果樹容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究與應用

王海松 王越

摘?要：對果樹空氣修根容器栽培中智能灌溉系統(tǒng)做了完整的設計，從控制器開發(fā)、平臺軟件管理、建立數(shù)據模型3個主要環(huán)節(jié)進行了詳細的論述，期望在果樹容器育苗生產中實現(xiàn)節(jié)水增效的目標。

關鍵詞：果樹容器栽培;節(jié)水灌溉;物聯(lián)網;傳感器

文章編號：2096-8108（2020）06-0060-03??中圖分類號：S607+.1??文獻標識碼：A

Research and Application of Intelligent Irrigation

Model in Container Seedling Cultivation of Fruit Trees

WANG Haisong， WANG Yue

（Pomology Institute， Shanxi Agricultural University， Taigu 030815，China）

Abstract：The intelligent irrigation system of Air Pruning Container Cultivation of fruit trees was designed completely， and the three main parts of controller development， platform software management and data model establishment were discussed in detail for saving water and improving quality in fruit container seedling production.

Keywords：fruit container cultivation; irrigation of water saving; Internet of Things; sensor

20世紀80年代起，空氣修根容器栽培以其育苗周期短、栽植季節(jié)長、成活率高等優(yōu)點開始廣泛用于林業(yè)育苗。果樹容器育苗利用空氣修根原理不僅解決了根系纏繞問題，大幅提高了成活率、果園建園快

且不需緩苗，還可以廣泛應用于工廠化、智能化育苗。近年來隨著我國城市化進程的加快，果樹種植面積的大幅增長，果樹容器培育苗木必將成為果樹育苗、果園快速更新的主要栽培方式之一。

果樹容器育苗因其自身栽培特點，在實際生產中較大田育苗有其顯著優(yōu)點，而水肥管理是需要攻克的關鍵技術環(huán)節(jié)。充分利用栽培方式的工廠化、設施化，智能化可以有效節(jié)約人工及材料成本，推動實現(xiàn)苗圃的標準化管理。

隨著智能農業(yè)的發(fā)展，將信息化技術應用于生產區(qū)環(huán)境監(jiān)控及生產過程管理，已在栽培管理領域發(fā)揮了巨大的作用。但大多應用都是基于大田土壤環(huán)境下，對于特定樹種的果樹容器育苗模式很少涉及。基于物聯(lián)網技術的容器節(jié)水灌溉起步不久，從硬件的成熟性、應用的局限性來說，還存在著如下問題和不足。

1）不能整合多媒體信息（視頻、圖片）。果樹育苗園區(qū)灌溉需要配合視頻監(jiān)控，現(xiàn)有的人工方式費時費力。

2）缺少一體化完整解決方案。多數(shù)監(jiān)測方法單一數(shù)據模式，不能適應快速發(fā)展的需要。

3）對傳感器接入類型太多限制，不便部署。當前大多數(shù)果園監(jiān)測設備要求使用指定的傳感器，不具備通用性。

4）工業(yè)級產品缺乏，部署地域受限。在我國南北氣候差異很大，南方夏季炎熱，而北方冬季十分寒冷，只有工業(yè)級產品才能廣泛適用于各種復雜的地理和氣象環(huán)境。

為了解決這些問題，山西省農業(yè)科學院果樹研究所和相關企業(yè)聯(lián)合設計研制了新一代物聯(lián)網農業(yè)智能監(jiān)控終端設備。該設備采用一體化、工業(yè)標準、低功耗設計，具備高性能、高可靠性及高穩(wěn)定性，

可以對灌溉設施進行智能控制，整個系統(tǒng)能夠進行自動維護、智能管理和遠程升級。此系統(tǒng)可同時兼顧室外容器栽培和設施容器栽培。

1?整體設計

通過將傳感器網絡布設于葡萄、櫻桃、柿子等容器育苗和生長區(qū)域，網絡節(jié)點大量收集溫度、濕度、光照、氣體濃度等物理量，精準地獲取容器內土壤水分、pH值等信息[1]。采集到的各種數(shù)據傳送到管理平臺，然后進行綜合分析，結合不同果樹在不同生長階段對水分的需求，研究建立并逐步改進節(jié)水模型，實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的智能化控制，擺脫以往僅憑經驗灌溉的灌溉模式，使容器灌溉決策建立在科學的基礎之上，達到節(jié)水灌溉的目的。通過信息技術與農業(yè)技術的深度融合，進一步提高生產管理水平，增加經濟效益。

2?系統(tǒng)架構

2.1?基于工業(yè)級一體化設計架構

按照工業(yè)級標準進行智能控制設備的架構設計（見圖1）。采用如下設計理念。

平臺化設計：充分利用現(xiàn)有平臺，如ARM硬件平臺、嵌入式Linux軟件平臺、通用傳感器接入平臺、H.264視頻編碼平臺等，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產品可靠性及穩(wěn)定性。

模塊化設計：采用模塊化設計，產品可根據用戶需求進行定制，如WiFi模塊和4G模塊用戶可以選裝其中一種。

可擴展性設計：系統(tǒng)預留了可擴展余地，當前數(shù)據采集模塊支持16路傳感器接入，根據項目需求，可進行擴展設計，支持更多數(shù)量的傳感器。

2.2?硬件和軟件架構

2.2.1?核心主板硬件平臺

采用三星公司的S3C6410 ARM芯片，研制ARM-Core-Board核心板，從該板引出320個管腳，把ARM芯片的管腳全部通過接插件引出，滿足各類擴展需求，作為ARM應用平臺。

2.2.2?傳感器通用接入平臺

增加ZigBee無線傳感器接入模式[2]。傳感器支持：電壓型采集模式、電流型采集模式、開關量采集模式、RS-232/RS485采集模式。從而實現(xiàn)廣泛的傳感器接入，使系統(tǒng)能夠具有良好的擴展性和兼容性。

2.2.3?視頻算法平臺

基于嵌入式平臺的視頻編碼模塊支持一路高清編碼，支持拍照模式工作。優(yōu)化H.264視頻壓縮算法，支持H.264 High Profile（高端類模式）、Main Profile（主要類模式）、Baseline Profile（基線類模式），能夠實現(xiàn)720P實時編碼。

2.2.4?嵌入式Linux軟件平臺

基于μC-Linux內核優(yōu)化的Linux軟件平臺創(chuàng)建結構小巧，具有可剝奪實時內核的實時操作系統(tǒng)。可剝奪型的實時內核是在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級的任務。

2.2.5?4G移動互聯(lián)網開發(fā)平臺

監(jiān)測設備可以使用4G無線模塊直接連接到internet，通過IP地址訪問監(jiān)控中心，上傳數(shù)據。

通過上述平臺進行開發(fā)設計，可實時采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、風速、風向、光照強度、降雨量等環(huán)境參數(shù)和視頻圖像信息，支持同時16路傳感器輸入和1024路無線傳感器輸入，有效精度高達16 bit;支持ZigBee任意組網，實現(xiàn)遠程無線接入無線模塊傳感器和開關量數(shù)據的采集控制，提供豐富擴展接口，包括RS485、RS232、以太網、USB、CAN等;設備通過以太網、WiFi、3G、4G網絡實現(xiàn)與遠程服務器數(shù)據通信，交互全部數(shù)據帶有AES加密安全通信保障功能，保證產品通信和傳輸?shù)臄?shù)據安全;設備同時配有視頻采集、廣播級的H.264視頻編碼和JPEG2000圖片壓縮，可在采集信號的同時為用戶提供現(xiàn)場高質量的視頻圖像和圖片信息。

3?基于傳感數(shù)據及模型分析技術的節(jié)水灌溉系統(tǒng)

根據室外空氣溫濕度傳感器或溫室大棚內空氣和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據，結合不同果樹在不同生長階段對水分的需求施行精準灌溉，改善管理措施，降低水資源消耗，降低生產成本。

3.1?果樹需水量的影響因素研究

果樹容器苗精準灌溉所需水量的影響因素主要包括：氣象條件、育苗基質水分狀況以及基質物理性質、生物學特性等幾個方面。首先，從育苗基質水分供水狀況因素考慮，采用水量平衡方法，通過埋設于容器中不同深度的傳感器所實時地不間斷地采集到的數(shù)據，建立水量平衡模型，分析容器不同深度水勢和含水量的分布。在此基礎上，對平衡模型進行數(shù)值離散化，建立估算模型計算需水量。其次，從氣象條件和果樹生物學特性角度研究需水量，利用聯(lián)合國糧農組織 FAO 最新推薦的Penman-Monteith公式計算所在區(qū)域參考需水量，再結合果樹品種在不同生長階段的系數(shù)，計算出需水量。最后，比較對照不同計算方法的計算結果，進一步對果樹容器苗需水量的計算方法進行評價。

3.2?監(jiān)測數(shù)據綜合分析，總結及改進灌溉模型

管理平臺通過一段時期的數(shù)據積累，總結并制定不同果樹容器苗在不同時間段內的灌溉模型，根據模型計算出容器苗所需灌溉量及灌溉時間，制定節(jié)水灌溉方案，并在實施過程中對灌溉模型不斷加以修正與改進。

依據所制定的灌溉方案，管理平臺可以按照用戶需要設定灌溉設施的自動控制和手動控制。在自動控制的情況下，系統(tǒng)可在規(guī)定的時間或根據育苗基質的濕度監(jiān)測值，判斷容器內的缺水情況，自動計算出供水量，將控制指令發(fā)送給電磁閥控制器，自動調節(jié)輸水管道的開關閥門進行節(jié)水灌溉。[3]

3.3?育苗區(qū)域灌溉水量統(tǒng)計與分析

管理平臺能夠對容器栽培區(qū)的氣象狀況、基質墑情等相關數(shù)據進行記錄，統(tǒng)計不同季節(jié)不同氣候條件下的容器栽培區(qū)灌溉量，并根據果樹容器苗的生長及收獲情況，經過一定時期的數(shù)據積累，歸納總結出節(jié)水灌溉投入與產出的關系，用極值法確定合理節(jié)水用水的灌溉定額，由此計算出產值最大時的灌溉用水量，即經濟效益最大時的灌溉用水量。

4?總結

我國是一個果品生產和消費大國，北方廣大地區(qū)水資源短缺嚴重，水危機已成為制約果業(yè)發(fā)展的重要因素。果樹容器栽培技術相對于傳統(tǒng)的田間栽培具有成活率高、建園快，早花早果，有效節(jié)約人力成本等優(yōu)勢。因此開展果樹育苗容器栽培的智能化管理是未來實現(xiàn)果樹控根容器育苗發(fā)展工廠化、集約化的有益探索，而建設容器智能灌溉管理系統(tǒng)是解決問題的最佳方案，具有顯著的社會效應和經濟效益。

參考文獻

[1]陳偉森，俞?龍，孫道宗.果園節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設計與試驗[J].節(jié)水灌溉，2018（1）：73-76.

[2]郭國法.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J].江蘇農業(yè)科學，2015，43（11）：513-518.

[3]繆?丹，陳?吉. 一種新型自動化灌溉技術的設計與施工[J].企業(yè)技術開發(fā)，2015（31）：25-26.