楊德軍 ，楊 超 ，魏 堃

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

農(nóng)業(yè)灌溉用水中的供需矛盾一直是世界各國(guó)關(guān)注的問(wèn)題，據(jù)水利部《2020年中國(guó)水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水耗水量占總耗水量的74.9%，2020年我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.565，而西方發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)達(dá)0.7~0.8[1]。2020年全國(guó)水資源總量約31 605.2億m3，而西北地區(qū)水資源僅為2 050.9億m3，只占全國(guó)水資源總量的6%[2]。西北地區(qū)氣候干燥，對(duì)水資源的需求遠(yuǎn)勝于其他地區(qū)。從上述數(shù)據(jù)可以看出，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。為進(jìn)一步提高西北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中水資源合理高效利用水平，迫切需要因地制宜發(fā)展智能灌溉技術(shù)，通過(guò)智能精準(zhǔn)灌溉加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉內(nèi)涵建設(shè)，由傳統(tǒng)粗放式灌溉向智能化、精準(zhǔn)化灌溉模式轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)灌溉用水水資源綜合利用效率。

1 農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 智能灌溉技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)智能化灌溉控制技術(shù)方面研究起步較早，智能灌溉控制技術(shù)得到了大規(guī)模的推廣和使用，其智能化灌溉控制技術(shù)已比較成熟，在灌溉控制過(guò)程方面采用智能自動(dòng)化控制模式，通過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)、智能化技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)，傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等形成了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的功能化、精細(xì)化和高效化完整應(yīng)用體系，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)實(shí)現(xiàn)由半自動(dòng)化向智能全自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，并且已經(jīng)得到了大面積的推廣，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率較高，技術(shù)應(yīng)用成效明顯[3]。

我國(guó)在農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，在農(nóng)業(yè)灌溉智能化控制系統(tǒng)方面的研究起步較晚且自動(dòng)化程度不高，尤其是自主開(kāi)發(fā)的智能化、自動(dòng)化遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣和成果轉(zhuǎn)化。針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量大、灌溉用水利用系數(shù)低、用水精細(xì)化管理程度不高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者在智能化農(nóng)業(yè)灌溉用水控制方面主要采用無(wú)線通信技術(shù)，以微控制器為核心元件，通過(guò)建立遠(yuǎn)程無(wú)線控制模式，運(yùn)用智能模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物灌溉時(shí)間和灌溉用水量的控制，以提高節(jié)水灌溉能力，減少依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)在大水漫灌過(guò)程中水資源的浪費(fèi)，同時(shí)進(jìn)一步節(jié)省人力、物力。在智能控制方面主要基于單片機(jī)和PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，在無(wú)線通信方面主要采用GPRS遠(yuǎn)程無(wú)線通信和ZigBee協(xié)議模式短程通信[4]。在智能化灌溉控制運(yùn)用方面，市面上智能化節(jié)水灌溉產(chǎn)品大多基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程無(wú)線控制，已逐步向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，但受地區(qū)差異和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件限制，成果還未得到大面積推廣和轉(zhuǎn)化。

總體來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)智能灌溉在技術(shù)方面已經(jīng)取得了階段性的突破，但智能化節(jié)水灌溉控制產(chǎn)品初期投資成本相對(duì)較高。西北地區(qū)農(nóng)民收入不高，由于系統(tǒng)初期投資成本高，且對(duì)地域特點(diǎn)有很高的要求，所以推廣和普及還存在一定問(wèn)題。隨著對(duì)節(jié)水灌溉技術(shù)要求的不斷提高，需要結(jié)合西北地區(qū)的實(shí)際情況，研究和開(kāi)發(fā)符合西北地方特色的農(nóng)業(yè)灌溉智能化控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中水資源綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化、精準(zhǔn)化控制，同時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)初期投資成本，便于系統(tǒng)的推廣和使用。

1.2 智能灌溉控制工作原理

傳統(tǒng)智能灌溉控制系統(tǒng)主要是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和人工灌溉經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)田間布置濕度傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)土壤濕度，將土壤濕度數(shù)據(jù)傳遞至控制系統(tǒng)，利用濕度傳感器獲取土壤濕度信息，控制系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度閾值選擇是否進(jìn)行灌溉，結(jié)合PLC和Wi-Fi技術(shù)遠(yuǎn)程控制水泵開(kāi)啟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的自動(dòng)灌溉。該灌溉模型與傳統(tǒng)漫灌灌溉方式相比具有智能決策相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但未能根據(jù)作物實(shí)際需水要求進(jìn)行灌溉用水量設(shè)計(jì)，僅以田間傳感器土壤濕度數(shù)據(jù)作為灌溉參考依據(jù)，灌溉模式相對(duì)粗放，灌溉用水量還不夠精確，未能實(shí)現(xiàn)灌溉用水的精細(xì)化管理。

目前，精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)智能灌溉以作物為對(duì)象，通過(guò)研究作物成長(zhǎng)過(guò)程中需水量與灌溉用水量之間的關(guān)系建立正確的灌溉模型，將灌溉模型與智能控制技術(shù)耦合作用于農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程。只有將灌溉模型與智能控制技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，根據(jù)作物實(shí)際需水要求實(shí)施精準(zhǔn)灌溉，才能避免水資源浪費(fèi)。在灌溉決策中考慮土壤濕度、土壤pH值等土壤墑情，考慮溫濕度、風(fēng)速、降水量、蒸騰量等環(huán)境及氣候條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的綜合作用效果，精確計(jì)算作物實(shí)際需水量[5]。灌溉決策數(shù)據(jù)建立主要考慮以下幾個(gè)方面：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用各類(lèi)傳感器獲取作物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤、環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)；通過(guò)田間試驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析，建立適用于作物不同生長(zhǎng)周期用水需求的灌溉決策模型，制定合理的灌溉計(jì)劃和灌水模式；通過(guò)智能控制技術(shù)，在灌溉過(guò)程中依據(jù)農(nóng)作物實(shí)際需水量動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉水量，可顯著提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率。

1.3 智能灌溉控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)智能灌溉主要是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代智能控制和無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能灌溉決策控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)代科技手段，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率，節(jié)省勞動(dòng)成本。智能灌溉決策控制系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等[6]。

1）傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)是智能灌溉控制系統(tǒng)中獲取信息和數(shù)據(jù)的重要途徑，在田間和周?chē)h(huán)境合理設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，利用濕度傳感器、溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、風(fēng)速傳感器、pH值傳感器等采集土壤、空氣及氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)，為智能灌溉決策控制系統(tǒng)提供參考數(shù)據(jù)。

2）無(wú)線通信技術(shù)。目前，農(nóng)業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)中運(yùn)用的無(wú)線通信技術(shù)主要有Modbus、ZigBee、LoRa通信協(xié)議以及NB-IoT和4G/5G技術(shù)等，通過(guò)上述無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等信息數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，同時(shí)接收灌溉決策系統(tǒng)發(fā)出的灌溉控制指令。不同無(wú)線通信技術(shù)在應(yīng)用方面各有其優(yōu)勢(shì)和適用范圍，因此智能灌溉控制系統(tǒng)在通信模式選擇方面應(yīng)根據(jù)灌溉對(duì)象、實(shí)際灌溉環(huán)境、灌溉面積、無(wú)線傳輸控制距離等因素和實(shí)際情況合理選擇擬采用的無(wú)線通信技術(shù)。Modbus通信相對(duì)簡(jiǎn)單，可支持較豐富的接口，無(wú)需復(fù)雜編程即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，目前應(yīng)用較成熟和廣泛；ZigBee通信技術(shù)適用于通信范圍幾百米內(nèi)的近距離數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚智能灌溉無(wú)線通信方面，但在傳輸過(guò)程中存在障礙物會(huì)造成信號(hào)的削弱；LoRa無(wú)線通信技術(shù)以擴(kuò)頻技術(shù)及其增益可大幅提升無(wú)線傳輸范圍，傳輸范圍可達(dá)15 km左右，工作頻段較低，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受干擾程度低，其具有功耗低、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(diǎn)，可應(yīng)用于對(duì)農(nóng)業(yè)智能灌溉控制距離較遠(yuǎn)、范圍較大的農(nóng)田、草原等的灌溉需求及數(shù)據(jù)分析；NB-IoT具備功耗低、信號(hào)增益能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量大等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)智能灌溉控制系統(tǒng)中底層農(nóng)田環(huán)境基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)的采集和傳輸；4G/5G技術(shù)具備數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時(shí)低等特點(diǎn)，在智能灌溉中可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與云端平臺(tái)的無(wú)線通信和數(shù)據(jù)分析[7]。

孫剛等利用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能灌溉控制系統(tǒng)中采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心之間灌溉用水量、傳感數(shù)據(jù)及電磁閥啟閉指令數(shù)據(jù)通信與交互[8]。方旭杰等通過(guò)ZigBee協(xié)議建立控制器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)間的灌溉控制系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳感器和控制器之間數(shù)據(jù)互通，灌溉執(zhí)行器接收到灌溉指令后執(zhí)行相應(yīng)灌溉操作[9]。李靜通過(guò)LoRa無(wú)線通信技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了基于土壤墑情的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與決策系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)接收、傳輸過(guò)程中的靈敏度和傳輸距離，提高了農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用效率[10]。

3）自動(dòng)控制技術(shù)。采用MCU或PLC控制技術(shù)，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)與灌溉大數(shù)據(jù)比對(duì)實(shí)現(xiàn)智能灌溉決策。當(dāng)作物需水量達(dá)到閾值時(shí)，發(fā)送無(wú)線控制指令，開(kāi)啟閥門(mén)進(jìn)行灌溉，達(dá)到灌溉水量時(shí)，閉合閥門(mén)結(jié)束灌溉。目前，智能控制主要采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)免疫等方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析和處理，控制電磁閥開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的智能操控。自動(dòng)控制技術(shù)方面重點(diǎn)考慮灌溉指令發(fā)送和接收時(shí)帶來(lái)的時(shí)滯效應(yīng)及灌溉流量實(shí)時(shí)控制，根據(jù)輪灌方案和計(jì)劃，建立合理的控制流程及灌溉機(jī)制，根據(jù)作物實(shí)際需水量實(shí)現(xiàn)灌溉數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的精準(zhǔn)化控制。

2 智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能灌溉控制系統(tǒng)架構(gòu)

智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集層、執(zhí)行層、無(wú)線傳輸層和應(yīng)用決策層四個(gè)模塊，如圖1所示。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層處于系統(tǒng)底層，主要采集灌溉決策系統(tǒng)所需溫度、濕度、光照、風(fēng)速、水流量、水位等各項(xiàng)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為建立灌溉模型和智能決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。執(zhí)行層主要根據(jù)灌溉決策指令控制田間電磁閥、水泵等灌溉執(zhí)行設(shè)備的開(kāi)啟與閉合。無(wú)線傳輸層結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層、執(zhí)行層和應(yīng)用決策層之間數(shù)據(jù)互通傳輸，起到數(shù)據(jù)橋梁作用。無(wú)線傳輸層需根據(jù)灌溉對(duì)象實(shí)際情況合理選擇無(wú)線通信方式，對(duì)于灌溉控制數(shù)據(jù)傳輸距離要求不高的情況，可選用ZigBee、NB-IoT等傳輸距離短的無(wú)線通信技術(shù)；對(duì)于農(nóng)業(yè)大田、草原等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多、整體灌溉面積較大、數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍較廣、遠(yuǎn)程控制距離遠(yuǎn)的情況，可選用LoRa等傳輸距離較遠(yuǎn)的無(wú)線通信技術(shù)。數(shù)據(jù)采集層采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸層傳輸至應(yīng)用決策層，通過(guò)智能決策系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。應(yīng)用決策層形成灌溉決策指令，將控制指令通過(guò)無(wú)線傳輸層發(fā)送至執(zhí)行層，執(zhí)行層現(xiàn)場(chǎng)控制器接收到灌溉指令后執(zhí)行相應(yīng)灌溉動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)控制器（MCU）起到數(shù)據(jù)處理、上傳和接收作用，以ZigBee、NB-IoT、RS485通信節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度、濕度、水位、灌溉流量、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸層，以無(wú)線通信方式上傳至應(yīng)用決策層集控計(jì)算機(jī)。集控計(jì)算機(jī)結(jié)合植物生長(zhǎng)大數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比，作出合理的灌溉決策，將灌溉指令以無(wú)線通信方式發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器根據(jù)控制指令控制執(zhí)行層電磁閥和水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.2 智能灌溉控制系統(tǒng)灌溉決策設(shè)計(jì)

灌溉決策軟件設(shè)計(jì)是智能灌溉控制系統(tǒng)的大腦中樞，控制系統(tǒng)在接收到底層傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)土壤墑情數(shù)據(jù)及相關(guān)氣候環(huán)境數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和作物需水模型計(jì)算作物ET值，與大數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，計(jì)算生成灌溉水量和灌溉時(shí)長(zhǎng)等灌溉決策指令。灌溉決策軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能灌溉控制系統(tǒng)灌溉決策軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將土壤濕度、pH值等土壤數(shù)據(jù)和溫度、風(fēng)速、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制器；現(xiàn)場(chǎng)控制器對(duì)土壤條件指標(biāo)數(shù)據(jù)和氣候條件指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，形成土壤條件指標(biāo)和氣候條件指標(biāo)，并通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送至集控計(jì)算機(jī)；集控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的最新參數(shù)指標(biāo)計(jì)算作物實(shí)際需水量，與已有大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)作物需水量低于需水閾值時(shí)，控制程序計(jì)算生成灌溉時(shí)長(zhǎng)或灌溉水量，動(dòng)態(tài)調(diào)整灌溉時(shí)長(zhǎng)或灌溉水量，將生成的灌溉控制指令以無(wú)線通信方式發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)控制器，現(xiàn)場(chǎng)控制器按照指令要求控制電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)智能灌溉。同時(shí)，在灌溉過(guò)程中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤和環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)值變化，不間斷向集控計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。智能灌溉系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整灌溉時(shí)長(zhǎng)或灌溉水量指令，直至灌溉結(jié)束。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控灌溉用水量，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，避免水資源浪費(fèi)。

3 結(jié)論

本文以我國(guó)灌溉用水實(shí)際情況和西北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用方面存在的突出問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)為背景，在系統(tǒng)研究分析基礎(chǔ)上提出在西北地區(qū)發(fā)展智能化農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)方法及實(shí)現(xiàn)途徑。首先，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)實(shí)際需水狀況進(jìn)行研究，建立精準(zhǔn)化灌溉用水量模型；其次，根據(jù)灌溉實(shí)際合理選取傳感器、無(wú)線通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，完成智能灌溉控制系統(tǒng)整體架構(gòu)的搭建；最后，根據(jù)作物實(shí)際需水量完成智能灌溉決策設(shè)計(jì)，形成灌溉控制計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物實(shí)際需水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和灌溉用水控制，進(jìn)一步降低成本，提高農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中水資源利用率，為西北地區(qū)農(nóng)業(yè)智能化高效節(jié)水灌溉提供實(shí)現(xiàn)途徑，為實(shí)現(xiàn)由粗放型灌溉向集約型、智能化、規(guī)模化灌溉轉(zhuǎn)變提供參考。