基于土壤墑情的精準自動化灌溉系統(tǒng)研究

王 煒，晉 華

（1.太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站， 山西 太原 030002；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002）

我國是一個水資源匱乏的國家[1，2]，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率僅為45%[3，4]。因此，提高農(nóng)業(yè)灌溉利用率是緩解水資源緊缺的必由之路。灌溉系統(tǒng)自動化程度的提高，省時省力，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率[5]。

自動灌溉控制技術(shù)在大型灌區(qū)或微灌技術(shù)迅速發(fā)展的地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用[6，7]。徐征和等[8]利用計算機遠程控制，構(gòu)筑了作物生長資料及土壤資料集成收集利用的途徑，形成了一套優(yōu)越的技術(shù)體系。陳天華等[9]利用ARM和GPRS系統(tǒng)，研制了一種土壤墑情監(jiān)測和預(yù)報系統(tǒng)，提高了水資源利用效率。岳學(xué)軍等[10]設(shè)計了一種自動化灌溉系統(tǒng)，可根據(jù)土壤濕度變化自動調(diào)節(jié)灌溉水量。微灌等先進的灌溉技術(shù)若不能和自動化灌溉系統(tǒng)有機結(jié)合，就無法實現(xiàn)精準的自動化灌溉。李偉[11]利用PLC 技術(shù)研制了自動灌溉施肥系統(tǒng)，可根據(jù)作物肥料需求進行水肥一體化自動灌溉。朱煥立[12]等利用通信技術(shù)、傳感器和自動控制設(shè)備，實現(xiàn)了自動化灌溉。目前，依托微灌等先進的技術(shù)手段已可實現(xiàn)局部的自動化控制。然而，能夠依據(jù)作物需水特性對土壤墑情進行實時監(jiān)測、預(yù)報，進行完全自動化灌溉的系統(tǒng)還較少。

結(jié)合中央系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠程測控終端（RTU）、泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)等部分研發(fā)了一種精準自動化灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)灌溉、降水數(shù)據(jù)的定時采集，實時監(jiān)測水泵、管網(wǎng)和閥門的工作狀態(tài)，經(jīng)智能灌溉專家系統(tǒng)分析后，可依據(jù)土壤墑情和作物的需水特性，進行精準的自動化灌溉。

1 自動化系統(tǒng)設(shè)計

精準自動化灌溉系統(tǒng)主要由計量儀表、IC 卡和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等監(jiān)控設(shè)備，軟件平臺和水資源測控管理系統(tǒng)等構(gòu)成。精準自動化灌溉系統(tǒng)總體構(gòu)成示意，如圖1所示。精準自動化灌溉系統(tǒng)工作流程，如圖2所示。研究在井房和灌溉小區(qū)出口處布設(shè)水表計量儀器，實時采集各單元用水量，并通過信號線發(fā)送至井房水資源控制器。計量儀表主要包括壓力式水位計、電磁流量計及上旋翼水表等。

IC 卡安裝于井房內(nèi)，用于控制預(yù)先設(shè)置的水量，并控制水泵的啟閉。IC 卡與監(jiān)控中心通過GPRS/GSM 方式無線通信，將監(jiān)控信息上傳至監(jiān)控中心，保存至數(shù)據(jù)庫。IC 卡主要有水流量采集功能、多用戶非接觸卡控功能、剩余水量下限報警功能、反寫卡功能、歷史數(shù)據(jù)保存功能、水表線路故障監(jiān)測功能、水泵運行故障監(jiān)測功能、異常數(shù)據(jù)保護功能、數(shù)據(jù)通信功能和水表線路故障事件記錄功能。

水資源測控管理系統(tǒng)是對水資源利用的綜合管理軟件，其主要包括系統(tǒng)管理、基本信息管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、IC 卡及售水管理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計和業(yè)務(wù)報表打印模塊。

圖1 精準自動化灌溉系統(tǒng)總體構(gòu)成示意

圖2 精準自動化灌溉系統(tǒng)工作流程

2 自動灌溉控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

自動灌溉控制系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠程測控終端（RTU）、泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)、電磁流量計及電磁閥和水泵等部分組成。中央控制器是自動灌溉控制系統(tǒng)的核心機器，由多臺PC機及機柜組成。中央控制器主要對采集的信號進行分析、決策和發(fā)出控制命令，其主要包括智能灌溉專家系統(tǒng)、實時監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)報表系統(tǒng)和人機交互界面等。

監(jiān)測控制命令由計算機串口發(fā)出，通過高速工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送至現(xiàn)場自動氣象環(huán)境站、泵站管網(wǎng)和遠程測控終端的采集變送設(shè)備。現(xiàn)場自動氣象環(huán)境站用來監(jiān)測環(huán)境溫度、降水和土壤墑情等信息，并回傳送給中央控制器。泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)用來檢測機泵運行情況、管道水壓等信號，并接受執(zhí)行中央控制器的控制指令，進行機泵的開啟和停機，以保持灌溉管網(wǎng)的水壓維持在合適的壓力。自動氣象環(huán)境站和泵站系統(tǒng)的控制中心采用電纜線以串行通信方式交換信息。不同作物的需水特性和不同生育階段的作物需水要求有所差異。遠程測控終端可依據(jù)土壤墑情的變化實時采集，上報土壤水分含量，接受控制指令，進而控制灌溉進程。

遠程測控終端分布在田間，距控制中心相對較遠?？刂浦行牡男畔⑼ㄟ^無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向傳遞，可將每個灌溉泵視為一個獨立的單元。每個獨立的灌溉泵設(shè)置一個無線傳輸設(shè)備3G DTU，用于和中心控制室連接。

3 系統(tǒng)工作原理

精準自動化灌溉系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代計算機和自動控制及通信技術(shù)，利用集成電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制。通過采集不同區(qū)域內(nèi)土壤墑情數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同形式的自動灌溉，從而保持適宜的土壤墑情。通過RS 485 總線連接的控制中心與灌溉控制器通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的執(zhí)行。另外，無線通信模塊則為精準自動化灌溉系統(tǒng)提供了通過遙控進行遠程控制的途徑。

4 系統(tǒng)主要功能

（1）信息自動采集及自動監(jiān)測功能。作物生長與溫度、降雨等氣象因素和灌溉、蒸發(fā)導(dǎo)致的土壤墑情變化密切相關(guān)[13]。自動灌溉系統(tǒng)可通過自動氣象站中的溫度傳感器、濕度傳感器、雨量傳感器及埋設(shè)于作物根區(qū)的土壤墑情傳感器對作物生長的相關(guān)因子進行實時采集和保存，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制器。研究中自動傳感器可依據(jù)控制終端預(yù)先設(shè)定的時間進行土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，并且發(fā)送至中央控制器。另外，精準自動化灌溉系統(tǒng)可依據(jù)需求，及時向相關(guān)傳感器發(fā)送指令，進行相關(guān)土壤和氣候數(shù)據(jù)的采集。精準自動化灌溉系統(tǒng)可實時監(jiān)測管網(wǎng)運行狀態(tài)和氣象數(shù)據(jù)。

（2）灌溉決策支持功能。系統(tǒng)的智能灌溉專家系統(tǒng)可根據(jù)采集傳輸?shù)男畔ⅲ凑障嚓P(guān)知識庫和規(guī)則庫，綜合分析推理，實現(xiàn)土壤墑情的實時預(yù)報。不同作物對水分耐受的上、下限有所差異[14]。自動灌溉控制系統(tǒng)中儲備了相關(guān)作物適宜的水分需求上下限。在灌溉過程中，自動灌溉控制系統(tǒng)可依據(jù)土壤墑情的實時傳輸和作物生長所需適宜含水量的上、下限比較情況，確定灌溉制度。另外，精準自動化灌溉系統(tǒng)可依據(jù)灌溉智能決策結(jié)果發(fā)出機泵自動開啟指令，按照制定的灌溉制度進行灌溉。

（3）預(yù)置修改功能。在自動灌溉控制系統(tǒng)運行階段，可依據(jù)不同作物或同一作物不同的生長階段，針對不同土壤水分需求及時修改相關(guān)參數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)庫管理功能及報表和圖形打印功能。精準自動化灌溉系統(tǒng)可提供原始監(jiān)測值，并對測定數(shù)據(jù)進行自動處理和轉(zhuǎn)換。為了方便對土壤墑情和氣象數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，自動灌溉控制系統(tǒng)可按選定的日期、時段和傳感器類型，生成各種壓力、土壤含水量等過程線，并可自動打印報表。

（5）預(yù)警保護功能和防雷抗干擾功能。當機泵電流過限、管道工作壓力異常時，精準自動化灌溉系統(tǒng)會進行預(yù)警保護，直至恢復(fù)正常。精準自動化灌溉系統(tǒng)的發(fā)射天線處均接有避雷器，可有效預(yù)防雷電。

5 系統(tǒng)工作方式

（1）自動專家控制方式。在精準自動化灌溉系統(tǒng)工作過程中，空氣溫度、濕度、風速和降雨等氣象數(shù)據(jù)、土壤水分含量和蒸發(fā)數(shù)據(jù)以計算機識別信號進入中央控制器。其次，智能灌溉專家系統(tǒng)對所接受的信號進行分析推理，并向遠程測控終端發(fā)出指令。最后，遠程測控終端根據(jù)中央控制器的指令開啟相關(guān)的電磁閥進行灌溉。中央控制器連續(xù)采集泵站、管網(wǎng)的信息，發(fā)出相關(guān)指令，控制水泵的運轉(zhuǎn)速度來維持管道壓力的恒定，維持額定的供水壓力，保障灌溉管道和水泵的安全運行。精準自動化灌溉系統(tǒng)可實時收集管網(wǎng)信息、土壤墑情及氣象數(shù)據(jù)，儲存于數(shù)據(jù)庫，以供查詢。另外，精準自動化灌溉系統(tǒng)可依據(jù)降雨、蒸發(fā)和土壤墑情等資料，綜合分析監(jiān)測土壤水分短暫的動態(tài)變化，以實行短期灌溉精準預(yù)報。

（2）半自動方式。管理人員可在控制室內(nèi)，通過微機對3G DTU 上傳的流量、壓力和水位等管道運行數(shù)據(jù)，土壤濕度及空氣溫度和風速等氣象數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，利用專家會議討論制定相關(guān)灌溉方案。通過人工調(diào)用不同的控制模塊，實現(xiàn)精準自動化節(jié)水灌溉。另外，管理人員可對每個小區(qū)進行灌溉控制、調(diào)度、計量和計費。

（3）手動方式。該系統(tǒng)可針對零散用戶和單片區(qū)域的灌溉請求，在控制室手動起動相應(yīng)的泵站，進行計量收費控制。在這個過程中，可隨時參考現(xiàn)場自動氣象環(huán)境站、泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)發(fā)回的各種數(shù)據(jù)，做到較合理的用水灌溉。

6 結(jié)論

針對我國自動化灌溉水平較低的突出問題，基于土壤墑情和作物需水特性，研發(fā)了一種精準自動化灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研制對我國水資源利用效率的提高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的降低有重要的意義。

（1）精準自動化灌溉系統(tǒng)由中央控制系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠程測控終端（RTU）、泵站管網(wǎng)測控系統(tǒng)、電磁流量計及電磁閥和水泵等部分組成。

（2）精準自動化灌溉系統(tǒng)可實現(xiàn)信息自動采集、自動監(jiān)控、灌溉決策支持、預(yù)置修改、報表圖形自動打印、數(shù)據(jù)庫管理、預(yù)警保護、防雷保護和抗干擾能力等功能。

（3）精準自動化灌溉系統(tǒng)可依據(jù)管理人員靈活選擇操作模式。