智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)探析
——以丘陵地帶稻田為例

呂崇貴，李 龍

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國作為農(nóng)業(yè)大國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中投入了大量的現(xiàn)代科技，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，灌溉是很重要的內(nèi)容，科學(xué)灌溉對(duì)提升農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，信息化、數(shù)字化等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理領(lǐng)域中逐步得到廣泛應(yīng)用，其中智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)就是突出的代表。在我國廣袤的土地上，不同地區(qū)農(nóng)作物生長環(huán)境存在巨大差異，意味著需要對(duì)智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用方式進(jìn)行針對(duì)性研究，以進(jìn)一步提升其實(shí)用性。

1 智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)概念

智能化灌溉系統(tǒng)主要是指能夠根據(jù)農(nóng)作物種類、生長狀態(tài)以及環(huán)境特征對(duì)灌溉量、灌溉方式等進(jìn)行智能化控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由中央控制器、灌溉裝置、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成。在新形勢(shì)下，智慧化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，而針對(duì)灌溉環(huán)節(jié)所設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用的智能裝置，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉和水稻種植，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量[1]。目前，在智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域中，智能化技術(shù)主要包括以下幾種：

第一，專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)庫、模擬人腦思維方式的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，其通過計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫將人們生產(chǎn)活動(dòng)中積累的經(jīng)驗(yàn)和研究的成果，制定相應(yīng)的規(guī)則和運(yùn)行邏輯。當(dāng)系統(tǒng)獲得原始數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行一系列的運(yùn)算和分析，做出專家級(jí)的判斷和決定。在智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)主要是基于多個(gè)維度的農(nóng)業(yè)專家知識(shí)，通過模擬農(nóng)業(yè)專家的種植管理方式，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行科學(xué)灌溉。例如，基于當(dāng)下的農(nóng)業(yè)科技研究成果及經(jīng)驗(yàn)，專家系統(tǒng)對(duì)各種水稻不同生長階段需水量的分析，再結(jié)合各類傳感器獲取的當(dāng)下氣候環(huán)境信息，自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)的灌溉量和灌溉時(shí)間，可以更大程度上提升種植質(zhì)量[2]。

第二，微機(jī)測(cè)控。微機(jī)測(cè)控技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)軟件、傳感器、監(jiān)測(cè)裝置和通信技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物及土壤、空氣、溫度等方面條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，再通過通信系統(tǒng)對(duì)灌溉裝置進(jìn)行精準(zhǔn)控制的綜合性智能技術(shù)。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中，微機(jī)測(cè)控技術(shù)除了更講究科學(xué)種植以外，其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水資源的合理利用，減少水資源浪費(fèi)。例如，在以色列這樣科技發(fā)達(dá)，但自然條件較差的國家，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域就大量應(yīng)用了微機(jī)測(cè)控灌溉技術(shù)。通過在種植區(qū)域布置大量的傳感器檢測(cè)矩陣，實(shí)時(shí)采集水稻植株、土壤及空氣的濕度、溫度、光照、蒸騰量等參數(shù)，上傳至微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，再將處理結(jié)果上傳至上位機(jī)，通過中央控制系統(tǒng)或技術(shù)人員進(jìn)行判斷，精準(zhǔn)控制灌溉時(shí)機(jī)和數(shù)量[3]。

總體來講，現(xiàn)代智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、通信系統(tǒng)等，而專家系統(tǒng)、微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)則是其實(shí)現(xiàn)智能化灌溉的關(guān)鍵所在。

1.2 應(yīng)用價(jià)值

如今，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，構(gòu)建高質(zhì)量發(fā)展模式是黨中央對(duì)各行各業(yè)提出的新要求，而技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)化，則是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域，得益于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生物科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植質(zhì)量及產(chǎn)量都達(dá)到了較高水平。在此背景下，如何在保證農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量、質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少環(huán)境污染、節(jié)約水資源，是農(nóng)業(yè)種植及管理者需要思考的重點(diǎn)問題。相較于傳統(tǒng)依靠人工或大面積鋪設(shè)節(jié)水設(shè)施的方式，利用智能化控制系統(tǒng)，可以減少人員專業(yè)水平、經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備、職業(yè)素質(zhì)、工作狀態(tài)對(duì)節(jié)水效果的影響。關(guān)于智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研發(fā)，是一個(gè)從自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化向智能化方向發(fā)展的過程，在探索和實(shí)踐過程中，農(nóng)業(yè)種植管理人員也能夠在技術(shù)模式的影響下，不斷創(chuàng)新思路、優(yōu)化工作模式。顯然，智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能夠更精準(zhǔn)地根據(jù)農(nóng)作物需水量進(jìn)行灌溉，減少浪費(fèi)，同時(shí)還能減輕農(nóng)業(yè)種植管理者的工作壓力。從一個(gè)地區(qū)乃至全國的農(nóng)業(yè)發(fā)展角度來看，智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)將是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的重要組成部分，無論是實(shí)際應(yīng)用中通過精準(zhǔn)控制帶來的種植水平提升，還是采集的各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，都將為農(nóng)業(yè)種植管理技術(shù)及相關(guān)研究學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展提供重要依據(jù)。例如，一個(gè)地區(qū)的水稻種植產(chǎn)業(yè)全面配置了智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，將會(huì)給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村部門提供實(shí)時(shí)的灌溉及作物生長情況信息?；诖?，管理部門可以聯(lián)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)推廣、農(nóng)產(chǎn)品銷售等部門或企業(yè)，做好相應(yīng)的工作準(zhǔn)備，以便打造更為科學(xué)、準(zhǔn)確、有效的水稻產(chǎn)業(yè)鏈。

2 智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2.1 稻田土壤水分測(cè)量

2.1.1 測(cè)量方法。土壤是水稻獲取營養(yǎng)及水分的主要來源，土壤水分含量將直接影響水稻的生長發(fā)育。因此，在設(shè)計(jì)智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時(shí)，關(guān)于土壤水分的測(cè)量很重要。目前業(yè)界關(guān)于土壤水分檢測(cè)的方法主要分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法兩大類，前者是通過干燥處理或化學(xué)方法直接測(cè)出土壤的絕對(duì)含水量，而后者則是通過測(cè)量土壤水分變化有關(guān)的物理量來判斷其含水量情況。具體來講，在智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，可以用到的土壤水分測(cè)量方法有中子儀法、電阻法、頻域反射儀法、烘干法等，其中中子儀法、電阻法等方法可以通過相關(guān)儀器快速測(cè)量土壤的水分情況，滿足智能化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的功能需求[8]。例如，中子儀通過快中子輻射源和熱中子探測(cè)器，在土壤水中的氫元素的作用下，慢中子云密度增大，裝置通過對(duì)這種函數(shù)關(guān)系的變化情況來得出土壤水分含量。電阻法則是利用不同含水量情況下土壤電阻率不同的基本原理，對(duì)土壤含水量進(jìn)行檢測(cè)。這類檢測(cè)技術(shù)基本上不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)及狀態(tài)，能夠快速、動(dòng)態(tài)化地獲取相對(duì)準(zhǔn)確的土壤水分?jǐn)?shù)值，具有簡單好用、持續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。

2.1.2 傳感器改進(jìn)。傳感器是智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)采集作物及環(huán)境信息的關(guān)鍵所在，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)信息采集需求對(duì)傳感器進(jìn)行合理布局和優(yōu)化改造。目前，在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中用到的傳感器一般為負(fù)壓式土壤水分傳感器，其主要由集氣管、陶土頭和壓阻式傳感器構(gòu)成。通過將陶土頭插入土壤，土壤中的水分和陶土頭中的水膜連接，在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，再由壓阻式傳感器對(duì)負(fù)壓信息進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算分析得出土壤水分情況。在大量實(shí)踐應(yīng)用中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器具有以下幾方面不足：一是輸出信號(hào)是電壓，而電壓在遠(yuǎn)距離傳輸過程中很容易受到干擾或出現(xiàn)損耗；二是傳統(tǒng)傳感器使用的是四線制傳輸信號(hào)，而能夠滿足這種機(jī)制的導(dǎo)線材料成本較高，后期維護(hù)管理難度也比較大；三是壓阻傳感器具有離散性，在設(shè)計(jì)安裝中需要對(duì)控制系統(tǒng)中的輸出電壓信號(hào)電路進(jìn)行調(diào)整，并當(dāng)某一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，將影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

針對(duì)傳統(tǒng)傳感器存在的問題，可以采取以下方式進(jìn)行改進(jìn)：一是改進(jìn)電路。重點(diǎn)改變輸出信號(hào)方式，采用就地處理轉(zhuǎn)換的方式，將傳感器輸出信號(hào)的處理電路放在負(fù)壓式土壤水分傳感器上，如此一來，就可以通過調(diào)整傳感器信號(hào)處理電路，讓輸出信號(hào)和壓力值關(guān)系保持恒定，免去了調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)電路的麻煩。同時(shí)，可以將傳感器電路改進(jìn)為兩線制，降低系統(tǒng)布置及運(yùn)行維護(hù)成本。二是改進(jìn)結(jié)構(gòu)?？紤]到負(fù)壓式傳感器陶土頭容易松動(dòng)和損壞的問題，針對(duì)陶土頭設(shè)計(jì)一個(gè)細(xì)鋼條保護(hù)結(jié)構(gòu)，避免其頻繁受到外部因素的影響。然后，為集氣管配置一個(gè)額外的蓄水裝置，需水量根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定和補(bǔ)充，可以有效解決充水過于頻繁的問題。

2.2 控制儀器設(shè)計(jì)

在智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，除了測(cè)量水分以外，還應(yīng)當(dāng)使用半導(dǎo)體集成精密溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，由控制儀器對(duì)灌溉龍頭進(jìn)行控制，科學(xué)調(diào)節(jié)灌溉時(shí)機(jī)和灌溉量。顯然，不同作物在不同時(shí)間、生長狀態(tài)以及環(huán)境條件下的需水量是不同的，為了有效實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)控制，應(yīng)當(dāng)對(duì)控制儀器進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)[5]。為此，可以建立計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)化分析和人工設(shè)定結(jié)合的控制儀器功能模塊，在滿足按需灌溉基本要求的同時(shí)提升系統(tǒng)的通用性。在智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，灌溉方式將會(huì)很大程度上影響智能化灌溉控制的效果。目前，業(yè)界主流的灌溉方式包括上下限灌溉、延時(shí)灌溉及綜合灌溉等，需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及技術(shù)條件進(jìn)行合理選擇。

2.3 測(cè)控儀器功能設(shè)計(jì)

智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中測(cè)控儀主要是對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別分析的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)前技術(shù)條件下，信號(hào)轉(zhuǎn)換通常采用的是A/D轉(zhuǎn)換器，但是其成本較高，并且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算方面的復(fù)雜性也比較高。在測(cè)控儀器的功能設(shè)計(jì)中，需要考慮到在農(nóng)業(yè)規(guī)?；N植中，如果依靠大量鋪設(shè)傳感器、通信裝置來滿足通信及控制需求，將極大增加項(xiàng)目成本及運(yùn)維難度。為此，需要通過集成化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用局域網(wǎng)或集成系統(tǒng)對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞系統(tǒng)進(jìn)行簡化，構(gòu)建更為精準(zhǔn)、高效、智能的測(cè)控系統(tǒng)。為此，可以采用LM331這類V/F轉(zhuǎn)換芯片，其不僅具有精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)換關(guān)系也比較簡單，所以在智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中可以采用這種信號(hào)轉(zhuǎn)換方式[6]。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)測(cè)控儀器功能進(jìn)行智能化調(diào)控和優(yōu)化，進(jìn)而提升系統(tǒng)的適用性。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

在智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，軟件的作用包括數(shù)據(jù)分析、控制指令下達(dá)等，是實(shí)現(xiàn)智能化控制的關(guān)鍵。針對(duì)軟件的設(shè)計(jì)，需要做到因地制宜、按需設(shè)計(jì)。例如，針對(duì)測(cè)控儀的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)監(jiān)測(cè)達(dá)到的土壤溫度、水分情況，根據(jù)設(shè)定的灌溉方式及專家系統(tǒng)規(guī)則，確定是否要進(jìn)行灌溉，并下達(dá)控制信號(hào)。另外，還可以實(shí)時(shí)采集灌溉之后的土壤水分、溫度及其他參數(shù)，以便判斷灌溉控制效果是否符合預(yù)期[7]。在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用智能化技術(shù)，軟件控制的基本邏輯是通過現(xiàn)有專業(yè)知識(shí)及控制模塊，針對(duì)某種作物不同生長階段及環(huán)境條件實(shí)施科學(xué)灌溉，同時(shí)采集灌溉量、作物生長情況等關(guān)鍵信息，再通過對(duì)該類信息的不斷積累、整合、分析，得出更為精準(zhǔn)的科學(xué)灌溉模式。這個(gè)過程，實(shí)際上也是節(jié)水灌溉系統(tǒng)“自我學(xué)習(xí)”的過程，其中對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專家系統(tǒng)的應(yīng)用非常關(guān)鍵。

3 結(jié)語

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、科技不斷進(jìn)步的背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用到的現(xiàn)代科技也越來越多。針對(duì)水稻種植管理中的灌溉工作，可以充分結(jié)合農(nóng)業(yè)種植需求及環(huán)境，科學(xué)設(shè)計(jì)智能化農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。通過利用專家系統(tǒng)、微機(jī)測(cè)控裝置，在傳感器及其他監(jiān)測(cè)儀器的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻生長狀態(tài)以及外部環(huán)境條件的精確監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)灌溉時(shí)機(jī)和灌溉量進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)控制，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。