智能化農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)研究進展*

楊德軍 ，楊 超 ，魏 堃

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

農(nóng)業(yè)灌溉用水中的供需矛盾一直是世界各國關(guān)注的問題，據(jù)水利部《2020年中國水資源公報》數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)業(yè)用水耗水量占總耗水量的74.9%，2020年我國農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.565，而西方發(fā)達國家農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)達0.7~0.8[1]。2020年全國水資源總量約31 605.2億m3，而西北地區(qū)水資源僅為2 050.9億m3，只占全國水資源總量的6%[2]。西北地區(qū)氣候干燥，對水資源的需求遠勝于其他地區(qū)。從上述數(shù)據(jù)可以看出，我國農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)與西方發(fā)達國家還存在一定差距。為進一步提高西北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉過程中水資源合理高效利用水平，迫切需要因地制宜發(fā)展智能灌溉技術(shù)，通過智能精準(zhǔn)灌溉加強農(nóng)業(yè)灌溉內(nèi)涵建設(shè)，由傳統(tǒng)粗放式灌溉向智能化、精準(zhǔn)化灌溉模式轉(zhuǎn)變，進一步提高農(nóng)業(yè)灌溉用水水資源綜合利用效率。

1 農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 智能灌溉技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家在農(nóng)業(yè)智能化灌溉控制技術(shù)方面研究起步較早，智能灌溉控制技術(shù)得到了大規(guī)模的推廣和使用，其智能化灌溉控制技術(shù)已比較成熟，在灌溉控制過程方面采用智能自動化控制模式，通過數(shù)據(jù)檢測技術(shù)、智能化技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)，傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等形成了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的功能化、精細化和高效化完整應(yīng)用體系，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)實現(xiàn)由半自動化向智能全自動化的轉(zhuǎn)變，并且已經(jīng)得到了大面積的推廣，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率較高，技術(shù)應(yīng)用成效明顯[3]。

我國在農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用方面與發(fā)達國家還存在一定差距，在農(nóng)業(yè)灌溉智能化控制系統(tǒng)方面的研究起步較晚且自動化程度不高，尤其是自主開發(fā)的智能化、自動化遠程灌溉控制系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)大范圍的推廣和成果轉(zhuǎn)化。針對我國農(nóng)業(yè)用水量大、灌溉用水利用系數(shù)低、用水精細化管理程度不高等問題，國內(nèi)學(xué)者在智能化農(nóng)業(yè)灌溉用水控制方面主要采用無線通信技術(shù)，以微控制器為核心元件，通過建立遠程無線控制模式，運用智能模糊控制算法實現(xiàn)對農(nóng)作物灌溉時間和灌溉用水量的控制，以提高節(jié)水灌溉能力，減少依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗在大水漫灌過程中水資源的浪費，同時進一步節(jié)省人力、物力。在智能控制方面主要基于單片機和PLC對數(shù)據(jù)進行采集和處理，在無線通信方面主要采用GPRS遠程無線通信和ZigBee協(xié)議模式短程通信[4]。在智能化灌溉控制運用方面，市面上智能化節(jié)水灌溉產(chǎn)品大多基于云平臺的遠程無線控制，已逐步向自動化和智能化方向發(fā)展，但受地區(qū)差異和農(nóng)村經(jīng)濟條件限制，成果還未得到大面積推廣和轉(zhuǎn)化。

總體來說，農(nóng)業(yè)智能灌溉在技術(shù)方面已經(jīng)取得了階段性的突破，但智能化節(jié)水灌溉控制產(chǎn)品初期投資成本相對較高。西北地區(qū)農(nóng)民收入不高，由于系統(tǒng)初期投資成本高，且對地域特點有很高的要求，所以推廣和普及還存在一定問題。隨著對節(jié)水灌溉技術(shù)要求的不斷提高，需要結(jié)合西北地區(qū)的實際情況，研究和開發(fā)符合西北地方特色的農(nóng)業(yè)灌溉智能化控制系統(tǒng)，進一步提升農(nóng)業(yè)灌溉過程中水資源綜合利用效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化、精準(zhǔn)化控制，同時，還需要考慮系統(tǒng)初期投資成本，便于系統(tǒng)的推廣和使用。

1.2 智能灌溉控制工作原理

傳統(tǒng)智能灌溉控制系統(tǒng)主要是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和人工灌溉經(jīng)驗，通過田間布置濕度傳感器節(jié)點檢測土壤濕度，將土壤濕度數(shù)據(jù)傳遞至控制系統(tǒng)，利用濕度傳感器獲取土壤濕度信息，控制系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度閾值選擇是否進行灌溉，結(jié)合PLC和Wi-Fi技術(shù)遠程控制水泵開啟，從而實現(xiàn)對作物的自動灌溉。該灌溉模型與傳統(tǒng)漫灌灌溉方式相比具有智能決策相對簡單、成本低的特點，但未能根據(jù)作物實際需水要求進行灌溉用水量設(shè)計，僅以田間傳感器土壤濕度數(shù)據(jù)作為灌溉參考依據(jù)，灌溉模式相對粗放，灌溉用水量還不夠精確，未能實現(xiàn)灌溉用水的精細化管理。

目前，精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)智能灌溉以作物為對象，通過研究作物成長過程中需水量與灌溉用水量之間的關(guān)系建立正確的灌溉模型，將灌溉模型與智能控制技術(shù)耦合作用于農(nóng)業(yè)灌溉過程。只有將灌溉模型與智能控制技術(shù)緊密結(jié)合起來，根據(jù)作物實際需水要求實施精準(zhǔn)灌溉，才能避免水資源浪費。在灌溉決策中考慮土壤濕度、土壤pH值等土壤墑情，考慮溫濕度、風(fēng)速、降水量、蒸騰量等環(huán)境及氣候條件對農(nóng)作物生長的綜合作用效果，精確計算作物實際需水量[5]。灌溉決策數(shù)據(jù)建立主要考慮以下幾個方面：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用各類傳感器獲取作物生長過程中土壤、環(huán)境各項參數(shù)；通過田間試驗和大數(shù)據(jù)分析，建立適用于作物不同生長周期用水需求的灌溉決策模型，制定合理的灌溉計劃和灌水模式；通過智能控制技術(shù)，在灌溉過程中依據(jù)農(nóng)作物實際需水量動態(tài)調(diào)整灌溉水量，可顯著提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率。

1.3 智能灌溉控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)智能灌溉主要是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代智能控制和無線通信技術(shù)設(shè)計開發(fā)的智能灌溉決策控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代科技手段，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率，節(jié)省勞動成本。智能灌溉決策控制系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等[6]。

1）傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)是智能灌溉控制系統(tǒng)中獲取信息和數(shù)據(jù)的重要途徑，在田間和周圍環(huán)境合理設(shè)置采集節(jié)點，構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，利用濕度傳感器、溫度傳感器、光照強度傳感器、風(fēng)速傳感器、pH值傳感器等采集土壤、空氣及氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)，為智能灌溉決策控制系統(tǒng)提供參考數(shù)據(jù)。

2）無線通信技術(shù)。目前，農(nóng)業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)中運用的無線通信技術(shù)主要有Modbus、ZigBee、LoRa通信協(xié)議以及NB-IoT和4G/5G技術(shù)等，通過上述無線通信技術(shù)可以實現(xiàn)對土壤墑情、環(huán)境溫濕度、光照強度、風(fēng)速等信息數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時接收灌溉決策系統(tǒng)發(fā)出的灌溉控制指令。不同無線通信技術(shù)在應(yīng)用方面各有其優(yōu)勢和適用范圍，因此智能灌溉控制系統(tǒng)在通信模式選擇方面應(yīng)根據(jù)灌溉對象、實際灌溉環(huán)境、灌溉面積、無線傳輸控制距離等因素和實際情況合理選擇擬采用的無線通信技術(shù)。Modbus通信相對簡單，可支持較豐富的接口，無需復(fù)雜編程即可實現(xiàn)設(shè)備之間的通信，目前應(yīng)用較成熟和廣泛；ZigBee通信技術(shù)適用于通信范圍幾百米內(nèi)的近距離數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚智能灌溉無線通信方面，但在傳輸過程中存在障礙物會造成信號的削弱；LoRa無線通信技術(shù)以擴頻技術(shù)及其增益可大幅提升無線傳輸范圍，傳輸范圍可達15 km左右，工作頻段較低，數(shù)據(jù)傳輸過程中受干擾程度低，其具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)抗干擾能力強等特點，可應(yīng)用于對農(nóng)業(yè)智能灌溉控制距離較遠、范圍較大的農(nóng)田、草原等的灌溉需求及數(shù)據(jù)分析；NB-IoT具備功耗低、信號增益能力強、網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點數(shù)量大等優(yōu)點，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)中底層農(nóng)田環(huán)境基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)的采集和傳輸；4G/5G技術(shù)具備數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時低等特點，在智能灌溉中可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與云端平臺的無線通信和數(shù)據(jù)分析[7]。

孫剛等利用Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)了智能灌溉控制系統(tǒng)中采集節(jié)點和監(jiān)控中心之間灌溉用水量、傳感數(shù)據(jù)及電磁閥啟閉指令數(shù)據(jù)通信與交互[8]。方旭杰等通過ZigBee協(xié)議建立控制器節(jié)點和傳感器節(jié)點間的灌溉控制系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器和控制器之間數(shù)據(jù)互通，灌溉執(zhí)行器接收到灌溉指令后執(zhí)行相應(yīng)灌溉操作[9]。李靜通過LoRa無線通信技術(shù)研究開發(fā)了基于土壤墑情的智能灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與決策系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信，進一步提高了數(shù)據(jù)接收、傳輸過程中的靈敏度和傳輸距離，提高了農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用效率[10]。

3）自動控制技術(shù)。采用MCU或PLC控制技術(shù)，通過傳感器采集數(shù)據(jù)與灌溉大數(shù)據(jù)比對實現(xiàn)智能灌溉決策。當(dāng)作物需水量達到閾值時，發(fā)送無線控制指令，開啟閥門進行灌溉，達到灌溉水量時，閉合閥門結(jié)束灌溉。目前，智能控制主要采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)免疫等方法相結(jié)合實現(xiàn)對各項數(shù)據(jù)的分析和處理，控制電磁閥開閉，實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的智能操控。自動控制技術(shù)方面重點考慮灌溉指令發(fā)送和接收時帶來的時滯效應(yīng)及灌溉流量實時控制，根據(jù)輪灌方案和計劃，建立合理的控制流程及灌溉機制，根據(jù)作物實際需水量實現(xiàn)灌溉數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，實現(xiàn)灌溉過程的精準(zhǔn)化控制。

2 智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能灌溉控制系統(tǒng)架構(gòu)

智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集層、執(zhí)行層、無線傳輸層和應(yīng)用決策層四個模塊，如圖1所示。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層處于系統(tǒng)底層，主要采集灌溉決策系統(tǒng)所需溫度、濕度、光照、風(fēng)速、水流量、水位等各項環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為建立灌溉模型和智能決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。執(zhí)行層主要根據(jù)灌溉決策指令控制田間電磁閥、水泵等灌溉執(zhí)行設(shè)備的開啟與閉合。無線傳輸層結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層、執(zhí)行層和應(yīng)用決策層之間數(shù)據(jù)互通傳輸，起到數(shù)據(jù)橋梁作用。無線傳輸層需根據(jù)灌溉對象實際情況合理選擇無線通信方式，對于灌溉控制數(shù)據(jù)傳輸距離要求不高的情況，可選用ZigBee、NB-IoT等傳輸距離短的無線通信技術(shù)；對于農(nóng)業(yè)大田、草原等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多、整體灌溉面積較大、數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍較廣、遠程控制距離遠的情況，可選用LoRa等傳輸距離較遠的無線通信技術(shù)。數(shù)據(jù)采集層采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線傳輸層傳輸至應(yīng)用決策層，通過智能決策系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和分析。應(yīng)用決策層形成灌溉決策指令，將控制指令通過無線傳輸層發(fā)送至執(zhí)行層，執(zhí)行層現(xiàn)場控制器接收到灌溉指令后執(zhí)行相應(yīng)灌溉動作。

現(xiàn)場控制器（MCU）起到數(shù)據(jù)處理、上傳和接收作用，以ZigBee、NB-IoT、RS485通信節(jié)點對溫度、濕度、水位、灌溉流量、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進行采集和處理，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線傳輸層，以無線通信方式上傳至應(yīng)用決策層集控計算機。集控計算機結(jié)合植物生長大數(shù)據(jù)，對接收到的感知層數(shù)據(jù)進行分析和對比，作出合理的灌溉決策，將灌溉指令以無線通信方式發(fā)送至現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器根據(jù)控制指令控制執(zhí)行層電磁閥和水泵的開啟和關(guān)閉。

2.2 智能灌溉控制系統(tǒng)灌溉決策設(shè)計

灌溉決策軟件設(shè)計是智能灌溉控制系統(tǒng)的大腦中樞，控制系統(tǒng)在接收到底層傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點土壤墑情數(shù)據(jù)及相關(guān)氣候環(huán)境數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)作物生長數(shù)據(jù)庫和作物需水模型計算作物ET值，與大數(shù)據(jù)對比分析后，計算生成灌溉水量和灌溉時長等灌溉決策指令。灌溉決策軟件設(shè)計如圖2所示。

圖2 智能灌溉控制系統(tǒng)灌溉決策軟件設(shè)計

通過傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將土壤濕度、pH值等土壤數(shù)據(jù)和溫度、風(fēng)速、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制器；現(xiàn)場控制器對土壤條件指標(biāo)數(shù)據(jù)和氣候條件指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析和處理，形成土壤條件指標(biāo)和氣候條件指標(biāo)，并通過無線通信方式發(fā)送至集控計算機；集控計算機根據(jù)接收到的最新參數(shù)指標(biāo)計算作物實際需水量，與已有大數(shù)據(jù)進行對比分析。當(dāng)作物需水量低于需水閾值時，控制程序計算生成灌溉時長或灌溉水量，動態(tài)調(diào)整灌溉時長或灌溉水量，將生成的灌溉控制指令以無線通信方式發(fā)送至現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器按照指令要求控制電磁閥開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)智能灌溉。同時，在灌溉過程中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時監(jiān)測土壤和環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)值變化，不間斷向集控計算機提供實時數(shù)據(jù)。智能灌溉系統(tǒng)根據(jù)實時數(shù)據(jù)及時調(diào)整灌溉時長或灌溉水量指令，直至灌溉結(jié)束。通過實時調(diào)控灌溉用水量，最終實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，避免水資源浪費。

3 結(jié)論

本文以我國灌溉用水實際情況和西北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用方面存在的突出問題和面臨的挑戰(zhàn)為背景，在系統(tǒng)研究分析基礎(chǔ)上提出在西北地區(qū)發(fā)展智能化農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)方法及實現(xiàn)途徑。首先，通過對農(nóng)作物生長實際需水狀況進行研究，建立精準(zhǔn)化灌溉用水量模型；其次，根據(jù)灌溉實際合理選取傳感器、無線通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，完成智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)的搭建；最后，根據(jù)作物實際需水量完成智能灌溉決策設(shè)計，形成灌溉控制計劃，實現(xiàn)對作物實際需水量的實時監(jiān)測和灌溉用水控制，進一步降低成本，提高農(nóng)業(yè)灌溉過程中水資源利用率，為西北地區(qū)農(nóng)業(yè)智能化高效節(jié)水灌溉提供實現(xiàn)途徑，為實現(xiàn)由粗放型灌溉向集約型、智能化、規(guī)模化灌溉轉(zhuǎn)變提供參考。