農(nóng)業(yè)水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

曹 靖，宋嬌紅，王 冰

（騰色智能科技（南京）有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

中國(guó)用占世界6%的淡水資源和9%的耕地，以及30%左右的化肥，生產(chǎn)出了占世界26%的農(nóng)產(chǎn)品，養(yǎng)活了世界近20%的人口［1］。中國(guó)人均水資源占有量?jī)H為世界的1/4，被列為世界上21個(gè)貧水和最缺水的國(guó)家之一［2］。在中國(guó)，為了獲得高產(chǎn)而大量施肥的問(wèn)題普遍存在，致使單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右［3］，而當(dāng)季肥料有效利用率平均只有30%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%左右［4］。水資源短缺，肥料用量巨大且利用效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)造成了嚴(yán)重的土地污染，水肥的不合理利用產(chǎn)生的問(wèn)題成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中不可回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為此，節(jié)水灌溉水肥一體化技術(shù)迅速發(fā)展，成為解決水肥有效利用的重要技術(shù)方法。

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為熱點(diǎn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［5］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在大田種植、溫室管理、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)機(jī)化設(shè)施等方面都取得了諸多應(yīng)用成果。如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)采集土壤濕度、土壤養(yǎng)分含量、農(nóng)業(yè)氣象等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵信息［6］，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者全面充分地掌握作物生產(chǎn)過(guò)程信息，提高對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的干預(yù)和控制能力，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力越來(lái)越缺乏，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化是應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢(shì)。以節(jié)約水肥等資源的投入、減少勞動(dòng)力、減輕土壤污染和提高作物產(chǎn)量為目的，文章基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種智能灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田水肥一體化的智能管理。

1 水肥一體化技術(shù)發(fā)展

水肥一體化技術(shù)是將灌溉和施肥融為一體，通過(guò)管道灌溉系統(tǒng)把水溶性肥料均勻、準(zhǔn)確地直接輸送到作物根部，適時(shí)適量地滿足作物水肥需求的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)［7］。具有節(jié)水節(jié)肥，提高水肥利用率，提高作物產(chǎn)量，改善土壤環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。Sinha等［8］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)利用水肥一體化技術(shù)種植向日葵，其水分和能量的利用率高于傳統(tǒng)技術(shù)，具有更高的產(chǎn)籽量。Jayakumar等［9］研究表明水肥一體化技術(shù)可以極大地提高椰果的產(chǎn)率和盈利能力。

水肥一體化在水資源貧乏的國(guó)家使用較多，且使用規(guī)模巨大，目前以色列有90%的灌溉區(qū)運(yùn)用了水肥一體化施肥技術(shù)［10］。我國(guó)雖為貧水國(guó)家之一，但是水肥一體化發(fā)展較晚，目前只有8%的灌溉面積應(yīng)用了水肥一體化［10］。水肥一體化技術(shù)在我國(guó)有較大的發(fā)展空間，原農(nóng)業(yè)部辦公廳制定的《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案（2016-2020年）》指出，到2020年水肥一體化技術(shù)推廣面積達(dá)1 000萬(wàn)hm2，新增533萬(wàn)hm2。從實(shí)際推廣應(yīng)用上看，水肥一體化技術(shù)能將蔬菜、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物的肥料利用率提高50%以上，節(jié)肥30%以上，增產(chǎn)10%～50%以上，并使果蔬品質(zhì)有明顯提升［11］。

隨著水肥一體化的發(fā)展，灌溉控制系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。目前，關(guān)于灌溉控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有技術(shù)多為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)設(shè)置的模塊控制器或帶有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口的控制器，一個(gè)控制器和多個(gè)電磁閥組成的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即使利用無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能的控制系統(tǒng)，也是采用數(shù)據(jù)采集器或集中控制模塊，用485總線、直流電壓電流輸出的方式控制試行裝置或傳感器，現(xiàn)場(chǎng)往往需要將電源線和信號(hào)線部署到田間灌溉系統(tǒng)，并提供額外電源。此外，布線需要大量人工開(kāi)槽回填施工，田間布線也有受損害、雷擊等風(fēng)險(xiǎn)。有些系統(tǒng)的控制器與電磁閥之間布線長(zhǎng)達(dá)幾百米，布線距離過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電源電壓衰減，能量損耗，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)關(guān)。

現(xiàn)有的灌溉控制系統(tǒng)通常采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制器模塊，一個(gè)控制器或數(shù)據(jù)采集器一般最多控制20～30路設(shè)備，系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)需要更多的電源布線和傳感器數(shù)據(jù)線（例如，一個(gè)控制器控制20路設(shè)備，當(dāng)需要增加第21路時(shí)，需要額外增加一個(gè)控制器用于控制該第21路設(shè)備），由此就造成灌溉控制系統(tǒng)控制的區(qū)域面積有限，電磁閥、傳感器等設(shè)備的部署數(shù)量和距離受到一定限制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，灌溉控制系統(tǒng)功能趨向智能化發(fā)展。智能灌溉控制不僅實(shí)現(xiàn)了精確灌溉和施肥，還可以節(jié)省勞動(dòng)力，節(jié)約水肥資源，提高水肥利用率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收［12］。余國(guó)雄等［13］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了荔枝園的信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)，應(yīng)用效果表現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確率。吳秋明等［14］利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了棉花智能微觀系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)水肥利用效率提高了22.6%。目前國(guó)外的灌溉控制系統(tǒng)已趨于成熟，而我國(guó)智能灌溉技術(shù)還在發(fā)展中，智能灌溉系統(tǒng)在無(wú)線化操作、智能化控制、精準(zhǔn)化灌溉施肥等方面還需要更進(jìn)一步的發(fā)展。

2 智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架

智能灌溉控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)軟件由移動(dòng)用戶界面終端應(yīng)用軟件和遠(yuǎn)程用戶界面終端系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)由水肥混合系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和水肥灌溉系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含智能灌溉控制器和土壤傳感器。水肥灌溉系統(tǒng)包含灌溉首部、管路、根區(qū)滴頭和智能閥門。

（1）控制系統(tǒng)：主要由移動(dòng)用戶界面終端應(yīng)用軟件和遠(yuǎn)程用戶終端系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能灌溉控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的操作和控制?？刂葡到y(tǒng)功能主要包含首頁(yè)展示、資產(chǎn)管理、水肥程序設(shè)置、遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)診斷等功能，實(shí)現(xiàn)了灌溉計(jì)劃的設(shè)定、在線查看、歷史記錄查詢，灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)管等。

（2）水肥混合系統(tǒng)：由比例施肥器、施肥泵、水肥機(jī)或混液池組成，實(shí)現(xiàn)了水溶性肥料與水充分混合的功能。

（3）水肥灌溉系統(tǒng)：包含灌溉首部、管道、根區(qū)滴（噴）頭和智能閥門等，將混合液通過(guò)管道運(yùn)輸?shù)阶魑锔鶇^(qū)，為作物進(jìn)行灌溉施肥。

（4）數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：由傳感器和控制器組成，通過(guò)傳感器采集的土壤數(shù)據(jù)，控制器控制智能閥門的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。其中傳感器包括土壤水分、EC值、土壤溫度傳感器等，實(shí)現(xiàn)了土壤數(shù)據(jù)的采集?？刂破魈峁┝霜?dú)立輸出控制和自組網(wǎng)功能，為即插即用類型，適用于各種灌溉控制場(chǎng)景。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)框架Fig.1 Block diagram of intelligent irrigation control system

2.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能灌溉控制系統(tǒng)包括以下硬件模塊：灌溉系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器、大數(shù)據(jù)服務(wù)器、移動(dòng)和遠(yuǎn)程用戶終端、智能控制器和網(wǎng)關(guān)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。灌溉系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器作為邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收集，包括運(yùn)算和存儲(chǔ)功能，通過(guò)連接到互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)或下發(fā)到系統(tǒng)終端裝置，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)的綜合應(yīng)用。移動(dòng)和遠(yuǎn)程用戶終端通過(guò)云端/大數(shù)據(jù)平臺(tái)控制灌溉系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，遠(yuǎn)程控制智能灌溉系統(tǒng)。灌溉智能控制器和網(wǎng)關(guān)可以自組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的組合采集、運(yùn)算和控制，通過(guò)灌溉系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器連接到云端，通過(guò)云端下發(fā)的任務(wù)，對(duì)智能閥門進(jìn)行控制。

圖2 灌溉智能控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of irrigation intelligent control system

2.3 系統(tǒng)控制模式

該系統(tǒng)提供了2種控制模式：半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制。

（1）半自動(dòng)控制，是通過(guò)手動(dòng)設(shè)定，定時(shí)定量的一種自動(dòng)控制方式。用戶通過(guò)控制系統(tǒng)軟件在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程設(shè)定灌溉作業(yè)，如設(shè)定灌水時(shí)間、灌水時(shí)長(zhǎng)、灌水周期等控制參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對(duì)作物進(jìn)行自動(dòng)灌溉。

（2）全自動(dòng)控制，是根據(jù)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)自行判斷作物需水需肥情況，并自動(dòng)進(jìn)行施肥和灌溉的方式。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)氣象因素，通過(guò)流量傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器、電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)及各種環(huán)境信息給云端服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)各種實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算蒸發(fā)、蒸騰引起的土壤水分損失，自動(dòng)編制灌溉程序，實(shí)施灌溉或終止灌溉。

3 智能灌溉控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用案例

該智能灌溉控制系統(tǒng)在浙江金華6.67 hm2香榧種植示范田的水肥一體化滴灌工程上進(jìn)行了部署應(yīng)用。

系統(tǒng)部署如圖3所示，在管路上共設(shè)14個(gè)電磁閥和控制器，控制器之間通過(guò)自組網(wǎng)通信。系統(tǒng)采用半自動(dòng)工作方式，根據(jù)香榧各生育時(shí)期需水肥規(guī)律，工作人員制定灌溉計(jì)劃下發(fā)給每個(gè)控制器進(jìn)行灌溉作業(yè)?？刂破鲗⒐喔扔?jì)劃執(zhí)行后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦喔认到y(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器。

該示范田為山地丘陵，在應(yīng)用水肥一體化滴灌技術(shù)前，該區(qū)域的水肥施用主要靠人工開(kāi)溝施肥，需要投入大量人力物力，每年施有機(jī)肥約99 kg/hm2，使用智能灌溉控制系統(tǒng)后，每年施用的水溶肥降低到約33 kg/hm2。同時(shí)使用該系統(tǒng)后，整個(gè)示范區(qū)只需要1個(gè)種植經(jīng)理即可完成所有的灌溉施肥作業(yè)。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用示范區(qū)及部署Fig.3 System application demonstration area and deployment

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 系統(tǒng)末端裝置自組網(wǎng)通信

智能灌溉控制系統(tǒng)的末端裝置包括控制器、網(wǎng)關(guān)、傳感器，可以部署到田間灌溉系統(tǒng)，能解決田間布線麻煩和布線雜亂的問(wèn)題。系統(tǒng)終端裝置傳感器以及閥門獨(dú)立供電，能突破部署數(shù)量和部署距離的限制，并且不需要額外提供電源，節(jié)省電能，操作安全方便。系統(tǒng)終端裝置可以獨(dú)立輸出控制，又具備自組網(wǎng)功能，組網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)量可達(dá)數(shù)百，能夠隨著種植面積擴(kuò)大組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大面積控制。同時(shí)，系統(tǒng)提供了末端裝置之間互相識(shí)別通訊功能，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的組合運(yùn)算和控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的就近運(yùn)算和處理，無(wú)需集中到控制器。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)也可以通過(guò)自組網(wǎng)方式獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地終端裝置。系統(tǒng)終端裝置之間通過(guò)互相識(shí)別通訊功能實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和控制方法的組合應(yīng)用。系統(tǒng)終端裝置自動(dòng)負(fù)載均衡，減小了管道尺寸，可以降低系統(tǒng)的成本。隨著灌溉和施肥數(shù)據(jù)的記錄和水肥系統(tǒng)應(yīng)用管理數(shù)據(jù)的積累，系統(tǒng)可通過(guò)硬件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

3.2.2 便捷的灌溉終端作業(yè)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)提供了運(yùn)行在智能手機(jī)終端的移動(dòng)用戶界面終端應(yīng)用軟件和運(yùn)行于電腦終端的遠(yuǎn)程用戶界面終端2種灌溉終端作業(yè)管理系統(tǒng)，通過(guò)智能手機(jī)或個(gè)人電腦上安裝的控制系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地查看并進(jìn)行程序設(shè)置，即時(shí)調(diào)整輪灌和施肥參數(shù)，還可以通過(guò)手動(dòng)啟動(dòng)灌溉程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)灌溉作業(yè)。末端裝置具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，數(shù)據(jù)可同步儲(chǔ)存在本地和服務(wù)器，為用戶提供了根據(jù)需求調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間、調(diào)整水量預(yù)算、靈活確定灌溉程序和施肥方案的功能。移動(dòng)終端應(yīng)用軟件獲取灌溉區(qū)域內(nèi)多個(gè)末端裝置的編碼，通過(guò)末端裝置編碼確定灌溉區(qū)域位置信息，用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)土壤旱情實(shí)時(shí)控制 灌溉。

4 結(jié)論

該文采用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、水肥混合系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成；具有獨(dú)立供電、自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集、記錄、分析處理的功能，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)水肥一體化的遠(yuǎn)程智能控制和監(jiān)管的功能。系統(tǒng)終端裝置之間通過(guò)兩兩互通實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)和控制信號(hào)的組合就近運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)，無(wú)需集中控制器運(yùn)算。終端裝置的控制器和傳感器之間采用自組網(wǎng)方式連接，不受部署距離和數(shù)量的限制，也不受地形的影響，只需新增末端裝置，即可增加系統(tǒng)的控制范圍，覆蓋大面積區(qū)域。

智能灌溉系統(tǒng)在應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了水肥一體化的遠(yuǎn)程和自動(dòng)灌溉，達(dá)到減少勞動(dòng)力投入，減輕土壤負(fù)擔(dān)的效果。隨著軟硬件的升級(jí)和水肥施用記錄的積累，灌溉系統(tǒng)可以對(duì)作物實(shí)現(xiàn)智能灌溉和精準(zhǔn)灌溉，符合我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的愿景，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。

在今后研究應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)一步分析水肥一體化模式下土壤水分供給、肥力運(yùn)籌對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)等方面的影響，研究土壤中水肥遷移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合作物、水分、肥力等因素，確定不同作物、不同地區(qū)的水肥配比模型，建立專業(yè)化水肥數(shù)據(jù)庫(kù)，提高水肥一體化灌溉控制的智能化、精準(zhǔn)化水平。