王海松 王越

摘?要：對(duì)果樹空氣修根容器栽培中智能灌溉系統(tǒng)做了完整的設(shè)計(jì)，從控制器開發(fā)、平臺(tái)軟件管理、建立數(shù)據(jù)模型3個(gè)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，期望在果樹容器育苗生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：果樹容器栽培;節(jié)水灌溉;物聯(lián)網(wǎng);傳感器

文章編號(hào)：2096-8108（2020）06-0060-03??中圖分類號(hào)：S607+.1??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research and Application of Intelligent Irrigation

Model in Container Seedling Cultivation of Fruit Trees

WANG Haisong， WANG Yue

（Pomology Institute， Shanxi Agricultural University， Taigu 030815，China）

Abstract：The intelligent irrigation system of Air Pruning Container Cultivation of fruit trees was designed completely， and the three main parts of controller development， platform software management and data model establishment were discussed in detail for saving water and improving quality in fruit container seedling production.

Keywords：fruit container cultivation; irrigation of water saving; Internet of Things; sensor

20世紀(jì)80年代起，空氣修根容器栽培以其育苗周期短、栽植季節(jié)長(zhǎng)、成活率高等優(yōu)點(diǎn)開始廣泛用于林業(yè)育苗。果樹容器育苗利用空氣修根原理不僅解決了根系纏繞問(wèn)題，大幅提高了成活率、果園建園快

且不需緩苗，還可以廣泛應(yīng)用于工廠化、智能化育苗。近年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，果樹種植面積的大幅增長(zhǎng)，果樹容器培育苗木必將成為果樹育苗、果園快速更新的主要栽培方式之一。

果樹容器育苗因其自身栽培特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中較大田育苗有其顯著優(yōu)點(diǎn)，而水肥管理是需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。充分利用栽培方式的工廠化、設(shè)施化，智能化可以有效節(jié)約人工及材料成本，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)苗圃的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，將信息化技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)區(qū)環(huán)境監(jiān)控及生產(chǎn)過(guò)程管理，已在栽培管理領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。但大多應(yīng)用都是基于大田土壤環(huán)境下，對(duì)于特定樹種的果樹容器育苗模式很少涉及?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的容器節(jié)水灌溉起步不久，從硬件的成熟性、應(yīng)用的局限性來(lái)說(shuō)，還存在著如下問(wèn)題和不足。

1）不能整合多媒體信息（視頻、圖片）。果樹育苗園區(qū)灌溉需要配合視頻監(jiān)控，現(xiàn)有的人工方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2）缺少一體化完整解決方案。多數(shù)監(jiān)測(cè)方法單一數(shù)據(jù)模式，不能適應(yīng)快速發(fā)展的需要。

3）對(duì)傳感器接入類型太多限制，不便部署。當(dāng)前大多數(shù)果園監(jiān)測(cè)設(shè)備要求使用指定的傳感器，不具備通用性。

4）工業(yè)級(jí)產(chǎn)品缺乏，部署地域受限。在我國(guó)南北氣候差異很大，南方夏季炎熱，而北方冬季十分寒冷，只有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品才能廣泛適用于各種復(fù)雜的地理和氣象環(huán)境。

為了解決這些問(wèn)題，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所和相關(guān)企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)研制了新一代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控終端設(shè)備。該設(shè)備采用一體化、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、低功耗設(shè)計(jì)，具備高性能、高可靠性及高穩(wěn)定性，

可以對(duì)灌溉設(shè)施進(jìn)行智能控制，整個(gè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)、智能管理和遠(yuǎn)程升級(jí)。此系統(tǒng)可同時(shí)兼顧室外容器栽培和設(shè)施容器栽培。

1?整體設(shè)計(jì)

通過(guò)將傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)于葡萄、櫻桃、柿子等容器育苗和生長(zhǎng)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大量收集溫度、濕度、光照、氣體濃度等物理量，精準(zhǔn)地獲取容器內(nèi)土壤水分、pH值等信息[1]。采集到的各種數(shù)據(jù)傳送到管理平臺(tái)，然后進(jìn)行綜合分析，結(jié)合不同果樹在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求，研究建立并逐步改進(jìn)節(jié)水模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的智能化控制，擺脫以往僅憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式，使容器灌溉決策建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。通過(guò)信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的深度融合，進(jìn)一步提高生產(chǎn)管理水平，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2?系統(tǒng)架構(gòu)

2.1?基于工業(yè)級(jí)一體化設(shè)計(jì)架構(gòu)

按照工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能控制設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖1）。采用如下設(shè)計(jì)理念。

平臺(tái)化設(shè)計(jì)：充分利用現(xiàn)有平臺(tái)，如ARM硬件平臺(tái)、嵌入式Linux軟件平臺(tái)、通用傳感器接入平臺(tái)、H.264視頻編碼平臺(tái)等，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品可靠性及穩(wěn)定性。

模塊化設(shè)計(jì)：采用模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，如WiFi模塊和4G模塊用戶可以選裝其中一種。

可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)：系統(tǒng)預(yù)留了可擴(kuò)展余地，當(dāng)前數(shù)據(jù)采集模塊支持16路傳感器接入，根據(jù)項(xiàng)目需求，可進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，支持更多數(shù)量的傳感器。

2.2?硬件和軟件架構(gòu)

2.2.1?核心主板硬件平臺(tái)

采用三星公司的S3C6410 ARM芯片，研制ARM-Core-Board核心板，從該板引出320個(gè)管腳，把ARM芯片的管腳全部通過(guò)接插件引出，滿足各類擴(kuò)展需求，作為ARM應(yīng)用平臺(tái)。

2.2.2?傳感器通用接入平臺(tái)

增加ZigBee無(wú)線傳感器接入模式[2]。傳感器支持：電壓型采集模式、電流型采集模式、開關(guān)量采集模式、RS-232/RS485采集模式。從而實(shí)現(xiàn)廣泛的傳感器接入，使系統(tǒng)能夠具有良好的擴(kuò)展性和兼容性。

2.2.3?視頻算法平臺(tái)

基于嵌入式平臺(tái)的視頻編碼模塊支持一路高清編碼，支持拍照模式工作。優(yōu)化H.264視頻壓縮算法，支持H.264 High Profile（高端類模式）、Main Profile（主要類模式）、Baseline Profile（基線類模式），能夠?qū)崿F(xiàn)720P實(shí)時(shí)編碼。

2.2.4?嵌入式Linux軟件平臺(tái)

基于μC-Linux內(nèi)核優(yōu)化的Linux軟件平臺(tái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)小巧，具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核是在任何時(shí)候都運(yùn)行就緒了的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。

2.2.5?4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)設(shè)備可以使用4G無(wú)線模塊直接連接到internet，通過(guò)IP地址訪問(wèn)監(jiān)控中心，上傳數(shù)據(jù)。

通過(guò)上述平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)采集空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度、降雨量等環(huán)境參數(shù)和視頻圖像信息，支持同時(shí)16路傳感器輸入和1024路無(wú)線傳感器輸入，有效精度高達(dá)16 bit;支持ZigBee任意組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線接入無(wú)線模塊傳感器和開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集控制，提供豐富擴(kuò)展接口，包括RS485、RS232、以太網(wǎng)、USB、CAN等;設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)、WiFi、3G、4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)通信，交互全部數(shù)據(jù)帶有AES加密安全通信保障功能，保證產(chǎn)品通信和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全;設(shè)備同時(shí)配有視頻采集、廣播級(jí)的H.264視頻編碼和JPEG2000圖片壓縮，可在采集信號(hào)的同時(shí)為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)高質(zhì)量的視頻圖像和圖片信息。

3?基于傳感數(shù)據(jù)及模型分析技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)

根據(jù)室外空氣溫濕度傳感器或溫室大棚內(nèi)空氣和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，結(jié)合不同果樹在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求施行精準(zhǔn)灌溉，改善管理措施，降低水資源消耗，降低生產(chǎn)成本。

3.1?果樹需水量的影響因素研究

果樹容器苗精準(zhǔn)灌溉所需水量的影響因素主要包括：氣象條件、育苗基質(zhì)水分狀況以及基質(zhì)物理性質(zhì)、生物學(xué)特性等幾個(gè)方面。首先，從育苗基質(zhì)水分供水狀況因素考慮，采用水量平衡方法，通過(guò)埋設(shè)于容器中不同深度的傳感器所實(shí)時(shí)地不間斷地采集到的數(shù)據(jù)，建立水量平衡模型，分析容器不同深度水勢(shì)和含水量的分布。在此基礎(chǔ)上，對(duì)平衡模型進(jìn)行數(shù)值離散化，建立估算模型計(jì)算需水量。其次，從氣象條件和果樹生物學(xué)特性角度研究需水量，利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織 FAO 最新推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算所在區(qū)域參考需水量，再結(jié)合果樹品種在不同生長(zhǎng)階段的系數(shù)，計(jì)算出需水量。最后，比較對(duì)照不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)果樹容器苗需水量的計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2?監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，總結(jié)及改進(jìn)灌溉模型

管理平臺(tái)通過(guò)一段時(shí)期的數(shù)據(jù)積累，總結(jié)并制定不同果樹容器苗在不同時(shí)間段內(nèi)的灌溉模型，根據(jù)模型計(jì)算出容器苗所需灌溉量及灌溉時(shí)間，制定節(jié)水灌溉方案，并在實(shí)施過(guò)程中對(duì)灌溉模型不斷加以修正與改進(jìn)。

依據(jù)所制定的灌溉方案，管理平臺(tái)可以按照用戶需要設(shè)定灌溉設(shè)施的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。在自動(dòng)控制的情況下，系統(tǒng)可在規(guī)定的時(shí)間或根據(jù)育苗基質(zhì)的濕度監(jiān)測(cè)值，判斷容器內(nèi)的缺水情況，自動(dòng)計(jì)算出供水量，將控制指令發(fā)送給電磁閥控制器，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸水管道的開關(guān)閥門進(jìn)行節(jié)水灌溉。[3]

3.3?育苗區(qū)域灌溉水量統(tǒng)計(jì)與分析

管理平臺(tái)能夠?qū)θ萜髟耘鄥^(qū)的氣象狀況、基質(zhì)墑情等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)不同氣候條件下的容器栽培區(qū)灌溉量，并根據(jù)果樹容器苗的生長(zhǎng)及收獲情況，經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的數(shù)據(jù)積累，歸納總結(jié)出節(jié)水灌溉投入與產(chǎn)出的關(guān)系，用極值法確定合理節(jié)水用水的灌溉定額，由此計(jì)算出產(chǎn)值最大時(shí)的灌溉用水量，即經(jīng)濟(jì)效益最大時(shí)的灌溉用水量。

4?總結(jié)

我國(guó)是一個(gè)果品生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，北方廣大地區(qū)水資源短缺嚴(yán)重，水危機(jī)已成為制約果業(yè)發(fā)展的重要因素。果樹容器栽培技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的田間栽培具有成活率高、建園快，早花早果，有效節(jié)約人力成本等優(yōu)勢(shì)。因此開展果樹育苗容器栽培的智能化管理是未來(lái)實(shí)現(xiàn)果樹控根容器育苗發(fā)展工廠化、集約化的有益探索，而建設(shè)容器智能灌溉管理系統(tǒng)是解決問(wèn)題的最佳方案，具有顯著的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

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