作物需水量在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用研究*

楊德軍 ，雷萬榮 ，孫國亮

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

隨著全球氣候變暖，水資源短缺成為全世界面臨的主要問題之一。我國水資源總量約為全球水資源總量的6%，但我國人口基數(shù)大，人均水資源占用量僅能達(dá)到世界平均水平的25%，水資源短缺問題更為突出[1-2]。農(nóng)業(yè)灌溉用水是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要投入成本，也是水資源利用的重要組成部分，用水過量或不足將導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已由傳統(tǒng)模式向智能模式轉(zhuǎn)變，尤其是智能灌溉在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域快速發(fā)展，是提升農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率和節(jié)約水資源的有效手段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合智能化軟件和硬件裝備將不斷推動農(nóng)業(yè)智能灌溉領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)適應(yīng)地方特色的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)轉(zhuǎn)型升級[3-4]。本文基于農(nóng)業(yè)灌溉智能化發(fā)展研究進(jìn)展，對灌溉過程中作物實際需水量進(jìn)行分析，通過信息獲取、建立需水量模型，與智能灌溉控制系統(tǒng)融合對作物生長過程中灌溉用水進(jìn)行精準(zhǔn)控制，可進(jìn)一步提升水資源利用效率。

1 作物需水量理論計算模型

1.1 作物實際需水量影響因素

農(nóng)業(yè)灌溉過程中農(nóng)作物對水的需求量受多種因素的影響，主要有外部因素和內(nèi)部因素兩大方面[5]。內(nèi)部因素主要是不同農(nóng)作物類型及其不同生長階段對水分的需求存在差異，外部因素主要包括溫度、濕度、日照、風(fēng)速、蒸騰蒸發(fā)及灌溉水量等[4]。在灌溉過程中如果不考慮作物在不同生長階段自身對水的需求，依據(jù)經(jīng)驗實施傳統(tǒng)大水漫灌將會影響作物最終產(chǎn)量及質(zhì)量[6-7]。因此，需綜合考慮各類氣象因素及土壤墑情，同時結(jié)合作物實際情況建立不同類型作物各生長階段需水量數(shù)據(jù)庫，便于灌溉過程中對比和分析，實施按需灌溉。

1.2 需水量灌溉決策模型

農(nóng)作物在生長過程中實際需水量隨內(nèi)外因素影響動態(tài)變化，受土壤含水量、降水、蒸騰等因素綜合作用影響。因此，需要綜合分析上述各影響因子，建立作物需水量灌溉決策模型。目前研究中主要采用直接測定和間接估算兩種方法對作物需水量進(jìn)行分析和計算。直接測定法主要有水平衡法、蒸發(fā)皿法等，間接估算法主要有彭曼公式法、Hargreaves 公式法等[8-9]。作物參考需水量是灌溉規(guī)劃中作物需水平衡及其量化的重要依據(jù)，本文在研究過程中利用氣象數(shù)據(jù)及土壤環(huán)境數(shù)據(jù)，選用目前普遍使用的彭曼公式法方程模型來計算作物參考需水量，公式如下所示：

式中，ET0為作物參考需水量；Δ 為蒸汽壓斜率；Rn為太陽凈輻射；G 為土壤熱通量；y 為焓濕常數(shù)；T 為平均氣溫；u2為2 m 高處測得的平均風(fēng)速；es-ea為蒸汽壓差異[7]。上述相關(guān)參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備和氣象站數(shù)據(jù)獲得，具體計算方法依據(jù)參考文獻(xiàn)[9]。

2 基于需水量模型的灌溉系統(tǒng)構(gòu)建

為實現(xiàn)灌溉智能化及灌溉用水精確控制，將灌溉區(qū)域按照實際灌溉控制需求劃分為網(wǎng)格化灌溉單元，布置管網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)田間數(shù)據(jù)按照需水量灌溉決策模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，形成灌溉控制指令，最終通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將控制信號發(fā)送至田間灌溉執(zhí)行設(shè)備，灌溉執(zhí)行設(shè)備通過太陽能提供的電能驅(qū)動電磁閥的開啟或者關(guān)閉，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化、精準(zhǔn)化灌溉，幫助用戶實時監(jiān)控田地灌溉需求情況，智能灌溉系統(tǒng)同時為用戶提供手動和自動灌溉方案選擇。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1.1 灌溉執(zhí)行設(shè)備

灌溉設(shè)備主要包括田間管道、電磁閥、水泵等。管道可選用PVC 材料或PE 材料，根據(jù)實際灌溉區(qū)域及作物類型劃分灌溉單元，在灌溉網(wǎng)格以節(jié)省成本為設(shè)計要素進(jìn)行主管、支管鋪設(shè)，確保管網(wǎng)出水口能夠滿足系統(tǒng)對灌溉單元的灌溉動作控制。執(zhí)行設(shè)備由微控制器和LoRa 射頻組合模塊構(gòu)成，當(dāng)接收器接收到遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送的灌溉指令后，通過繼電器啟動或關(guān)閉電源，控制水泵的開啟或關(guān)閉。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于土壤數(shù)據(jù)及田間氣象信息的采集，輔助智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉決策分析。在灌溉區(qū)域布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置土壤傳感器，對田間土壤體積含水量、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率和土壤鹽度進(jìn)行監(jiān)測[10]。由于作物需水量受氣象條件影響較大，因此還需要不間斷對灌溉區(qū)域氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。氣象數(shù)據(jù)可以直接通過當(dāng)?shù)貧庀笳精@得，但考慮到氣象數(shù)據(jù)的時效性及精確度對灌溉決策數(shù)據(jù)的影響，可以選擇在灌溉區(qū)域附近布置微型氣象監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射和降水量等氣象數(shù)據(jù)[11]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備將上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器終端進(jìn)行處理和分析后生成灌溉決策指令，然后進(jìn)行灌溉，確保作物在生長過程中的實際用水需求得到滿足。

2.1.3 無線通信設(shè)備

農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域輻射范圍一般較大，灌溉執(zhí)行設(shè)備、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與服務(wù)器終端通常相距幾公里，甚至更遠(yuǎn)，由于覆蓋范圍較大，數(shù)據(jù)傳輸采用有線布置方式極為不便，且工程量大。因此，在系統(tǒng)通信方面選擇無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在灌溉實施過程中為將獲取的氣象數(shù)據(jù)及土壤濕度等數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳輸至遠(yuǎn)程終端，所采用的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議必須保證遠(yuǎn)距離傳輸過程中能夠有效發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，降低數(shù)據(jù)損耗和功率消耗[12]。LoRa 無線通信技術(shù)以擴(kuò)頻技術(shù)及其增益可大幅擴(kuò)大無線傳輸范圍，在農(nóng)業(yè)大田灌溉中傳輸范圍可達(dá)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，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(qiáng)等特點，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[13]。因此，在項目實施中選用數(shù)傳電臺，同時在灌溉執(zhí)行設(shè)備上布置收發(fā)器，選用LoRa 無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，進(jìn)一步降低智能灌溉控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部署成本，達(dá)到灌溉系統(tǒng)不同模塊之間數(shù)據(jù)傳輸及通信的目的，實現(xiàn)系統(tǒng)低成本、低功耗、遠(yuǎn)程通信。

2.1.4 智能灌溉控制系統(tǒng)

智能灌溉控制系統(tǒng)主要包括計算機(jī)終端、數(shù)傳電臺、接收器及其他附屬設(shè)備，用于分析和處理灌溉決策所需的信息，并與田間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，為用戶提供灌溉決策支持。通過系統(tǒng)，用戶能夠?qū)崟r查看數(shù)據(jù)，選擇灌溉方法，手動或自動發(fā)送灌溉指令對田間灌溉執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理。數(shù)傳電臺布置于服務(wù)器與灌溉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間，用于傳輸數(shù)據(jù)和對灌溉執(zhí)行設(shè)備發(fā)送灌溉執(zhí)行指令。灌溉系統(tǒng)配備路由器連接網(wǎng)絡(luò)，用于檢索日常信息及本地數(shù)據(jù)庫中氣象站數(shù)據(jù)信息，同時將灌溉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的氣象、田間土壤信息等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行分析和處理，計算作物參考需水量，當(dāng)滿足灌溉條件時，發(fā)送指令至灌溉執(zhí)行設(shè)備實施灌溉動作。

田間灌溉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由微控制器的開發(fā)板及收發(fā)器組成，通過RS485-UART 轉(zhuǎn)換器，確保微控制器和土壤傳感器之間的通信，并將傳感器獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器處理后由LoRa 無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程服務(wù)器端具備控制串口，接收數(shù)傳電臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和分析處理，將命令對應(yīng)到系統(tǒng)的按鍵之間，經(jīng)485 通信線傳輸至電臺，發(fā)送信號至該灌溉區(qū)域接收器，及時更新灌溉區(qū)域內(nèi)電磁閥的狀態(tài)，使電磁閥進(jìn)行相應(yīng)的啟停動作。為滿足用戶個性化需求，系統(tǒng)提供給用戶手動或自動兩種方案操作灌溉區(qū)域內(nèi)電磁閥的啟停，對各電磁閥的開啟狀態(tài)進(jìn)行直觀查看。田間執(zhí)行設(shè)備收到指令完成相應(yīng)動作后，接收器及時將信號反饋至電臺，并經(jīng)485通信線傳輸至服務(wù)器進(jìn)行決策分析。

2.2 智能控制系統(tǒng)灌溉決策設(shè)計

智能控制系統(tǒng)灌溉決策設(shè)計是實施灌溉過程的關(guān)鍵，涉及與底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備、灌溉執(zhí)行設(shè)備的數(shù)據(jù)通信以及灌溉指令準(zhǔn)確發(fā)布。提供基于作物實際需水量的灌溉決策和基于土壤濕度的灌溉決策兩種執(zhí)行方案?；谧魑飳嶋H需水量的灌溉方案將接收到的氣象參數(shù)及土壤參數(shù)儲存于數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)的作物生長數(shù)據(jù)和作物需水模型計算作物參考需水量ET0值，當(dāng)達(dá)到作物需水量閾值時，遠(yuǎn)程發(fā)送灌溉指令至田間灌溉執(zhí)行設(shè)備，打開水泵進(jìn)行灌溉；基于土壤濕度的灌溉通過微控制器從土壤傳感器讀取土壤濕度數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)土壤水分值小于設(shè)定閾值時，遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送灌溉指令至田間執(zhí)行設(shè)備，田間執(zhí)行設(shè)備打開水泵開始灌溉，直至土壤濕度達(dá)到預(yù)設(shè)濕度水平后關(guān)閉水泵停止灌溉。

灌溉決策系統(tǒng)為用戶提供遠(yuǎn)程灌溉控制服務(wù)，提供基于作物實際需水量和基于土壤濕度的灌溉計劃選擇，支持更改預(yù)設(shè)參數(shù)。在灌溉過程中，底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和氣象監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)土壤和環(huán)境參數(shù)值變化，實時向遠(yuǎn)程服務(wù)器提供數(shù)據(jù)，智能控制系統(tǒng)不斷調(diào)整灌溉指令直至灌溉結(jié)束。

3 結(jié)論

本文基于作物實際需水量建立智能灌溉控制系統(tǒng)灌溉決策模型，通過大數(shù)據(jù)分析可滿足不同類型作物在不同生長周期的灌溉用水需求，結(jié)合LoRa 無線通信技術(shù)、田間灌溉執(zhí)行設(shè)備及數(shù)據(jù)采集設(shè)備可實現(xiàn)灌溉用水管理。通過對作物實施按需灌溉，進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量及質(zhì)量，優(yōu)化水資源配置，提升水資源利用效率。結(jié)合地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點及作物特性，根據(jù)用戶需求自主研發(fā)智能灌溉控制系統(tǒng)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，為后期系統(tǒng)維護(hù)及改進(jìn)提供理論及技術(shù)支持。