大田智能灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 賀國祥 邸桂松 孫興華 靳昂 劉乃迪

1 概述

近年來,隨著信息傳感器技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的農(nóng)業(yè)管理模式正朝著智能化方向發(fā)展[1]。由于我國智能灌溉技術(shù)起步較晚，目前的農(nóng)田灌溉技術(shù)生產(chǎn)方式還存在一些問題。

（1）目前傳統(tǒng)的農(nóng)田經(jīng)驗(yàn)灌溉生產(chǎn)仍然是主要生產(chǎn)方式，農(nóng)田灌溉生產(chǎn)精度難以得到保證，缺乏明確定量生產(chǎn)指標(biāo)和配套的農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)技術(shù)[2]。

（2）人工監(jiān)視和勞動控制均主要是人工勞動進(jìn)行監(jiān)視管理，監(jiān)控系統(tǒng)采用人工進(jìn)行管理,管理水平相對落后，存在勞動強(qiáng)度高、人機(jī)交互能力差等缺陷[3]，嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物生產(chǎn)的質(zhì)量和收獲率。

因此,高效、智能化的灌溉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。依靠人工智能算法，科學(xué)地計算灌溉流量與時間，使農(nóng)田的含水率始終維持在最適合作物生長的土壤濕度，已經(jīng)發(fā)展成為解決農(nóng)村地區(qū)水資源短缺、緩解城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)飲用水不足的一種有效手段。

在分析比較各種智能灌溉技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本文將展望未來智能灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢，期望為我國智能精確灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計提供依據(jù)。

2 模糊控制技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用

2.1 模糊控制理論

模糊控制在現(xiàn)代智能灌溉技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，是以豐富的農(nóng)業(yè)種植管理經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)的農(nóng)業(yè)灌溉管理策略為依托，利用自然語言進(jìn)行表達(dá)，或以大量的實(shí)際灌溉情況和數(shù)據(jù)綜合總結(jié)的模糊控制規(guī)律為理論依托，由計算機(jī)方式實(shí)現(xiàn)的一種智能灌溉管理[4]。由于土壤是一種慣性非線性的系統(tǒng)，整個農(nóng)作物在其生長時期內(nèi)往往會包含許多的環(huán)境變量，很難形成一個準(zhǔn)確統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。模糊控制極其適用于農(nóng)田灌溉的過程，效果顯著。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

2.2 模糊控制方法

模糊控制是一種具有很好的知識表述能力和邏輯推理技術(shù)，通過模糊的邏輯推理就可以完成一個類似于別人的決策流程。通過使用一種具有智能化屬性的模糊控制器，可以有效地解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在灌溉過程中的控制精準(zhǔn)率低的問題，國內(nèi)外研究重點(diǎn)都是將其應(yīng)用到了模糊控制的方法上。

2007年，胡新華和王志明根據(jù)當(dāng)前的綠地氣象預(yù)報技術(shù)特點(diǎn)分別設(shè)計了一種新型的未來綠地節(jié)水灌溉模糊控制器和系統(tǒng),并通過matlab等軟件對該模糊控制器和系統(tǒng)的性能可靠性指標(biāo)進(jìn)行了模擬仿真和統(tǒng)計分析，該模糊控制器的系統(tǒng)未來綠地灌溉用水量主要指標(biāo)取決于當(dāng)前氣象天氣預(yù)報中所及時發(fā)布的綠地降雨量和當(dāng)前灌溉綠地的實(shí)際土壤濕度水勢，模糊預(yù)測控制器將未來的綠地降雨量和當(dāng)前的綠地土壤濕度等預(yù)測數(shù)據(jù)既可作為預(yù)測輸入量，灌溉時的土壤水量和當(dāng)前土壤濕度等預(yù)測數(shù)據(jù)也可作為輸出量，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的智能化灌溉。

2015年，waelchakchouk等人[5]領(lǐng)導(dǎo)研究人員設(shè)計了一種由兩種灌溉控制器技術(shù)相結(jié)合的模糊智能灌溉自動化新型灌溉控制管理方法系統(tǒng)，通過自動編程建立智能pi灌溉控制器和模糊智能自動化灌溉控制器同時自動調(diào)節(jié)固定灌溉用水量，并通過遠(yuǎn)程仿真應(yīng)用實(shí)踐證明了該灌溉控制管理方法的技術(shù)有效性與應(yīng)用可行性。

2018年，馮兆宇等人[6]通過灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測出水稻各生長階段的需水量,并通過MATLAB軟件對模糊控制器進(jìn)行了仿真。農(nóng)田實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示節(jié)水率高達(dá)13.54%，水稻產(chǎn)量也得到了明顯的提高。

2020年，金杰采用模糊算法[7]，提出了一種基于降雨預(yù)報的干深時域智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測、根據(jù)天氣預(yù)報和土壤濕度自主決策灌溉，以及農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲與查詢。顧飛龍[8]將lora與模糊控制算法相結(jié)合設(shè)計了基于LoRa的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。

綜上所述，將模糊控制數(shù)學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用到各種智能被控灌溉中,可以通過構(gòu)建模糊數(shù)學(xué)控制模型，解決智能灌溉過程工藝批量生產(chǎn)以及過程管理中的控制問題,提高智能灌溉的生產(chǎn)精度。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能灌溉中的應(yīng)用

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線光電傳感器智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有智能電池容量大、功耗低、可靠性好等多大優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于大型石化工業(yè)和城鎮(zhèn)農(nóng)村大型農(nóng)作物智能生產(chǎn)轉(zhuǎn)化基地[9-11]，促進(jìn)到了我國農(nóng)村智能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和農(nóng)村精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧灌溉中的應(yīng)用

2018年，沈建煒等人[12]構(gòu)建了丘陵區(qū)藍(lán)莓園智能灌溉決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用土壤水分傳感器和小型氣象站對藍(lán)莓園的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)莓園的灌溉決策和遠(yuǎn)程監(jiān)控。但該系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)參考，監(jiān)測點(diǎn)多，設(shè)備投資大。

同年楊輝等人[13]開發(fā)了基于ZigBee通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)智能灌溉系統(tǒng)，重點(diǎn)設(shè)計開發(fā)了基于CC2530的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，并采用C/S結(jié)構(gòu)的上位軟件實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和灌溉控制。最后簡要介紹了Lora技術(shù)的應(yīng)用。系統(tǒng)的嵌入式節(jié)點(diǎn)設(shè)計非常優(yōu)秀，但上層軟件設(shè)計功能稍顯單一。

綜上所述，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛運(yùn)用于植物智能化灌溉中，可以輕松實(shí)現(xiàn)對植物生長環(huán)境的監(jiān)測，突破了土壤和地域的限制，提高了資料的信息共享度，同時根據(jù)環(huán)境和土壤的實(shí)時參數(shù)，可以合理算出最佳的灌溉時間和水量，達(dá)到節(jié)水的目的。另外無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在其應(yīng)用過程中結(jié)合了人工智能管理技術(shù)，可以在無人值守的條件下完成蓄水池的灌溉。

4 智能灌溉技術(shù)的展望

國家經(jīng)濟(jì)社會科學(xué)發(fā)展五年規(guī)劃在工作報告中明確指出，要大力推進(jìn)加快突破“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的體系建設(shè),重點(diǎn)任務(wù)是加快突破應(yīng)用傳統(tǒng)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)生產(chǎn)設(shè)備、智能化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境資源保護(hù)等各個領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)。智能灌溉發(fā)展的核心是在無人值守的情況下，灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)作物需水量、地形、氣候等因素，利用大數(shù)據(jù)分析等方法進(jìn)行智能灌溉。筆者本文結(jié)合對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)智能網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)技術(shù)的深入研究與應(yīng)用分析，提出了未來我國智能系統(tǒng)灌溉的發(fā)展趨勢。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種同時具有用戶可以輕松地直接實(shí)現(xiàn)對事物信息的全面實(shí)時感知、可靠的信息傳輸和對信息智能化的大數(shù)據(jù)處理三大功能的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[14]。我國已經(jīng)正式提出了“感知中國”的現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展五大戰(zhàn)略，“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”也被廣泛認(rèn)為將是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在未來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展五大戰(zhàn)略中最重要的一個主題和主要應(yīng)用發(fā)展方向。在移動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，將移動物聯(lián)網(wǎng)廣泛地深入運(yùn)用于綠色農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”。

隨著我國新一代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的快速進(jìn)步和不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)一定會成為是一種必然的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)同時可以根據(jù)不同溫室用戶的環(huán)境情況,實(shí)時自動監(jiān)控室內(nèi)土壤的各種重要環(huán)境參數(shù)，并且系統(tǒng)利用無線信號數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊可以進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，對所有用戶指定的監(jiān)控設(shè)備信號進(jìn)行自動切換或者手動進(jìn)行調(diào)整。

4.2 大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用

在智慧灌溉方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算技術(shù)已經(jīng)得到了很好的融合，構(gòu)建了以數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)上通信、數(shù)據(jù)云計算、管理和決策等功能于一體的綜合性智慧灌溉信息化系統(tǒng),更好地服務(wù)于智慧型農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)論

本研究主要是針對當(dāng)前工業(yè)農(nóng)田灌溉管理飲用區(qū)中水資源缺乏綜合利用轉(zhuǎn)化系數(shù)低、管理水平落后等突出實(shí)際問題，從農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程技術(shù)兩個角度，介紹和深入分析了模糊控制管理技術(shù)、無線流量傳感器以及網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)田灌溉管理領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，并且詳細(xì)地分析展望了未來幾年我國農(nóng)業(yè)智能化農(nóng)田灌溉管理技術(shù)的發(fā)展趨勢。通過上面的論述和其他綜合理論分析，可以由此得出一個如下的基本結(jié)論。

土壤本身就是個非線性、滯后的復(fù)雜物理系統(tǒng)，我們必須在當(dāng)?shù)赝寥乐型瑫r引入多種人工智能控制算法，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境中作物信息結(jié)構(gòu)變化的情況及時做出當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)的土壤適應(yīng)性，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生長營造一個安全適宜的土壤環(huán)境，提高土壤農(nóng)產(chǎn)率。

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模發(fā)展，對農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的靈活性、準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、完備的農(nóng)業(yè)知識信息存儲系統(tǒng)等技術(shù)使得農(nóng)業(yè)灌溉在智能農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟。