基于云平臺(tái)的智能灌溉控制系統(tǒng)

王曉麗， 安勝鑫， 張國(guó)峰， 饒晨曦

（1. 河北潤(rùn)農(nóng)節(jié)水科技股份有限公司，河北 唐山 064100；2. 河北省節(jié)水灌溉裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 064100）

0 引言

隨著水資源供需矛盾日益突出，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，滴灌作為目前節(jié)水效果和灌水質(zhì)量較好的灌水方式之一，在我國(guó)已得到大面積推廣應(yīng)用，但目前滴灌技術(shù)推廣應(yīng)用中配套設(shè)備大多采用手動(dòng)控制，在水肥管理過(guò)程中需專人值守，灌水和施肥量的確定仍依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判定，難以達(dá)到精細(xì)化管理的要求。近年來(lái)，隨著土地流轉(zhuǎn)和規(guī)模化種植的不斷發(fā)展，對(duì)田間管理模式提出了自動(dòng)化、精準(zhǔn)化、智能化的發(fā)展要求，但由于土壤水分動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（SPAC 系統(tǒng)）中某些均衡要素（如降雨、蒸發(fā)和蒸騰）不僅在時(shí)間上是隨機(jī)變化的，而且在空間上也是隨機(jī)分布的，同時(shí)由于土壤本身的空間變異性及不同作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期需水量各異，使得灌溉決策系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，在缺少大數(shù)據(jù)支撐條件下，難以建立起與作物水肥需求特點(diǎn)相耦合的灌溉決策模型及精準(zhǔn)化灌溉實(shí)施方案。目前已有的智能灌溉控制系統(tǒng)大多采用時(shí)序控制：達(dá)到設(shè)定的開(kāi)啟時(shí)間，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行灌溉，達(dá)到設(shè)定灌溉時(shí)長(zhǎng)設(shè)備自動(dòng)停止，完成灌溉，這種控制方式在一定程度上實(shí)現(xiàn)了灌溉過(guò)程的自動(dòng)化控制，但灌溉決策模型的制定仍依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，制定的決策模型與作物需求特點(diǎn)難以匹配，不但浪費(fèi)水肥資源還會(huì)影響灌水效果。本研究針對(duì)目前滴灌水肥一體化技術(shù)推廣應(yīng)用中普遍存在的管理模式粗放、自動(dòng)化程度低、水肥浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，以灌溉決策模型建立及配套硬件設(shè)備的控制方法研究為重點(diǎn)，計(jì)劃開(kāi)發(fā)出一套可以對(duì)灌水過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的智能灌溉控制系統(tǒng)，以期提高田間管理的自動(dòng)化程度和精細(xì)化水平，以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。

1 智能灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 智能灌溉控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能灌溉控制系統(tǒng)是借助于云服務(wù)平臺(tái)、無(wú)線通信技術(shù)及傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)發(fā)出的一套可以根據(jù)土壤墑情信息對(duì)田間灌溉過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的灌溉管理系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和配套的硬件設(shè)備兩大部分組成，其中配套硬件設(shè)備主要包括LoRa 網(wǎng)關(guān)、LoRa 終端、DTU 模塊等數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，水泵、變頻器、過(guò)濾器、智能水肥一體機(jī)等首部系統(tǒng)，支持RS-485 通訊的壓力表和流量計(jì)等量測(cè)設(shè)備，以及脈沖電磁閥和土壤墑情傳感器等田間設(shè)備。系統(tǒng)工作時(shí)土壤墑情傳感器將采集到的土壤墑情信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆品?wù)器，經(jīng)云服務(wù)器分析處理后根據(jù)設(shè)定的灌溉決策模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的控制命令，控制首部系統(tǒng)及田間電磁閥的啟閉，從而對(duì)田間灌溉過(guò)程進(jìn)行控制，有效提高水肥利用率及田間管理的自動(dòng)化程度和精細(xì)化水平[2]。智能灌溉控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)工作原理Fig. 1 Working principle of intelligent irrigation control system

1.2 系統(tǒng)硬件配置

智能灌溉控制系統(tǒng)分為云服務(wù)器、通信模塊、下位機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4 層結(jié)構(gòu)，其中云服務(wù)器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理決策，是控制系統(tǒng)的核心。

通訊模塊是智能灌溉控制系統(tǒng)的信息傳遞中樞，其性能直接影響系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，由于田間環(huán)境因素復(fù)雜，涉及到的田間設(shè)備較多，若采用有線傳輸，不但影響田間耕作，設(shè)備故障或需要增加新設(shè)備時(shí)可能需重新布設(shè)電路，增加施工成本，因此，采用無(wú)線通訊的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)考慮到田間環(huán)境的復(fù)雜性，通訊模塊應(yīng)滿足低能耗、精度高、信息傳輸穩(wěn)定等要求，經(jīng)對(duì)比分析，無(wú)線傳輸系統(tǒng)配套的LoRa 網(wǎng)關(guān)、LoRa終端及DTU 模塊分別選用山東有人信息技術(shù)有限公司的USR-LG220、USR-G780 和USR-LG206 系 列 產(chǎn) 品，其中，云服務(wù)器和DTU 模塊之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鳎琇oRa 網(wǎng)關(guān)和解碼器之間采用LoRa 通訊協(xié)議+自組網(wǎng)的方式通訊，DTU 模塊和LoRa 網(wǎng)關(guān)之間以PLC 為中繼，采用485 通訊方式進(jìn)行信息傳輸，該通訊方式穩(wěn)定性好且設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸覆蓋面廣，滿足田間應(yīng)用需求[3-4]。

下位機(jī)主要是PLC、STM32 單片機(jī)等設(shè)備，上位機(jī)控制面板通過(guò)RS-485 通信協(xié)議與下位機(jī)完成通訊。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括水泵、過(guò)濾器、施肥機(jī)及田間電磁閥等設(shè)備，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行各項(xiàng)決策命令，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套的過(guò)濾器和施肥機(jī)選用自主研發(fā)的設(shè)備，設(shè)備均配套具有RS-485 通訊功能的PLC 控制模塊，PLC 與DTU 模塊之間通過(guò)RS-485 通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，完成相關(guān)信息及決策命令的傳輸。

電磁閥作為田間灌溉主要執(zhí)行元件，其性能直接關(guān)系到灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為滿足田間應(yīng)用需求，田間電磁閥應(yīng)滿足低功耗的基本需求，經(jīng)對(duì)比分析，選定了自保持式脈沖電磁閥，工作時(shí)輸入正向控制信號(hào)，電磁閥打開(kāi)，執(zhí)行灌溉命令，此時(shí)停止輸入正向控制信號(hào)，電磁閥將繼續(xù)保持當(dāng)前動(dòng)作狀態(tài)，直到輸入反向控制信號(hào)，電磁閥復(fù)位，停止灌溉，滿足低功耗要求[5]。智能灌溉控制系統(tǒng)架構(gòu)及配套通訊模塊分別如圖2、圖3 所示。

圖2 智能灌溉控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 Architecture of intelligent irrigation control system

圖3 無(wú)線通訊模塊Fig. 3 Wireless communication module

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

項(xiàng)目研發(fā)的智能灌溉控制系統(tǒng)是將信息采集技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)化管理平臺(tái)，用戶借助于云控制平臺(tái)，通過(guò)PC 端或手機(jī)APP 可實(shí)現(xiàn)對(duì)灌水施肥過(guò)程的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，有效提高水肥管理的自動(dòng)化程度和智能化水平。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)配套傳感器采集的土壤墑情及設(shè)備狀態(tài)信息及時(shí)上傳，經(jīng)處理分析后根據(jù)設(shè)定的灌溉管理決策模型，發(fā)出相應(yīng)控制指令，通過(guò)控制水源水泵、智能水肥一體機(jī)及田間電磁閥等設(shè)備的啟閉實(shí)現(xiàn)對(duì)灌水過(guò)程的控制。項(xiàng)目的智能灌溉控制平臺(tái)采用PHP 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，B/S 架構(gòu)體系，區(qū)域環(huán)境可視化展示采用ECharts 可視化工具，并配有MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用程序，便于管理和快速訪問(wèn)平臺(tái)數(shù)據(jù)。其控制程序如圖4 所示。

圖4 智能灌溉控制系統(tǒng)主程序架構(gòu)Fig. 4 Main program architecture of intelligent irrigation control system

智能滴灌控制系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種相對(duì)獨(dú)立的模式實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過(guò)程的控制。手動(dòng)控制即通過(guò)命令按鈕直接控制系統(tǒng)啟閉，或通過(guò)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好設(shè)備啟閉時(shí)間和灌溉周期，達(dá)到設(shè)定灌溉時(shí)間后，水源水泵、過(guò)濾器、施肥機(jī)及田間電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，按設(shè)定好的施肥配方和輪灌編組進(jìn)行灌溉，達(dá)到設(shè)定灌水時(shí)間/灌水量后，系統(tǒng)配套設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉，完成灌溉。自動(dòng)控制則是根據(jù)設(shè)定好的灌溉決策模型及采集的土壤墑情和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，自動(dòng)對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行控制，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、田間信息及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和反饋，便于用戶及時(shí)掌握灌水施肥狀況，有效提高田間管理的精細(xì)化水平，其控制流程如圖5 所示[6-7]。

圖5 智能灌溉系統(tǒng)控制流程Fig. 5 Intelligent irrigation system control flow chart

2 智能灌溉決策模型

智能灌溉控制系統(tǒng)主要由土壤墑情采集系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng)3 個(gè)部分組成，主要可實(shí)現(xiàn)以下3 個(gè)功能[8]。①信息采集：主要采集土壤墑情及配套設(shè)備的參數(shù)信息，為灌溉決策提供數(shù)據(jù)支撐。②控制決策：對(duì)采集的土壤墑情及配套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)制定的灌溉決策模型，確定灌水方案。③設(shè)備遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)：根據(jù)灌溉決策，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)配套過(guò)濾器、施肥機(jī)及田間電磁閥的啟閉，進(jìn)行水肥一體化配施，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及輪灌區(qū)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，控制決策是智能滴灌水肥一體化控制系統(tǒng)的核心，決策模型的科學(xué)合理性將直接影響系統(tǒng)的灌水質(zhì)量，主要包括灌溉系統(tǒng)控制、過(guò)濾系統(tǒng)控制及施肥系統(tǒng)控制等。

作物只有在適宜土壤含水率條件下才能獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[9]。灌水量過(guò)多不但造成深層滲漏和無(wú)效蒸發(fā)，浪費(fèi)水資源，而且還會(huì)導(dǎo)致根系無(wú)氧呼吸，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；當(dāng)土壤含水量過(guò)低時(shí)，會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫，甚至因過(guò)度缺水而造成枯萎，所以需制定合理的灌水上下限。本項(xiàng)目提出了一種基于土壤ET 墑的灌溉決策模型，其中，ET 墑?dòng)糜诒碚鞑煌翆由疃鹊耐寥篮康膭?dòng)態(tài)變化情況。田間灌溉時(shí)，當(dāng)灌水量足夠多時(shí)會(huì)產(chǎn)生深層滲漏或地表徑流，隨著地表蒸發(fā)和深層滲漏土壤中含水量會(huì)逐漸下降。充分灌溉后利用土壤墑情傳感器采集的土壤墑情實(shí)測(cè)值的歷史數(shù)據(jù)會(huì)形成一條平滑下降的曲線，曲線的拐點(diǎn)處即為田間持水率（θc），即土壤不產(chǎn)生深層滲漏的最大含水率。隨著灌溉水深層滲漏和蒸發(fā)，土壤含水量持續(xù)降低到一定值時(shí)，由于缺水會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫甚至凋萎，因此，灌溉決策模型設(shè)定灌溉上限為θc，灌水下限為70%θc，系統(tǒng)處于自動(dòng)控制模式時(shí)，當(dāng)采集的土壤墑情值θ0≤70%θc時(shí)開(kāi)始進(jìn)行灌溉，土壤含水量達(dá)到θc時(shí)灌溉停止。由于不同土層深度的蒸發(fā)和滲漏的速率不同，不同土層深度的ET 墑曲線趨勢(shì)大致相同，但又互不交叉重合，因此，在進(jìn)行灌溉決策時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同作物根系分布特點(diǎn)，選用根系主要分布區(qū)深度的曲線為決策依據(jù)。不同土層深度的實(shí)測(cè)土壤ET 墑曲線如圖6 所示。

圖6 實(shí)測(cè)土壤ET 墑曲線Fig. 6 Measured ET soil moisture curve

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本項(xiàng)目研發(fā)的智能灌溉控制系統(tǒng)屬于公司自主研發(fā)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的灌溉控制模塊，為測(cè)試系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，于2021 年5 月在平頂山市寶豐縣2 000 hm2（3 萬(wàn)畝）高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目（二期）（智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)）中進(jìn)行了示范性推廣應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)示范基地667 hm2（1 萬(wàn)畝），涉及趙莊鎮(zhèn)和商酒務(wù)鎮(zhèn)趙官營(yíng)、吳莊等8 個(gè)村，項(xiàng)目核心區(qū)334 hm2（5 000畝）土地全部實(shí)現(xiàn)灌溉輸水管道化、灌溉管理信息化、灌溉控制智能化。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中設(shè)置了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩個(gè)處理，并分別針對(duì)不同處理控制指令的有效性進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1 所示。

表1 智能灌溉控制指令有效性測(cè)試Tab. 1 Effectiveness test of intelligent irrigation control instruction

實(shí)測(cè)表明，測(cè)試過(guò)程中有少數(shù)命令已下發(fā)，但設(shè)備未響應(yīng)，經(jīng)分析認(rèn)為主要是由于戶外應(yīng)用造成個(gè)別通信數(shù)據(jù)丟包，對(duì)指令有效性造成了一定影響，但系統(tǒng)配套的狀態(tài)反饋功能可及時(shí)識(shí)別出未響應(yīng)的指令，反饋準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上，基本可確保設(shè)備穩(wěn)定、有效運(yùn)行。

通過(guò)智能灌溉控制系統(tǒng)（圖7）進(jìn)行灌溉管理時(shí)，僅需通過(guò)電腦、手機(jī)等客戶端或灌溉系統(tǒng)配套水肥一體機(jī)控制界面即可對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行控制，相較傳統(tǒng)水肥管理模式節(jié)省人工80%以上，有效提高田間灌溉管理的自動(dòng)化程度。另外，通過(guò)科學(xué)合理的灌溉決策模型，可有效提高灌溉水利用率和作物產(chǎn)量，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化的發(fā)展需求。目前，該系統(tǒng)已在河北、河南、山西、內(nèi)蒙等地推廣應(yīng)用2 000 hm2（3 萬(wàn)畝），接入智能水肥一體機(jī)200 余臺(tái)，土壤墑情傳感器20 余個(gè)，截至目前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖7 智能灌溉控制系統(tǒng)Fig. 7 Intelligent irrigation control system

4 結(jié)論

針對(duì)目前高效節(jié)水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用中普遍存在的自動(dòng)化程度低、管理模式粗放、水肥浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，借助于無(wú)線通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于云平臺(tái)的智能灌溉控制系統(tǒng)，主要可實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）智能灌溉控制系統(tǒng)可通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種相對(duì)獨(dú)立的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)配套設(shè)備自動(dòng)控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有效提高了田間灌溉管理的自動(dòng)化程度。

（2）建立了基于土壤ET 墑的灌溉決策模型，可有效提高灌溉水利用率和田間灌溉管理的精細(xì)化程度。

（3）應(yīng)用結(jié)果表明，智能灌溉控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，具有節(jié)水節(jié)肥、節(jié)省勞工、增產(chǎn)增收等顯著優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。