曹 靖，宋嬌紅，王 冰

（騰色智能科技（南京）有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

中國用占世界6%的淡水資源和9%的耕地，以及30%左右的化肥，生產出了占世界26%的農產品，養(yǎng)活了世界近20%的人口［1］。中國人均水資源占有量僅為世界的1/4，被列為世界上21個貧水和最缺水的國家之一［2］。在中國，為了獲得高產而大量施肥的問題普遍存在，致使單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右［3］，而當季肥料有效利用率平均只有30%左右，比發(fā)達國家低20%左右［4］。水資源短缺，肥料用量巨大且利用效率低，資源浪費嚴重，同時造成了嚴重的土地污染，水肥的不合理利用產生的問題成為我國農業(yè)發(fā)展中不可回避的現(xiàn)實問題。為此，節(jié)水灌溉水肥一體化技術迅速發(fā)展，成為解決水肥有效利用的重要技術方法。

隨著現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網作為熱點技術在農業(yè)領域的應用越來越廣泛［5］。物聯(lián)網技術應用廣泛，在大田種植、溫室管理、水產養(yǎng)殖、農機化設施等方面都取得了諸多應用成果。如在農業(yè)生產中，通過物聯(lián)網技術能實現(xiàn)采集土壤濕度、土壤養(yǎng)分含量、農業(yè)氣象等農業(yè)生產關鍵信息［6］，使農業(yè)生產者全面充分地掌握作物生產過程信息，提高對農業(yè)生產過程的干預和控制能力，為提高農業(yè)生產效率、實現(xiàn)農業(yè)智慧化發(fā)展提供了有力的技術支撐。目前農業(yè)生產勞動力越來越缺乏，農業(yè)生產智能化是應對勞動力現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢。以節(jié)約水肥等資源的投入、減少勞動力、減輕土壤污染和提高作物產量為目的，文章基于物聯(lián)網技術開發(fā)了一種智能灌溉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農田水肥一體化的智能管理。

1 水肥一體化技術發(fā)展

水肥一體化技術是將灌溉和施肥融為一體，通過管道灌溉系統(tǒng)把水溶性肥料均勻、準確地直接輸送到作物根部，適時適量地滿足作物水肥需求的現(xiàn)代農業(yè)新技術［7］。具有節(jié)水節(jié)肥，提高水肥利用率，提高作物產量，改善土壤環(huán)境等優(yōu)點。Sinha等［8］通過研究發(fā)現(xiàn)利用水肥一體化技術種植向日葵，其水分和能量的利用率高于傳統(tǒng)技術，具有更高的產籽量。Jayakumar等［9］研究表明水肥一體化技術可以極大地提高椰果的產率和盈利能力。

水肥一體化在水資源貧乏的國家使用較多，且使用規(guī)模巨大，目前以色列有90%的灌溉區(qū)運用了水肥一體化施肥技術［10］。我國雖為貧水國家之一，但是水肥一體化發(fā)展較晚，目前只有8%的灌溉面積應用了水肥一體化［10］。水肥一體化技術在我國有較大的發(fā)展空間，原農業(yè)部辦公廳制定的《推進水肥一體化實施方案（2016-2020年）》指出，到2020年水肥一體化技術推廣面積達1 000萬hm2，新增533萬hm2。從實際推廣應用上看，水肥一體化技術能將蔬菜、果樹等經濟作物的肥料利用率提高50%以上，節(jié)肥30%以上，增產10%～50%以上，并使果蔬品質有明顯提升［11］。

隨著水肥一體化的發(fā)展，灌溉控制系統(tǒng)也應運而生。目前，關于灌溉控制系統(tǒng)，國內外的現(xiàn)有技術多為現(xiàn)場手動設置的模塊控制器或帶有遠程數(shù)據接口的控制器，一個控制器和多個電磁閥組成的星型拓撲結構。即使利用無線技術實現(xiàn)物聯(lián)網功能的控制系統(tǒng)，也是采用數(shù)據采集器或集中控制模塊，用485總線、直流電壓電流輸出的方式控制試行裝置或傳感器，現(xiàn)場往往需要將電源線和信號線部署到田間灌溉系統(tǒng)，并提供額外電源。此外，布線需要大量人工開槽回填施工，田間布線也有受損害、雷擊等風險。有些系統(tǒng)的控制器與電磁閥之間布線長達幾百米，布線距離過長會導致電源電壓衰減，能量損耗，無法驅動電磁閥開關。

現(xiàn)有的灌溉控制系統(tǒng)通常采用星形拓撲結構的控制器模塊，一個控制器或數(shù)據采集器一般最多控制20～30路設備，系統(tǒng)擴展時需要更多的電源布線和傳感器數(shù)據線（例如，一個控制器控制20路設備，當需要增加第21路時，需要額外增加一個控制器用于控制該第21路設備），由此就造成灌溉控制系統(tǒng)控制的區(qū)域面積有限，電磁閥、傳感器等設備的部署數(shù)量和距離受到一定限制。

隨著物聯(lián)網、人工智能等技術的快速發(fā)展，灌溉控制系統(tǒng)功能趨向智能化發(fā)展。智能灌溉控制不僅實現(xiàn)了精確灌溉和施肥，還可以節(jié)省勞動力，節(jié)約水肥資源，提高水肥利用率，促進了農業(yè)增產增收［12］。余國雄等［13］基于物聯(lián)網技術，設計了荔枝園的信息獲取和智能灌溉系統(tǒng)，應用效果表現(xiàn)出較強的實時性和準確率。吳秋明等［14］利用物聯(lián)網技術設計了棉花智能微觀系統(tǒng)，通過應用該系統(tǒng)水肥利用效率提高了22.6%。目前國外的灌溉控制系統(tǒng)已趨于成熟，而我國智能灌溉技術還在發(fā)展中，智能灌溉系統(tǒng)在無線化操作、智能化控制、精準化灌溉施肥等方面還需要更進一步的發(fā)展。

2 智能灌溉控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)框架

智能灌溉控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)軟件由移動用戶界面終端應用軟件和遠程用戶界面終端系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)由水肥混合系統(tǒng)、數(shù)據采集分析系統(tǒng)和水肥灌溉系統(tǒng)組成。數(shù)據采集系統(tǒng)包含智能灌溉控制器和土壤傳感器。水肥灌溉系統(tǒng)包含灌溉首部、管路、根區(qū)滴頭和智能閥門。

（1）控制系統(tǒng)：主要由移動用戶界面終端應用軟件和遠程用戶終端系統(tǒng)組成，實現(xiàn)對智能灌溉控制系統(tǒng)硬件設備的操作和控制?？刂葡到y(tǒng)功能主要包含首頁展示、資產管理、水肥程序設置、遠程控制和系統(tǒng)診斷等功能，實現(xiàn)了灌溉計劃的設定、在線查看、歷史記錄查詢，灌溉系統(tǒng)遠程操作和監(jiān)管等。

（2）水肥混合系統(tǒng)：由比例施肥器、施肥泵、水肥機或混液池組成，實現(xiàn)了水溶性肥料與水充分混合的功能。

（3）水肥灌溉系統(tǒng)：包含灌溉首部、管道、根區(qū)滴（噴）頭和智能閥門等，將混合液通過管道運輸?shù)阶魑锔鶇^(qū)，為作物進行灌溉施肥。

（4）數(shù)據采集分析系統(tǒng)：由傳感器和控制器組成，通過傳感器采集的土壤數(shù)據，控制器控制智能閥門的開關，實現(xiàn)自動灌溉。其中傳感器包括土壤水分、EC值、土壤溫度傳感器等，實現(xiàn)了土壤數(shù)據的采集?？刂破魈峁┝霜毩⑤敵隹刂坪妥越M網功能，為即插即用類型，適用于各種灌溉控制場景。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)框架Fig.1 Block diagram of intelligent irrigation control system

2.2 系統(tǒng)拓撲結構

智能灌溉控制系統(tǒng)包括以下硬件模塊：灌溉系統(tǒng)應用服務器、大數(shù)據服務器、移動和遠程用戶終端、智能控制器和網關，其拓撲結構如圖2所示。灌溉系統(tǒng)應用服務器作為邊緣計算網關服務器實現(xiàn)協(xié)議轉換和數(shù)據收集，包括運算和存儲功能，通過連接到互聯(lián)網或局域網，將數(shù)據上傳到大數(shù)據平臺或下發(fā)到系統(tǒng)終端裝置，實現(xiàn)物聯(lián)網、互聯(lián)網及移動互聯(lián)的綜合應用。移動和遠程用戶終端通過云端/大數(shù)據平臺控制灌溉系統(tǒng)應用服務器，遠程控制智能灌溉系統(tǒng)。灌溉智能控制器和網關可以自組網通信，實現(xiàn)傳感器數(shù)據和控制信號的組合采集、運算和控制，通過灌溉系統(tǒng)應用服務器連接到云端，通過云端下發(fā)的任務，對智能閥門進行控制。

圖2 灌溉智能控制系統(tǒng)拓撲圖Fig.2 Topology diagram of irrigation intelligent control system

2.3 系統(tǒng)控制模式

該系統(tǒng)提供了2種控制模式：半自動控制和全自動控制。

（1）半自動控制，是通過手動設定，定時定量的一種自動控制方式。用戶通過控制系統(tǒng)軟件在現(xiàn)場和遠程設定灌溉作業(yè)，如設定灌水時間、灌水時長、灌水周期等控制參數(shù)，系統(tǒng)根據設定的參數(shù)對作物進行自動灌溉。

（2）全自動控制，是根據數(shù)據采集分析系統(tǒng)自行判斷作物需水需肥情況，并自動進行施肥和灌溉的方式。數(shù)據采集分析系統(tǒng)通過自動氣象站監(jiān)測氣象因素，通過流量傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器、電導率傳感器、pH傳感器等實時監(jiān)測植物生長及各種環(huán)境信息給云端服務器，服務器根據各種實時采集的數(shù)據進行運算，計算蒸發(fā)、蒸騰引起的土壤水分損失，自動編制灌溉程序，實施灌溉或終止灌溉。

3 智能灌溉控制系統(tǒng)應用分析

3.1 應用案例

該智能灌溉控制系統(tǒng)在浙江金華6.67 hm2香榧種植示范田的水肥一體化滴灌工程上進行了部署應用。

系統(tǒng)部署如圖3所示，在管路上共設14個電磁閥和控制器，控制器之間通過自組網通信。系統(tǒng)采用半自動工作方式，根據香榧各生育時期需水肥規(guī)律，工作人員制定灌溉計劃下發(fā)給每個控制器進行灌溉作業(yè)?？刂破鲗⒐喔扔媱潏?zhí)行后的數(shù)據傳輸?shù)焦喔认到y(tǒng)應用服務器。

該示范田為山地丘陵，在應用水肥一體化滴灌技術前，該區(qū)域的水肥施用主要靠人工開溝施肥，需要投入大量人力物力，每年施有機肥約99 kg/hm2，使用智能灌溉控制系統(tǒng)后，每年施用的水溶肥降低到約33 kg/hm2。同時使用該系統(tǒng)后，整個示范區(qū)只需要1個種植經理即可完成所有的灌溉施肥作業(yè)。

圖3 系統(tǒng)應用示范區(qū)及部署Fig.3 System application demonstration area and deployment

3.2 系統(tǒng)特點

3.2.1 系統(tǒng)末端裝置自組網通信

智能灌溉控制系統(tǒng)的末端裝置包括控制器、網關、傳感器，可以部署到田間灌溉系統(tǒng)，能解決田間布線麻煩和布線雜亂的問題。系統(tǒng)終端裝置傳感器以及閥門獨立供電，能突破部署數(shù)量和部署距離的限制，并且不需要額外提供電源，節(jié)省電能，操作安全方便。系統(tǒng)終端裝置可以獨立輸出控制，又具備自組網功能，組網站點數(shù)量可達數(shù)百，能夠隨著種植面積擴大組網，實現(xiàn)大面積控制。同時，系統(tǒng)提供了末端裝置之間互相識別通訊功能，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據和控制信號的組合運算和控制，從而實現(xiàn)數(shù)據的就近運算和處理，無需集中到控制器。當系統(tǒng)沒有接入互聯(lián)網時也可以通過自組網方式獨立運行，數(shù)據存儲于本地終端裝置。系統(tǒng)終端裝置之間通過互相識別通訊功能實現(xiàn)傳感器數(shù)據和控制方法的組合應用。系統(tǒng)終端裝置自動負載均衡，減小了管道尺寸，可以降低系統(tǒng)的成本。隨著灌溉和施肥數(shù)據的記錄和水肥系統(tǒng)應用管理數(shù)據的積累，系統(tǒng)可通過硬件數(shù)據采集系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動控制。

3.2.2 便捷的灌溉終端作業(yè)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)提供了運行在智能手機終端的移動用戶界面終端應用軟件和運行于電腦終端的遠程用戶界面終端2種灌溉終端作業(yè)管理系統(tǒng)，通過智能手機或個人電腦上安裝的控制系統(tǒng)可以隨時隨地查看并進行程序設置，即時調整輪灌和施肥參數(shù)，還可以通過手動啟動灌溉程序實現(xiàn)定時定點灌溉作業(yè)。末端裝置具有數(shù)據儲存功能，數(shù)據可同步儲存在本地和服務器，為用戶提供了根據需求調節(jié)運行時間、調整水量預算、靈活確定灌溉程序和施肥方案的功能。移動終端應用軟件獲取灌溉區(qū)域內多個末端裝置的編碼，通過末端裝置編碼確定灌溉區(qū)域位置信息，用戶可以在現(xiàn)場土壤旱情實時控制 灌溉。

4 結論

該文采用物聯(lián)網信息技術設計了一種智能灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、水肥混合系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)和數(shù)據采集分析系統(tǒng)組成；具有獨立供電、自組網和數(shù)據采集、記錄、分析處理的功能，實現(xiàn)了農業(yè)水肥一體化的遠程智能控制和監(jiān)管的功能。系統(tǒng)終端裝置之間通過兩兩互通實現(xiàn)傳感器信號和控制信號的組合就近運算和處理數(shù)據，無需集中控制器運算。終端裝置的控制器和傳感器之間采用自組網方式連接，不受部署距離和數(shù)量的限制，也不受地形的影響，只需新增末端裝置，即可增加系統(tǒng)的控制范圍，覆蓋大面積區(qū)域。

智能灌溉系統(tǒng)在應用實現(xiàn)了水肥一體化的遠程和自動灌溉，達到減少勞動力投入，減輕土壤負擔的效果。隨著軟硬件的升級和水肥施用記錄的積累，灌溉系統(tǒng)可以對作物實現(xiàn)智能灌溉和精準灌溉，符合我國未來農業(yè)發(fā)展的愿景，對農業(yè)生產具有重要作用。

在今后研究應用中，應進一步分析水肥一體化模式下土壤水分供給、肥力運籌對作物生長發(fā)育及產量品質等方面的影響，研究土壤中水肥遷移運動狀態(tài)，結合作物、水分、肥力等因素，確定不同作物、不同地區(qū)的水肥配比模型，建立專業(yè)化水肥數(shù)據庫，提高水肥一體化灌溉控制的智能化、精準化水平。