周安鸝，陳昌文，陳敏敏

（汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源材料與催化工程研究中心，廣東 汕尾 516600）

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，灌溉對于保障我國糧食安全具有重要的作用，也是影響農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要因素之一。目前在農(nóng)業(yè)灌溉中，大多仍是采用手動(dòng)控制的灌溉方式，澆灌人員利用個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷是否需要對農(nóng)田進(jìn)行灌溉及確定灌溉量的多少，或采用半自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，主要是采用控制時(shí)間的方式，澆灌人員同樣是依靠灌溉經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定灌溉時(shí)間。上述2種灌溉方式都較為粗糙，沒有定量監(jiān)測，可能會出現(xiàn)灌溉不足或過度灌溉的問題，不能達(dá)到精準(zhǔn)灌溉和節(jié)水的目的，且對人力的依賴程度較高，不適用于大規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

目前，農(nóng)業(yè)灌溉用水大約占全國供水量的60%，并且水利用率不高，如傳統(tǒng)的溝灌、漫灌等方式的水利用率僅在45%左右[1-3]。發(fā)展智能節(jié)水灌溉技術(shù)在促進(jìn)農(nóng)作物增收的同時(shí)，還能有效緩解水資源匱乏的壓力。因此，改變農(nóng)業(yè)灌溉方式，提高水資源利用率，降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，加強(qiáng)農(nóng)田智能灌溉技術(shù)的運(yùn)用至關(guān)重要，是我國建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必然選擇。本文通過研究農(nóng)田智能灌溉技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來智能灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，旨在為農(nóng)田智能灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用研究提供參考。

1 農(nóng)田智能灌溉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為提升農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展，智能灌溉逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。智能灌溉技術(shù)將智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的智能、科學(xué)及精準(zhǔn)灌溉。

1.1 控制方式

智能灌溉系統(tǒng)在研究初期主要以計(jì)算機(jī)控制為主，朱煥立等[4]利用一臺計(jì)算機(jī)作為中央控制器，根據(jù)中央控制器上安裝的智能灌溉專家系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等決策灌溉過程的啟停，實(shí)現(xiàn)對11 個(gè)果樹園區(qū)的自動(dòng)化灌溉。

隨著控制器逐漸向著小型化、集成化發(fā)展，智能灌溉系統(tǒng)控制器主要為單片機(jī)控制或采用PLC 控制。謝家興等[5]針對荔枝園的灌溉問題設(shè)計(jì)了以TI公司的Zigbee CC2530為核心處理器的智能灌溉系統(tǒng)。張陽陽等[6]設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能灌溉控制器，可根據(jù)作物的生長需求、環(huán)境條件及灌溉經(jīng)驗(yàn)等因素對作物進(jìn)行自動(dòng)澆灌。吳迪等[2]研究設(shè)計(jì)了一種以C8051 系列單片機(jī)為核心處理器，并結(jié)合模糊控制的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的精準(zhǔn)灌溉。郭鋒[7]設(shè)計(jì)了以STC89C52 單片機(jī)為控制芯片的智能灌溉系統(tǒng)。賴俊桂等[8]針對山地柑橘園的灌溉問題設(shè)計(jì)了一種以STM32C8T6 單片機(jī)為主控單元，基于Zigbee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉控制系統(tǒng)。黃翠[9]針對山地環(huán)境研究設(shè)計(jì)了基于西門子PLC 控制的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，可通過GPRS 無線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

隨著人工智能以及大數(shù)據(jù)分析的快速發(fā)展，基于算法控制的智能灌溉系統(tǒng)研究也越來越多。農(nóng)田土壤具有慣性及非線性的特點(diǎn)，因此難以靠一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，模糊控制則是根據(jù)灌溉經(jīng)驗(yàn)及長期環(huán)境條件分析整合出的灌溉規(guī)律，可以在距離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域里仍具有較好的動(dòng)態(tài)控制性能，但若僅使用模糊控制其精度相對較低，因此需與其它智能算法結(jié)合使用以達(dá)到更好的控制效果。劉慧敏[10]針對果園灌溉建立了Attention-LSTM 模型，對果樹的蒸騰量進(jìn)行預(yù)測，再通過搭建的模糊控制模型，輸入蒸騰量和土壤濕度偏差來確定準(zhǔn)確的灌溉時(shí)間。張伶鳦等[11]針對寒地水稻研究了基于調(diào)虧理論和模糊控制的智能灌溉策略，包含了模糊控制灌溉以及預(yù)測灌溉。馮兆宇等[1]針對寒地水稻灌溉問題研究了基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的智能灌溉制度，可以預(yù)先決策寒地水稻的灌溉水量并建立適當(dāng)?shù)墓喔裙芾矸绞?。李學(xué)軍等[12]研究了一種基于長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)測模型。張瀚中等[13]針對溫室大棚作物設(shè)計(jì)了一種基于WSNs，將模糊控制器與PID 控制器自適應(yīng)切換的智能灌溉控制系統(tǒng)，采用Fuzzy-PID 復(fù)合控制的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能更好。

1.2 灌溉方式

目前較為常見的農(nóng)田灌溉方式主要有漫灌、噴灌、滴灌等。傳統(tǒng)的漫灌方式不僅浪費(fèi)大量的水資源，同時(shí)容易造成土壤板結(jié)。噴灌技術(shù)通過動(dòng)力設(shè)備將水噴灑至田間，雖會造成一定的水分蒸發(fā)，但可以調(diào)節(jié)農(nóng)田小區(qū)域氣候，并且安裝布置不受地形限制。滴灌技術(shù)通過預(yù)先布置的管網(wǎng)將水直接輸送至農(nóng)作物根部，因而減少了在水在地面上輸送時(shí)的蒸發(fā)和流失。魏子涵等[14]以內(nèi)蒙古通遼市為例分析了不同灌溉方式下的節(jié)水量，64 萬hm2灌溉面積，采用低壓管灌可節(jié)約水量0.38 億m3；噴灌節(jié)約水量0.83 億m3；膜下滴灌節(jié)約水量1.09 億m3。噴灌、滴灌等方式在一定程度上可以節(jié)約水資源，但目前應(yīng)用的自動(dòng)化程度較低，結(jié)合智能灌溉系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動(dòng)化與智能化。

1.3 通訊方式

利用無線通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)及指令傳輸，更利于智能灌溉系統(tǒng)未來的擴(kuò)展和升級。張銳英等[15]設(shè)計(jì)研究了基于單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01 無線傳輸?shù)闹悄艽笈锕喔认到y(tǒng)。潘曉貝等[16]設(shè)計(jì)研究了基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)，可靠性高且成本、功耗低，但進(jìn)行數(shù)據(jù)及控制指令通訊的控制距離相對較短。楊全麗等[17]設(shè)計(jì)的南疆小麥智能灌溉系統(tǒng)采用了ZigBee 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過增加控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來增加控制面積。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（即WSN 技術(shù)）的容量相對更大，傳輸距離更遠(yuǎn)，采用WSN 技術(shù)進(jìn)行通訊可以擴(kuò)大智能灌溉系統(tǒng)的使用范圍，更適合于大規(guī)模農(nóng)田中的應(yīng)用。張瀚中等[13]研究發(fā)現(xiàn)采用ZigBee 與WiFi 雙協(xié)議融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）技術(shù)具有更高的傳輸速率以及更遠(yuǎn)的傳輸距離。劉宇[18]研究分析了智能灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)路由算法，發(fā)現(xiàn)該傳輸方式在800 m 的距離內(nèi)都具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。顧飛龍[19]設(shè)計(jì)了基于LoRa 遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，其通訊距離完全滿足系統(tǒng)的需要求。

2 存在的問題及應(yīng)對措施

2.1 前期投入大，推廣應(yīng)用難

農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)因其前期投入大、相對于農(nóng)民群體而言技術(shù)難度高，目前仍處于試驗(yàn)階段，大規(guī)模推廣應(yīng)用還存在一定難度?？梢酝ㄟ^先試點(diǎn)、后推廣的模式，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件及土壤狀態(tài)由專家系統(tǒng)推薦合適種植的農(nóng)作物，通過增收減少投入比例；再按農(nóng)作物品種分區(qū)科學(xué)規(guī)劃農(nóng)田，便于灌溉系統(tǒng)的聯(lián)用，減少技術(shù)成本。同時(shí)結(jié)合政府相關(guān)政策，加強(qiáng)對農(nóng)田的科學(xué)規(guī)劃與布局，按照智能灌溉系統(tǒng)的要求做好農(nóng)田面積、類別、道路、管網(wǎng)等整體的規(guī)劃建設(shè)，逐步改善農(nóng)田的基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀，創(chuàng)造適合大規(guī)模應(yīng)用智能灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。通過長遠(yuǎn)規(guī)劃，提高農(nóng)田的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為農(nóng)田作物自動(dòng)化收割與運(yùn)輸、智能管理與培育創(chuàng)造條件，為實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)打下基礎(chǔ)。

2.2 農(nóng)民對智能控制技術(shù)掌握不夠

農(nóng)民一方面對科學(xué)的作物培育技術(shù)掌握程度不夠，另一方面對智能控制技術(shù)的了解程度較低。要積極鼓勵(lì)成立農(nóng)田智能化管理培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)、農(nóng)田智能化控制技術(shù)培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)等社會組織，使一部分農(nóng)民先掌握相關(guān)科學(xué)技術(shù)，再進(jìn)行推廣普及。同時(shí)配合智慧管理平臺的咨詢服務(wù)，依托專家平臺獲取相關(guān)的科學(xué)知識及培訓(xùn)建議；通過機(jī)械化管理平臺，進(jìn)行機(jī)械報(bào)修，保證機(jī)械的正常維護(hù)保養(yǎng)。

3 農(nóng)田智能灌溉技術(shù)展望

未來的農(nóng)田智能灌溉技術(shù)發(fā)展要依托智慧化、綠色化、平臺化、互動(dòng)化等理念，遵循“可實(shí)施、可復(fù)制、可推廣”的建設(shè)思路建立智能灌溉系統(tǒng)。

3.1 農(nóng)田管理智慧化

農(nóng)田灌溉將由傳統(tǒng)的人工灌溉轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合智能化、數(shù)字化技術(shù)手段，依托移動(dòng)設(shè)備等管理平臺以及無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的智慧化管理。對農(nóng)田土壤狀態(tài)及農(nóng)作物生長狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控，實(shí)時(shí)收集土壤墑情、太陽能光照強(qiáng)度、雨水量等數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、動(dòng)態(tài)管理及自動(dòng)化灌溉。疫情的來臨凸顯了發(fā)展自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要性，特殊時(shí)期人員不得外出，但農(nóng)時(shí)不可誤。通過農(nóng)田智能灌溉技術(shù)在特殊時(shí)期自動(dòng)灌溉或遠(yuǎn)程遙控農(nóng)田灌溉過程，可降低對人力的依賴，克服空間距離和疫情的影響，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)能力。

與自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 技術(shù)等結(jié)合的智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)的建立需為后續(xù)智慧農(nóng)業(yè)整體系統(tǒng)的建立提供拓展空間，如水肥一體化、作物產(chǎn)量預(yù)估、蟲害及天氣預(yù)警等技術(shù)，均有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

3.2 能源利用綠色化

在建立農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注重綠色能源的應(yīng)用，因地制宜，如日照充足地區(qū)建立太陽能供電系統(tǒng)為智能灌溉系統(tǒng)供能，雨水充足地區(qū)可將雨水作為灌溉水源，建立雨水回收利用系統(tǒng)。通常，土壤缺水時(shí)的太陽能充足，因此農(nóng)作物需要澆灌的需求程度與太陽能充足程度呈間接正相關(guān)關(guān)系，利用清潔無污染的太陽能給系統(tǒng)供能，節(jié)能環(huán)保，可以減少二氧化碳的排放，有利于碳中和目標(biāo)的達(dá)成，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)建設(shè)。

3.3 平臺操作簡單化

基于農(nóng)民群體的普遍特征，農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)的管理平臺開發(fā)要遵循“科學(xué)、明了、易操作”的原則，使農(nóng)民對系統(tǒng)的管理簡易且智能。平臺設(shè)計(jì)要簡單、明了、易上手、使用技術(shù)難度小，讓農(nóng)民手機(jī)一點(diǎn)便能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉及土壤信息的收集，讓澆灌過程智能化、科學(xué)化，從而解放勞動(dòng)力，為農(nóng)田糧食生產(chǎn)增添科技色彩。

3.4 融入“互聯(lián)網(wǎng)+”

《廣東省實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃》中提出，要加快農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣，提高“互聯(lián)網(wǎng)+”農(nóng)技推廣服務(wù)信息化水平，建立農(nóng)技推廣應(yīng)用服務(wù)云平臺，引導(dǎo)社會資源積極參與農(nóng)技推廣工作[20]。在智能灌溉系統(tǒng)中加入“互聯(lián)網(wǎng)+”元素，建立云管理平臺，除反饋土地狀態(tài)外，還可以建設(shè)匹配的知識庫以及結(jié)合智能算法的專家?guī)?，提供智能灌溉系統(tǒng)運(yùn)維咨詢、知識獲取等，包括農(nóng)作物品種選擇、節(jié)水灌溉措施、施肥灌溉建議等。農(nóng)民只需通過手機(jī)，將實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)或問題輸入到專家?guī)?，就能得到灌溉、施肥、防?zāi)減災(zāi)預(yù)警等個(gè)性化指導(dǎo)，更利于農(nóng)作物的生長，利于農(nóng)民增收，有效助力鄉(xiāng)村振興。

4 結(jié)語

積極采用農(nóng)田智能灌溉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉過程的智能化、科學(xué)化。當(dāng)前，農(nóng)田智能灌溉技術(shù)從最初的由計(jì)算機(jī)控制逐漸演變到單片機(jī)控制、PLC控制或是基于人工智能算法控制；傳統(tǒng)漫灌會造成一定程度的水資源浪費(fèi)，在智能灌溉系統(tǒng)中采用噴灌、滴灌技術(shù)更節(jié)水；利用無線通訊技術(shù)進(jìn)行智能灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及指令傳輸，更利于智能灌溉系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。目前智能灌溉技術(shù)由于其前期投入大、相對農(nóng)民群體技術(shù)難度高，因此大規(guī)模應(yīng)用還存在一定難度，可以通過科學(xué)規(guī)劃、政策支持等措施，進(jìn)行先試點(diǎn)后普及。同時(shí)需要加強(qiáng)農(nóng)作物培育技術(shù)和智能控制技術(shù)的培訓(xùn)，未來農(nóng)田智能灌溉技術(shù)的發(fā)展將更注重智慧化、能源利用綠色化、平臺操作簡單化以及互動(dòng)化，融于“互聯(lián)網(wǎng)+”元素，適應(yīng)當(dāng)前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，有效服務(wù)鄉(xiāng)村振興。