覃 通，李 鳴，伊志謙，郭書勝，陳伊玲

(1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.上海盛銳軟件技術(shù)有限公司， 張江 201203；3.美國亨特實(shí)業(yè)有限公司，北京 100101；4.廣州綠友世紀(jì)灌溉技術(shù)有限公司，廣州 511450)

智能灌溉系統(tǒng)是一種能夠判斷出作物需水量數(shù)值的自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)。灌溉控制系統(tǒng)過去常用的是時(shí)間型控制或稱為時(shí)序控制[1]。時(shí)序控制的物理量為灌水時(shí)間。可以通過設(shè)定好開啟電磁閥時(shí)間和電磁閥持續(xù)保持時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行。時(shí)序控制器已經(jīng)能夠完成灌溉任務(wù)，但是如何判斷作物實(shí)時(shí)需要的灌水量，并以此控制電磁閥的開啟時(shí)間，是普通的時(shí)序控制器不能做到的。因?yàn)樽魑锏男杷炕蛘哒f耗水量，是隨著作物生長(zhǎng)時(shí)間的推移而改變，在作物的不同生長(zhǎng)階段，不同生長(zhǎng)時(shí)期，不同的氣象條件下，它需要的水量是不一樣的。對(duì)于時(shí)序控制器來說，它就無法判斷，以及確定一個(gè)精確的灌水工作時(shí)間。灌溉控制系統(tǒng)如果還是僅僅依靠時(shí)序式控制，是不能夠適應(yīng)按照作物需水量要求進(jìn)行適時(shí)、適量地灌溉，而這些是智能化灌溉所要完成的。

為實(shí)現(xiàn)智能灌溉這個(gè)目標(biāo)，Phena等人從1973年開始研究節(jié)水灌溉控制器，主要思路是通過土壤水分或濕度傳感器把土壤信息反饋到控制系統(tǒng)，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來確定是否進(jìn)行灌溉。隨后，F(xiàn)angmeier等人將紅外線熱電偶引入自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)控制領(lǐng)域，將熱電偶傳感器與空氣濕度計(jì)、土壤濕度傳感器等相互配合采集數(shù)據(jù)。1996年的Ismail和Alshooshan等應(yīng)用電子張力計(jì)作為土壤濕度傳感器。1989年Mcclendon、1992年Uhrig等應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制器輸出，建立作物灌溉模型，試圖通過不斷訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)合理預(yù)測(cè)。1994年Xiang Etal．建立了一個(gè)灌溉模糊決策體系，使系統(tǒng)控制能夠隨氣候和土壤濕度的變化而變化。

綜上所述，時(shí)序式控制是沒有智能的控制系統(tǒng)，不適應(yīng)這種智能化灌溉要求。采用土壤水分含量或土壤濕度傳感器的信息反饋到控制系統(tǒng)，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來進(jìn)行自動(dòng)控制灌溉的系統(tǒng)，它只靠所測(cè)到的數(shù)個(gè)點(diǎn)的土壤水分來推斷整個(gè)灌溉面積上作物的需水量是不全面的。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的系統(tǒng)，需要積累大量的歷史數(shù)據(jù)，用于學(xué)習(xí)過程才能建立植物生長(zhǎng)模型，它是通過不斷訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)智能灌溉控制。還有實(shí)時(shí)模糊控制灌溉系統(tǒng)，它的系統(tǒng)控制能夠隨氣候和土壤濕度而調(diào)整。這些灌溉控制系統(tǒng)，前者太簡(jiǎn)單，沒有智能控制成分，后者太復(fù)雜，考慮的因素太多，灌溉控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來存在困難，有時(shí)還需要人為的干預(yù)系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)正確地、適時(shí)地和合理地運(yùn)行。

這里介紹一種基于現(xiàn)場(chǎng)氣象參數(shù)的、簡(jiǎn)單實(shí)用以及考慮了作物生長(zhǎng)狀況的智能灌溉控制系統(tǒng)，它是能夠滿足作物需水量ETp值灌水要求的智能灌溉控制系統(tǒng)。

1 耗水量計(jì)算

時(shí)序式灌溉控制系統(tǒng)就是給定一個(gè)開啟時(shí)間和灌水時(shí)間長(zhǎng)度，系統(tǒng)按照到達(dá)的開啟時(shí)間驅(qū)動(dòng)電磁閥定時(shí)進(jìn)行灌溉。這就決定了它不是智能灌溉的控制器，因?yàn)樗鼪]有任何根據(jù)作物需求水量變化和氣候條件變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌水時(shí)間的功能。按照土壤濕度的上限和下限設(shè)定，自動(dòng)判斷來開啟灌水的控制系統(tǒng)，它是否是智能灌溉系統(tǒng)呢？從它能自動(dòng)判斷土壤水分含量來調(diào)整自己的灌水時(shí)間和灌水量來看，從一定意義上說已經(jīng)有了一定的智能功能。但是，其智能是建立在一個(gè)探測(cè)點(diǎn)或者數(shù)個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)土壤水分含量測(cè)定基礎(chǔ)上，它是否能夠代表整個(gè)灌水區(qū)域的缺水狀況，以及整個(gè)作物種植區(qū)的灌水需要量或灌水需要的時(shí)間，這顯然是個(gè)有爭(zhēng)議的問題。個(gè)人認(rèn)為，用一個(gè)點(diǎn)或數(shù)個(gè)點(diǎn)來代表灌溉區(qū)域，哪怕是在容易干旱的典型區(qū)域布點(diǎn)，依據(jù)其數(shù)據(jù)在相對(duì)大作物種植面積上的土壤水分含量情況進(jìn)行判斷，這種方法不是十分科學(xué)合理的。這里提出了采用田間小氣候，通過現(xiàn)場(chǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來分析計(jì)算出作物的蒸發(fā)騰發(fā)量，也就是參考作物耗水量ET0值的方法來判斷灌區(qū)內(nèi)作物需水的狀況，從而計(jì)算出作物的耗水量ETp。

參考作物需水量ET0根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算，該公式是綜合考慮了各種氣象因素對(duì)ET0的影響，它是個(gè)機(jī)理性公式，具有可靠的氣象物理基礎(chǔ)。該公式已被公認(rèn)為是計(jì)算ET0的標(biāo)準(zhǔn)方法。計(jì)算需要詳細(xì)的氣象資料，包括平均最高氣溫、最低氣溫、計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均最高相對(duì)濕度、平均最低相對(duì)濕度、計(jì)算時(shí)段內(nèi)2 m高的平均風(fēng)速、平均日照時(shí)數(shù)、海拔高度。這些氣象參數(shù)都可以通過現(xiàn)場(chǎng)的傳感器測(cè)得。當(dāng)然，現(xiàn)在縣一級(jí)或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級(jí)也有氣象參數(shù)，只是它們有的不是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的資料。Penman-Monteith公式，1992年修正后寫作：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；T為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均氣溫，℃；Δ為飽和水氣壓～溫度曲線上的斜率，kPa/℃；Rn為太陽凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；es、ea分別為飽和水氣壓和實(shí)際水氣壓，kPa；u2為離地面2 m高處的平均風(fēng)速，m/s。

作物的耗水量ETp，或者說灌溉需水量是由氣象參數(shù)計(jì)算得到的參考作物蒸騰量ET0后，再由考慮到作物生長(zhǎng)階段的需水系數(shù)Kc計(jì)算得到的。

ETp=KcET0

(2)

式中：Kc為綜合作物系數(shù)。

應(yīng)當(dāng)指出，作物綜合系數(shù)Kc這個(gè)數(shù)據(jù)，應(yīng)該是與作物生長(zhǎng)的階段，生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)系，所以它有很多種計(jì)算方法，因?yàn)楸疚闹挥懻摽刂破鞯目刂圃砗蛯?shí)現(xiàn)方式，不討論此計(jì)算公式，所以，在這里我們不做詳細(xì)討論。

2 智能灌溉原理

設(shè)計(jì)一個(gè)智能灌溉控制系統(tǒng)，基礎(chǔ)就是時(shí)序控制器的系統(tǒng)，從工程設(shè)計(jì)角度來說是相對(duì)容易的。全盤推倒原來的控制系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)全新的灌溉控制系統(tǒng)，這種思路一是沒有必要的，二是它將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜研究開發(fā)過程。在時(shí)序控制器基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，讓它變成智能的灌溉控制器，這是一種簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的思路。

灌溉控制系統(tǒng)原來是基于時(shí)序控制的，只是它的灌溉時(shí)間長(zhǎng)度是固定的，沒有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象情況和作物生長(zhǎng)階段去調(diào)整?，F(xiàn)在只需要根據(jù)氣象情況調(diào)整其灌溉的時(shí)間長(zhǎng)度和根據(jù)作物的生長(zhǎng)狀況調(diào)整Kc值，讓智能灌溉控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象條件和作物生長(zhǎng)狀況計(jì)算出的ETp進(jìn)行調(diào)整。假定根據(jù)氣象傳感器中的溫度傳感器、濕度傳感器、日照傳感器和風(fēng)速傳感器得到了計(jì)算公式所要的輸入數(shù)據(jù)。圖1就是灌溉時(shí)間調(diào)整比例的分析流程。

圖1 灌水調(diào)整比例分析流程圖

假設(shè)定原來控制器根據(jù)ETp來設(shè)定灌溉時(shí)間，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的是ET′p，則調(diào)整比例系數(shù)為p。

原來設(shè)定工作時(shí)間為Tr，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間是T′r根據(jù)作物需水量計(jì)算，原來設(shè)定的灌溉水量m1是：

(3)

式中：Q為系統(tǒng)一次灌水的流量，m3/h；A是灌溉的面積，m2；Tr為灌水時(shí)間，h。

現(xiàn)在實(shí)際需要灌溉的水量m′1是：

(4)

式中：p為系統(tǒng)灌水時(shí)間調(diào)整比例，%。

由ET′p=pETp，計(jì)算p：

(5)

把公式(4)右邊變化，得到實(shí)際需要的灌水時(shí)間T′r：

T′r=pTr

(6)

(7)

說明只要在原來時(shí)序控制器的基礎(chǔ)上，考慮一個(gè)百分比調(diào)整系統(tǒng)p，就可以把原來的非智能時(shí)序灌溉控制系統(tǒng)改造成為智能灌溉系統(tǒng)。一般地，把初次設(shè)定的灌水時(shí)間長(zhǎng)度Tr，選擇為夏季灌溉用水量最大的時(shí)期的灌溉時(shí)間長(zhǎng)度。當(dāng)灌溉作物的ETp根據(jù)實(shí)測(cè)氣象參數(shù)計(jì)算值與設(shè)定值不一樣時(shí)，調(diào)整灌水時(shí)間Tr為T′r。圖2就是整個(gè)控制器的控制邏輯框圖。

圖2 控制器控制邏輯圖

3 結(jié) 語

智能灌溉系統(tǒng)可以從一個(gè)時(shí)序控制系統(tǒng)的升級(jí)改造而實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的氣象數(shù)據(jù)公式(1)計(jì)算出ET0；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及作物的生長(zhǎng)階段計(jì)算出Kc值，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算的ETp值，見公式(2)。在控制器設(shè)定一個(gè)灌水調(diào)節(jié)比例，根據(jù)公式(8)確定現(xiàn)在的灌水量與原來設(shè)定的灌水量的比值p。調(diào)整實(shí)際的灌水時(shí)間長(zhǎng)度為T′r，最后達(dá)到智能灌溉的最終目的。

[1] 徐飛鵬，李云開，楊培嶺，等．節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[C]∥北京都市農(nóng)業(yè)工程科技創(chuàng)新與發(fā)展國際研討會(huì). 北京，2005：43-48．

[2] 劉永華，俞衛(wèi)東，沈明霞，等．精準(zhǔn)灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)[J]．節(jié)水灌溉，2014，(12)：80-83．

[3] 匡秋明，趙燕東，白陳祥，等．節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，(6)：136-139．

[4] 蘇 臣，孫一源，陳 勇，等．新型節(jié)水灌溉控制原理的應(yīng)用研究[J]．水利學(xué)進(jìn)展，1994，(6)：142-148．

[5] 徐征和，吳俊河，丁若冰．自動(dòng)化灌溉控制工程技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]．中國農(nóng)村水利水電，2006，(6)：66-72．