A、B、C、D4個I/O口分別指東區(qū)、南區(qū)、西區(qū)、北區(qū)4個區(qū)域的電磁閥控制端口。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為主程序、土壤含水率檢測程序、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡程序和GSM無線傳輸程序等4個部分，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序圖Fig.7 System main program diagram

土壤含水率檢測程序圖如圖8所示。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡程序設計圖如圖9所示。GSM無線傳輸程序設計圖如圖10所示。

4 系統(tǒng)參數(shù)設計

4.1 土壤水分傳感器的標定

選取適量的實驗場地土壤，用烘干裝置將其烘干至恒定質(zhì)量，加入適量水攪拌配制成已知含水率的實驗土壤，拌勻之后放置于密閉容器中存放，存放時間為24h，然后獲得土壤含水率；與此同時，測量土壤水分傳感器的輸出電壓，形成數(shù)據(jù)；重復上述過程，收集數(shù)據(jù)，進而得到傳感器的標定結果。

4.2 滴灌系統(tǒng)壓力分布

工程實際案例中，所有管道系統(tǒng)幾乎都是由很多等直管段和一些管道附件連接在一起組成的，因此在一個管道系統(tǒng)中，存在沿程損失和局部損失。

圖8 土壤含水率檢測程序圖Fig.8 The soil moisture content test diagram

圖9 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡程序圖Fig.9 ZigBee wireless sensor network application diagram

圖10 GSM無線傳輸程序圖Fig.10 GSM wireless transmission diagram

分支管道壓力分布計算：

1)通過選取水頭損失最大的管道的末端作為測量點，得出最小工作壓力；

2)在最小工作壓力的基礎上，分段加上該管段的水頭損失即上一節(jié)點的壓力水頭；

3)依次類推，計算到管道進口需要的壓力水頭。

為了保證各個分流點的灌水均勻度，沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不超過進口壓力水頭損失的20%。在均勻坡度情況下，最大壓力出水口是最后一個出水口。

4.3 系統(tǒng)灌水定額設計

系統(tǒng)灌水定額的設計是為了在滴灌過程中做到充分灌溉，同時不浪費水資源，實現(xiàn)水資源灌溉最大效率化。灌水定額是指單位面積土壤一次灌水的用水量(m3/hm2)或者一次灌水過程中水能夠達到的水層深度(mm)。灌水定額設計是指最大灌水定額，以該參數(shù)作為灌溉設計依據(jù)。搜集并查閱土壤有效持水量的相關資料，分析得出本系統(tǒng)的灌水定額公式，即

m=0.1yzp(θmax-θmin)/η

(1)

其中，m為灌溉的灌水定額值(mm)；y為實驗土壤的容重(g/cm3)，本系統(tǒng)y取1.2；z為計劃濕潤土層深度(m)，山地種植管理過程中，既有新種植的幼苗，又有成熟的種植物，查詢相關規(guī)定，種植物根系的生長深度在0.1～1m范圍，綜合考慮，本系統(tǒng)中取z=0.5m；p為土壤濕潤比，本系統(tǒng)中p取值為40%；θmax為土壤的適宜持水率上限，重慶地區(qū)的土壤持水率一般為15%，土壤的適宜持水率上限一般在80%～100%范圍，故本系統(tǒng)中θmax取90%；θmin為土壤的適宜持水率下限，適宜土壤的持水率下限一般為55%～70%，故本系統(tǒng)中取60%；η為滴灌灌溉水的利用系數(shù)，參考SL103-95《微灌工程技術規(guī)范》中部分的規(guī)定和要求來確定滴灌灌水的利用系數(shù)，即滴灌灌水的利用系數(shù)≥0.9，查詢資料并作對比，綜合考慮，取本系統(tǒng)滴灌灌溉水的利用系數(shù)η取0.9。將具體參數(shù)帶入式(1)，得出m=12mm。

4.4 系統(tǒng)單次滴灌時間的確定

系統(tǒng)單次滴灌時間主要針對兩個方面，一方面是滴灌的時間選擇，另一方面是滴灌時間的長短。在西南地區(qū)夏季時，存在著1個月左右的旱季，滴灌的時機選擇顯得尤為重要，系統(tǒng)的具體灌溉時間節(jié)點根據(jù)土壤作物類型及土壤質(zhì)地來設置，本系統(tǒng)中設置了遠程實時監(jiān)控功能，能實時控制灌溉時間，從而實現(xiàn)實時遠程控制。

4.5 GSM無線傳輸網(wǎng)絡丟包率測試

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的丟包率，采用多次測量求平均值的方法進行檢驗。根據(jù)試驗場地的實際情況，試驗時在東、西、南、北4個區(qū)域分別布署1個傳感器節(jié)點(實際應用中需根據(jù)山地面積大小確定傳感器數(shù)量)，布署1個匯聚節(jié)點。為了保證試驗精度，設定傳感器節(jié)點每隔20min進行一次采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，計算無線傳輸過程中網(wǎng)絡丟包率，連續(xù)進行試驗，以測定系統(tǒng)通信穩(wěn)定性能。試驗得出的測試結果如表1所示。該系統(tǒng)的無線傳輸過程中網(wǎng)絡平均丟包率為0.49%，系統(tǒng)通信穩(wěn)定。

表1 網(wǎng)絡丟包率統(tǒng)計Table 1 PLR values of nodes

5 系統(tǒng)效果及創(chuàng)新點

本農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試安裝完畢后，對試驗場地進行完整的效果檢驗：系統(tǒng)可實現(xiàn)自動滴灌控制，實現(xiàn)了分區(qū)的精準滴灌。

系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在以下兩點：

1)根據(jù)復雜山地的不同區(qū)域，高差及坡度不同，系統(tǒng)設計了流量和壓力不同的滴灌系統(tǒng)。分區(qū)農(nóng)業(yè)滴灌區(qū)別于傳統(tǒng)滴灌方式，不再采用統(tǒng)一滴灌，實現(xiàn)了精準滴灌，提高了水資源的灌溉效率，為山地滴灌技術發(fā)展提供借鑒作用。

2)系統(tǒng)優(yōu)化了農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)中太陽能作為主要能源供給的能源損耗、遠程傳輸數(shù)據(jù)的丟包率，提高了土壤含水率檢測技術的精確性。

6 結論與討論

1)系統(tǒng)針對復雜山地的高差及坡度不同，將山地進行區(qū)域劃分，各個區(qū)域進行土壤水分實時監(jiān)測，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡進行信息收集，通過GSM無線傳輸技術進行數(shù)據(jù)信息遠程傳輸至終端，終端決策對各個區(qū)域實行按需分別滴灌，實現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。

2)研究構成自動農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)，將土壤水分傳感器、控制器、電磁閥等模塊集成化，實現(xiàn)自動滴灌，提高水資源灌溉效率。

3)采用市電互補功能的太陽能電源作為整個系統(tǒng)的電能供應平臺。太陽能充足時，通過太陽能對蓄電池進行電能的存儲；太陽能不足時，則由市電對蓄電池進行電能的存儲。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了按需精準農(nóng)業(yè)灌溉和實時監(jiān)控的效果，達到了設計的目的，促進了西南地區(qū)山地農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展，很大程度地解決了節(jié)水灌溉工程中的能耗高、勞動力以及水資源浪費問題。系統(tǒng)試驗選用小范圍復雜山地效果可行，大面積復雜山地試驗效果及系統(tǒng)材料選型有待作進一步研究。