河北北方學院信息科學與工程學院 賀國祥 邸桂松 孫興華 靳昂 劉乃迪

1 概述

近年來,隨著信息傳感器技術、計算機控制技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的進步，越來越多的農(nóng)業(yè)管理模式正朝著智能化方向發(fā)展[1]。由于我國智能灌溉技術起步較晚，目前的農(nóng)田灌溉技術生產(chǎn)方式還存在一些問題。

（1）目前傳統(tǒng)的農(nóng)田經(jīng)驗灌溉生產(chǎn)仍然是主要生產(chǎn)方式，農(nóng)田灌溉生產(chǎn)精度難以得到保證，缺乏明確定量生產(chǎn)指標和配套的農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)技術[2]。

（2）人工監(jiān)視和勞動控制均主要是人工勞動進行監(jiān)視管理，監(jiān)控系統(tǒng)采用人工進行管理,管理水平相對落后，存在勞動強度高、人機交互能力差等缺陷[3]，嚴重威脅到農(nóng)作物生產(chǎn)的質(zhì)量和收獲率。

因此,高效、智能化的灌溉技術應運而生。依靠人工智能算法，科學地計算灌溉流量與時間，使農(nóng)田的含水率始終維持在最適合作物生長的土壤濕度，已經(jīng)發(fā)展成為解決農(nóng)村地區(qū)水資源短缺、緩解城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)飲用水不足的一種有效手段。

在分析比較各種智能灌溉技術應用的基礎上，本文將展望未來智能灌溉技術的發(fā)展趨勢，期望為我國智能精確灌溉系統(tǒng)的研究與設計提供依據(jù)。

2 模糊控制技術在智能灌溉中的應用

2.1 模糊控制理論

模糊控制在現(xiàn)代智能灌溉技術中的廣泛應用，是以豐富的農(nóng)業(yè)種植管理經(jīng)驗和總結(jié)的農(nóng)業(yè)灌溉管理策略為依托，利用自然語言進行表達，或以大量的實際灌溉情況和數(shù)據(jù)綜合總結(jié)的模糊控制規(guī)律為理論依托，由計算機方式實現(xiàn)的一種智能灌溉管理[4]。由于土壤是一種慣性非線性的系統(tǒng)，整個農(nóng)作物在其生長時期內(nèi)往往會包含許多的環(huán)境變量，很難形成一個準確統(tǒng)一的數(shù)學模型。模糊控制極其適用于農(nóng)田灌溉的過程，效果顯著。模糊控制器結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 模糊控制器的結(jié)構

2.2 模糊控制方法

模糊控制是一種具有很好的知識表述能力和邏輯推理技術，通過模糊的邏輯推理就可以完成一個類似于別人的決策流程。通過使用一種具有智能化屬性的模糊控制器，可以有效地解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在灌溉過程中的控制精準率低的問題，國內(nèi)外研究重點都是將其應用到了模糊控制的方法上。

2007年，胡新華和王志明根據(jù)當前的綠地氣象預報技術特點分別設計了一種新型的未來綠地節(jié)水灌溉模糊控制器和系統(tǒng),并通過matlab等軟件對該模糊控制器和系統(tǒng)的性能可靠性指標進行了模擬仿真和統(tǒng)計分析，該模糊控制器的系統(tǒng)未來綠地灌溉用水量主要指標取決于當前氣象天氣預報中所及時發(fā)布的綠地降雨量和當前灌溉綠地的實際土壤濕度水勢，模糊預測控制器將未來的綠地降雨量和當前的綠地土壤濕度等預測數(shù)據(jù)既可作為預測輸入量，灌溉時的土壤水量和當前土壤濕度等預測數(shù)據(jù)也可作為輸出量，最終實現(xiàn)農(nóng)田的智能化灌溉。

2015年，waelchakchouk等人[5]領導研究人員設計了一種由兩種灌溉控制器技術相結(jié)合的模糊智能灌溉自動化新型灌溉控制管理方法系統(tǒng)，通過自動編程建立智能pi灌溉控制器和模糊智能自動化灌溉控制器同時自動調(diào)節(jié)固定灌溉用水量，并通過遠程仿真應用實踐證明了該灌溉控制管理方法的技術有效性與應用可行性。

2018年，馮兆宇等人[6]通過灰色神經(jīng)網(wǎng)絡預測出水稻各生長階段的需水量,并通過MATLAB軟件對模糊控制器進行了仿真。農(nóng)田實驗的結(jié)果顯示節(jié)水率高達13.54%，水稻產(chǎn)量也得到了明顯的提高。

2020年，金杰采用模糊算法[7]，提出了一種基于降雨預報的干深時域智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測、根據(jù)天氣預報和土壤濕度自主決策灌溉，以及農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲與查詢。顧飛龍[8]將lora與模糊控制算法相結(jié)合設計了基于LoRa的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。

綜上所述，將模糊控制數(shù)學技術廣泛應用到各種智能被控灌溉中,可以通過構建模糊數(shù)學控制模型，解決智能灌溉過程工藝批量生產(chǎn)以及過程管理中的控制問題,提高智能灌溉的生產(chǎn)精度。

3 無線傳感器網(wǎng)絡在智能灌溉中的應用

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線光電傳感器智能網(wǎng)絡技術具有智能電池容量大、功耗低、可靠性好等多大優(yōu)點，可廣泛應用于大型石化工業(yè)和城鎮(zhèn)農(nóng)村大型農(nóng)作物智能生產(chǎn)轉(zhuǎn)化基地[9-11]，促進到了我國農(nóng)村智能現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和農(nóng)村精準農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。無線傳感網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構框架如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

3.2 無線傳感網(wǎng)絡技術在智慧灌溉中的應用

2018年，沈建煒等人[12]構建了丘陵區(qū)藍莓園智能灌溉決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用土壤水分傳感器和小型氣象站對藍莓園的環(huán)境進行監(jiān)測，實現(xiàn)了藍莓園的灌溉決策和遠程監(jiān)控。但該系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)參考，監(jiān)測點多，設備投資大。

同年楊輝等人[13]開發(fā)了基于ZigBee通信技術的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構智能灌溉系統(tǒng)，重點設計開發(fā)了基于CC2530的終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點，并采用C/S結(jié)構的上位軟件實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和灌溉控制。最后簡要介紹了Lora技術的應用。系統(tǒng)的嵌入式節(jié)點設計非常優(yōu)秀，但上層軟件設計功能稍顯單一。

綜上所述，將無線傳感網(wǎng)絡技術廣泛運用于植物智能化灌溉中，可以輕松實現(xiàn)對植物生長環(huán)境的監(jiān)測，突破了土壤和地域的限制，提高了資料的信息共享度，同時根據(jù)環(huán)境和土壤的實時參數(shù)，可以合理算出最佳的灌溉時間和水量，達到節(jié)水的目的。另外無線傳感網(wǎng)絡技術在其應用過程中結(jié)合了人工智能管理技術，可以在無人值守的條件下完成蓄水池的灌溉。

4 智能灌溉技術的展望

國家經(jīng)濟社會科學發(fā)展五年規(guī)劃在工作報告中明確指出，要大力推進加快突破“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的體系建設,重點任務是加快突破應用傳統(tǒng)現(xiàn)代農(nóng)機生產(chǎn)設備、智能化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境資源保護等各個領域的農(nóng)業(yè)關鍵技術。智能灌溉發(fā)展的核心是在無人值守的情況下，灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)作物需水量、地形、氣候等因素，利用大數(shù)據(jù)分析等方法進行智能灌溉。筆者本文結(jié)合對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)智能網(wǎng)絡灌溉系統(tǒng)技術的深入研究與應用分析，提出了未來我國智能系統(tǒng)灌溉的發(fā)展趨勢。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術在智能灌溉中的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術是一種同時具有用戶可以輕松地直接實現(xiàn)對事物信息的全面實時感知、可靠的信息傳輸和對信息智能化的大數(shù)據(jù)處理三大功能的互聯(lián)網(wǎng)絡[14]。我國已經(jīng)正式提出了“感知中國”的現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展五大戰(zhàn)略，“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”也被廣泛認為將是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在未來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展五大戰(zhàn)略中最重要的一個主題和主要應用發(fā)展方向。在移動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應用領域，將移動物聯(lián)網(wǎng)廣泛地深入運用于綠色農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉，實現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”。

隨著我國新一代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用技術的快速進步和不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)應用物聯(lián)網(wǎng)一定會成為是一種必然的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)同時可以根據(jù)不同溫室用戶的環(huán)境情況,實時自動監(jiān)控室內(nèi)土壤的各種重要環(huán)境參數(shù)，并且系統(tǒng)利用無線信號數(shù)據(jù)收發(fā)控制模塊可以進行環(huán)境數(shù)據(jù)實時傳輸，對所有用戶指定的監(jiān)控設備信號進行自動切換或者手動進行調(diào)整。

4.2 大數(shù)據(jù)、云計算技術在智能灌溉中的應用

在智慧灌溉方面，大數(shù)據(jù)技術和云計算技術已經(jīng)得到了很好的融合，構建了以數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)上通信、數(shù)據(jù)云計算、管理和決策等功能于一體的綜合性智慧灌溉信息化系統(tǒng),更好地服務于智慧型農(nóng)業(yè)。

5 結(jié)論

本研究主要是針對當前工業(yè)農(nóng)田灌溉管理飲用區(qū)中水資源缺乏綜合利用轉(zhuǎn)化系數(shù)低、管理水平落后等突出實際問題，從農(nóng)業(yè)科學與工程技術兩個角度，介紹和深入分析了模糊控制管理技術、無線流量傳感器以及網(wǎng)絡管理技術等在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)農(nóng)田灌溉管理領域的技術應用發(fā)展現(xiàn)狀，并且詳細地分析展望了未來幾年我國農(nóng)業(yè)智能化農(nóng)田灌溉管理技術的發(fā)展趨勢。通過上面的論述和其他綜合理論分析，可以由此得出一個如下的基本結(jié)論。

土壤本身就是個非線性、滯后的復雜物理系統(tǒng)，我們必須在當?shù)赝寥乐型瑫r引入多種人工智能控制算法，根據(jù)當?shù)赝寥拉h(huán)境中作物信息結(jié)構變化的情況及時做出當?shù)叵鄳耐寥肋m應性，為當?shù)剞r(nóng)作物生長營造一個安全適宜的土壤環(huán)境，提高土壤農(nóng)產(chǎn)率。

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)模發(fā)展，對農(nóng)業(yè)灌溉技術的靈活性、準確性和反應速度提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術、完備的農(nóng)業(yè)知識信息存儲系統(tǒng)等技術使得農(nóng)業(yè)灌溉在智能農(nóng)業(yè)灌溉領域的應用越來越成熟。