呂 平

（山西省水利水電科學研究院 山西太原030002）

0 引言

精準農業(yè)是將先進的工業(yè)生產方式應用在現代高效農業(yè)生產管理上，實現全過程數字化、信息化、智能化的技術，在一定的農業(yè)生產資源上，獲得較高的產量、品質和經濟效益，它是一種現代高效農業(yè)生產方式，其中設施環(huán)境控制依托現代工程技術和信息技術，將作物置于人為調控之下，最大程度地滿足作物生長對光、熱、水、氣和營養(yǎng)物質的需要，提高生產力，實現農業(yè)綠色生產，保障農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

精準灌溉是實現精準農業(yè)的關鍵技術環(huán)節(jié)，精準灌溉在土壤特性、生長環(huán)境、種植作物、首部水源和灌溉設施等約束條件下，利用工程控制和信息化控制對節(jié)水灌溉方式、灌溉時機、速度、水量等進行精準控制，使農田水勢保持在適宜作物生長的最佳狀態(tài)，即農田水勢的最優(yōu)化控制[2]。

1 項目背景

作者參與設計《基于農業(yè)物聯網技術的精準農業(yè)自適應監(jiān)控方法》發(fā)明專利，專利號201310039194.1。2015年申請精準農業(yè)技術推廣項目作為專利成果轉化推廣應用，項目實施地為山西省沁縣松村鄉(xiāng)松村的沁州綠園區(qū)。

2 精準灌溉方案設計

精準灌溉控制系統(tǒng)是基于無線傳感器網絡進行設計的，方案設計如下：首先傳感器采集田間土壤墑情，其中包括環(huán)境溫度、濕度、日照強度、土壤水分、土壤溫度，然后將采集的作物墑情數據回傳至基站，觀測基站傳送給灌溉專家系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到土壤墑情信息后，綜合考慮作物環(huán)境參數，及時制定出灌溉決策，向指定控制設備并發(fā)出灌溉控制指令，實施適時適量灌溉，系統(tǒng)中土壤墑情數據的采集和傳輸、灌溉控制指令的傳輸由無線傳感器網絡來實現[3]；精準灌溉控制系統(tǒng)設計示意圖如圖1所示。

圖1 精準灌溉控制系統(tǒng)示意圖

3 技術路線

3.1 灌溉方式選擇

作物的生長和收獲取決于灌溉方式，灌溉方式不同，灌溉水利用率不同，對于作物的生長影響也有很大的差別。對于傳統(tǒng)的灌溉方式，膜下滴灌在低壓下，主管和支管作為輸配水管道，滴灌帶上的滴頭向土壤提供水分，這種灌溉方式節(jié)水效率高，在蔬菜、溫室花卉和荒漠治理等應用廣泛。與地表灌溉、噴罐等技術相比，膜下滴灌技術不僅節(jié)水效能好，也減少了土壤水分的蒸發(fā)、深層滲漏和地表徑流，便于農民實施田間管理和控制灌水量，使作物能直接利用水肥。

3.2 水源凈化系統(tǒng)

由于基地長期存在水源水質含泥沙量大，原有灌溉系統(tǒng)存在滴頭堵塞的問題，而且膜下滴灌對水質也有要求，因此本項目對園區(qū)原有水源凈化系統(tǒng)進行了更新和改造，去除懸浮物和顆粒進入供水管路，采用了LWY-30型過濾器即離心+網式手動過濾器，最大流量300 m3/h，灌溉面積3.3～13.2 hm2，公稱壓力在0.4 MPa，過濾精度在60～200目。水源經過凈化后，經過PE管道Φ110主管路和PE管道Φ50支管路進入大棚，再經過施肥罐、電磁閥和田間渠首系統(tǒng)，進入滴灌管道，進行灌溉，從根本上解決了水源水質問題。

3.3 傳感器的選擇

目前，測量土壤水分方法，可依據測量原理主要分為以下六類：重量法、電測法、熱學法、射線法、化學法、遙感法等

烘干稱重法和TDR法（Time Domain Refleetometry簡稱TDR法）測量土壤水分，目前在國內具有代表性。

烘干法是測定結果用重量含水率表示。烘干法的優(yōu)點是測量精度高，操作方法簡單；缺點是費時費力，因此烘干法主要用于標定檢驗。

TDR法（又稱時域反射法）是一種快速測量土壤含水量的技術，工作原理是：土壤中高頻電磁脈沖傳播的速度依賴于土壤的介電特性，而在一定的頻率范圍內，礦物質、空氣和水的介電特性為常數，且水的介電常數要遠遠大于其他物質，因此電磁脈沖的傳播速度主要跟土壤的容積含水量相關。TDR（時域反射法）是目前測量土壤含水量的主要方法之一，可對土壤進行快速、連續(xù)、準確的測量，測量范圍廣（0～100%）、分辨率高，且不需要標定，適合田間快速測量的要求。綜合考慮精度和成本[4]；項目采用TDR（時域反射法）傳感器的方式，在大棚中測量土壤水分采取代表性樣本取樣試驗對照，保證土壤含水量采集的精度。

3.4 無線傳感器網絡平臺

無線傳感器網絡平臺基于Si1000系列無線平臺構建，Si1000系列無線平臺具有成本低、發(fā)射功率高、集成度高、鏈路增益預算高等特點，工作于433 MHz公共頻段，無需付費。

網絡平臺的傳輸協(xié)議綜合考慮網絡結構、數據傳輸、節(jié)點部署、可靠性、低功耗等各種因素，采用國際標準結合自主開發(fā)的方式傳輸，能夠滿足精準灌溉的需求。

3.5 精準灌溉系統(tǒng)

精準灌溉專家系統(tǒng)主要有兩個部分組成：無線傳感網絡平臺和灌溉專家軟件平臺。首先傳感器采集田間土壤墑情包括土壤含水量、土壤溫度、生長環(huán)境溫度、濕度、光照強度，然后將采集的數據回傳至基站，再由基站傳送給灌溉專家系統(tǒng)，軟件平臺在接收到土壤墑情參數后，根據天氣情況和灌溉知識庫，制定灌溉決策，并發(fā)出灌溉控制指令，管道上電磁閥（或水泵控制設備）接受指令，進行適量膜下滴灌，土壤墑情的采集和傳輸、灌溉控制指令的傳輸均通過無線傳感器網絡來實現。

溫室大棚中全部是蔬菜，取公式（1）進行灌水量的理論計算：

式中：M——灌溉水量，mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

h——根系分布層土壤厚度，cm；

H1——灌水后達到土壤含水量上限，%；

H2——灌水前達到土壤含水量下限，%；

η——灌溉水有效利用系數。

蔬菜灌溉量不足達不到效果，引起蔬菜根系淺化；相反，如果灌溉水量過多，土壤透氣性差，根系呼吸不利，影響蔬菜生長發(fā)育。

4 精準灌溉專家系統(tǒng)模塊開發(fā)和應用

精準灌溉專家系統(tǒng)分為在線監(jiān)測、數據匯總、預警記錄、記錄查詢、追根溯源、基地管理、生產記錄、農資資訊、系統(tǒng)管理9個大模塊，每個模塊下又分若干小功能模塊，下面重點介紹在線監(jiān)測、數據匯總、預警記錄、追根溯源四個模塊功能，獲得國家版權局授予的軟件著作權，登記號為2019SR0209246。

4.1 在線監(jiān)測

在線監(jiān)測模塊主要功能包括視頻采集系統(tǒng)、傳感器、驅鳥控制、水泵控制、照明控制。

1）視頻采集系統(tǒng)通過監(jiān)控攝像頭進行遠程實時監(jiān)控，節(jié)省人工現場查看作物的生長情況、墑情和病蟲害。

2）傳感器：實時采集土壤含水量、土壤溫度、作物環(huán)境溫度、光照強度等作物生長環(huán)境信息，查看各傳感器采集工作狀態(tài)和信息。

3）驅鳥控制：通過控制峰鳴器驅鳥，本項目進行了功能軟件設計，主要適用于大田灌溉系統(tǒng)，本項目為大棚作物，因此并未進行設備配套，為將來項目的拓展奠定軟件基礎。

4）水泵控制：根據傳感器采集到的土壤墑情數據，設定限值，自動或者人工控制水泵和無線電磁閥啟閉時間，及時進行灌溉，保證作物的土壤水分和肥料。

5）照明控制：控制大棚內燈光，實現照明控制，同時能控制大棚夜間室內溫度，保持大棚室內溫度恒溫，滿足作物生長溫度條件。

4.2 數據匯總

數據匯總模塊主要功能歷史數據查詢、數據報表、數據分析等功能。傳感器采集到作物的墑情數據遠程回傳至系統(tǒng)，建立了數據庫，全部存儲在模塊中，可以掌握作物的生長過程和水肥條件，也能滿足農業(yè)和水利科研研究對數據采集要求，觀測數據如下圖2和圖3。

圖2 一號大棚溫度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

圖3 一號大棚土壤濕度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

4.3 預警記錄

軟件預警記錄包含種植基地預警記錄和蟲害預警記錄，種植基地預警記錄主要指基地的氣象條件預警記錄。蟲害預警記錄主要指病蟲害預警記錄，在預警記錄配置中進行氣象或蟲害預警條件的觸發(fā)配置，主要是包括氣候條件、溫度和濕度條件，依據作物葉面特征比對和專家經驗，判斷發(fā)生病蟲害的幾率。

4.4 追根溯源

項目研究中，不局限于作物墑情有關模塊開發(fā)，根據經營者要求和用戶的需要，同時開發(fā)了與食品安全相關的模塊，當前人們關注綠色有機蔬菜、食品安全和健康飲食，當采購到商品時，就能通過軟件產生的二維碼，了解和掌握產品的產地、收獲記錄、運輸記錄、銷售記錄等相關信息。

5 實時數據采集和分析

模塊提供溫室內溫度、光照度以及土壤溫度、濕度等實時監(jiān)測數據，后臺儲存，具有歷史數據和預警事件信息查詢功能。將環(huán)境和作物墑情監(jiān)測數據以圖表形式或曲線圖形式形成統(tǒng)計報表，供科研人員或基地管理人員做出分析與管理決策，同時根據歷史數據形成的曲線顯示出各參數在不同時間段的變化情況和設定合理的系統(tǒng)參數值、限定值；對于農田水利科研工作，供水利科研和農業(yè)基礎數據遠程收集和觀測，分析各參數變化對作物產生的影響，一號大棚濕度平均值如圖4。

圖4 一號大棚濕度平均值（2018年12月1日-21日）

6 專家灌溉軟件主要功能

通過構建無線網絡平臺和大棚中溫度、光照、濕度等無線傳感器，對作物的生長環(huán)境、土壤含水量、土壤溫度等參數進行實時采集，回傳至灌溉專家系統(tǒng)，灌溉專家系統(tǒng)依據現場采集的數據和預警信息做出判斷，進行遠程控制指定設備電磁閥或水泵，進行精準灌溉，同時用戶也通過電腦或4G和5G手機客戶端實時視頻，查看現場情況和數據。本系統(tǒng)以農業(yè)節(jié)水灌溉技術和遠程信息技術（TDR、RFID技術、物聯網、云計算等）為服務手段，實現農業(yè)生產監(jiān)測管理，進一步提高農業(yè)生產過程的信息化水平，可以廣泛應用于溫室大棚、大田、畜牧水產。

7 系統(tǒng)特點：

1）系統(tǒng)測量的范圍廣、準確性和及時性高

系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域大、范圍廣，系統(tǒng)布置傳感器節(jié)點構建傳感器網絡可以覆蓋一個幾千平方米連棟溫室，也可以覆蓋大面積的園區(qū)溫室群，在每個溫室中可以采集諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度等信息。無論在農業(yè)科研和生產需要方面，要求系統(tǒng)對作物環(huán)境參數和生長要素的監(jiān)測準確性和及時性，本次試驗選取兩個試驗大棚作為試驗點，遠程觀察時長達4個月，與現場隨機采集的數據進行比對，傳送準確率達到99.5%，能夠滿足準確性和及時性的要求。

2）經濟實用、成本低、節(jié)省人力

無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點組成，能以無線方式實現自組網，具有低成本、低功耗、分布廣等特點。本系統(tǒng)只需極少的管理人員，節(jié)省管理人員和田間操作人員人力和費用。

3）集成化和模塊化

水源凈化系統(tǒng)、膜下滴灌、水肥一體化和自動化灌溉系統(tǒng)集成系統(tǒng)推廣，適用于規(guī)?；O施農業(yè)；對于小規(guī)模的設施農業(yè)，根據農田灌溉的實際需要，提出模塊化的產品。如：膜下滴灌和水肥一體化系統(tǒng)、土壤墑情采集裝置、水泵控制裝置、精準農業(yè)控制平臺等，因此本系統(tǒng)既可以集成化使用，也可以獨立使用。

4）開放性和穩(wěn)定性

系統(tǒng)所有模塊采用標準化工業(yè)協(xié)議，建立智慧農業(yè)遠程托管中心，數據云平臺儲存，能實現第三方的鏈接，開放的優(yōu)勢是面對市場寬，既可以是普通用戶，也可以是系統(tǒng)集成商。由于系統(tǒng)建立以后，嵌入到農業(yè)生產活動中，在網絡穩(wěn)定前提下，系統(tǒng)配置的各類硬件設備具有安全、穩(wěn)定、可靠，數據回傳準確及時。

5）克服水質對膜下滴灌的影響

膜下滴灌是先進的節(jié)水灌溉方式，但水中雜質極易造成滴頭堵塞，縮短了滴灌帶的使用壽命，節(jié)水工程成本增加，因此膜下滴灌對水質中顆粒和懸浮物的含量要求嚴格。針對水源地的泥沙含量大的特點，本次項目采用了LWY-30型過濾器即離心+網式手動過濾器凈化系統(tǒng)，過濾精度在60-200目，完全滿足了膜下滴灌灌溉方式對水質的要求，徹底解決了沁縣基地灌溉用水和生活用水的水質問題。

8 結語

本項目實現了水肥一體化和灌溉自動化控制系統(tǒng)集成推廣，建立了灌溉專家系統(tǒng)，通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農作物環(huán)境溫度、光照、土壤溫度、土壤含水量等環(huán)境參數進行實時采集，傳輸到節(jié)水灌溉專家管理系統(tǒng)進行實時決策，并通過無線網絡傳輸到網絡服務器進行數據儲存和處理，開啟或者關閉指定設備實現自動灌溉，實現無線遠距離數據傳輸。專家實時根據最新監(jiān)測數據，根據不同作物不同季節(jié)的具體生育指標，判斷是否需要對溫室環(huán)境進行干預（或設定限值進行干預）。比如，根據溫室空氣溫濕度參數判斷是否要對溫室進行通風，依據土壤水分參數判斷是否需要定時定量澆灌。

在項目實施前，農民在溫室大棚內進行大水漫灌的灌溉方式，實施膜下滴灌，單位面積灌溉用水量是原有灌溉方式的28%，原有平均用水量在900～1 200 m3/hm2，采用膜下滴灌后平均用水量在270～300 m3/hm2，平均節(jié)水量在750 m3/hm2，灌溉水利用率達到0.95以上，土壤墑情采集傳感器數據傳送準確率達到100%，實時做出精準灌溉決策，實現了精準灌溉目的，以有機蔬菜辣椒為例，每公頃增產產量在2 250 kg左右，增產25%，增產效益7 496～8 996元/hm2；同時節(jié)約田間工程費和田間操作人員的費用，增產節(jié)支效益明顯。

在項目中節(jié)水灌溉自動化技術、水肥一體化與膜下滴灌技術的結合使用，不僅起到示范帶動作用，提高了農業(yè)生產經營者和管理者的節(jié)水意識，同時可為山西省貧困縣沁縣周邊地區(qū)取得良好的社會效益，在山西實施節(jié)水農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略布局下，節(jié)水農業(yè)增產增收是缺水貧困地區(qū)實現脫貧致富的必要途徑，因此本系統(tǒng)在節(jié)水農業(yè)應用市場推廣前景廣闊。