摘要：為了能夠更好地對(duì)田間農(nóng)作物及時(shí)監(jiān)測(cè)和精確管理，本文以玉米作物為例，設(shè)計(jì)了智能灌溉系統(tǒng)，并建立決策模型對(duì)作物進(jìn)行精確管理。傳感器節(jié)點(diǎn)及時(shí)監(jiān)測(cè)到的土壤溫度、濕度等環(huán)境變量數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS無線傳輸技術(shù)傳給云平臺(tái)，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，綜合考慮多個(gè)環(huán)境因子，計(jì)算作物的蒸騰量并通過建立農(nóng)作物決策模型推出作物實(shí)際需水量、預(yù)報(bào)灌溉的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)量的精準(zhǔn)灌溉。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)專家灌溉模型;智能灌溉系統(tǒng);無線傳感器

中圖分類號(hào)：S-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李真真（1995-），女，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。

1背景介紹

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展和專家決策智能灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的推廣應(yīng)用，使得農(nóng)民可以越來越輕松、智能地種田。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)儲(chǔ)存著與農(nóng)業(yè)相關(guān)的資料，通過模擬專家解決問題的思維去推理、推測(cè)，并利用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中遇到的復(fù)雜難題。我國(guó)被稱為農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積廣大，農(nóng)業(yè)用水量是全國(guó)總用水量中占比最大的，占比60%。但是，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水被真正利用的只有45%[1]，這個(gè)數(shù)字表明，在灌溉和傳輸過程中有大部分水被浪費(fèi)。而在發(fā)展先進(jìn)的國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉用水的有效利用率是我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率的2倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國(guó)。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量是最大的，利用率卻是最低的，這成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。在農(nóng)業(yè)水利灌溉上，農(nóng)戶更多的是憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水，這種經(jīng)驗(yàn)是模糊的、不確定的，缺乏理論依據(jù)，會(huì)造成農(nóng)作物灌水量過多或過少，使農(nóng)作物產(chǎn)量減少、水資源浪費(fèi)。為了推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模，我國(guó)各地各高校在推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的道路上積極探索，并取得一些不錯(cuò)的成果。楊偉志等人設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的柑橘灌溉專家系統(tǒng)，把采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)作為灌溉決策的依據(jù)，專家系統(tǒng)通過運(yùn)用人工智能自然語言處理技術(shù)，指導(dǎo)用戶更好地管理柑橘園，使灌溉更合理、更科學(xué)。江蘇大學(xué)沈建煒設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的藍(lán)莓園，通過對(duì)傳感器布點(diǎn)和無線通信組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，綜合考慮溫度、濕度、降雨量、風(fēng)速等環(huán)境因素做灌溉預(yù)測(cè)。謝家興設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉專家系統(tǒng)，通過采集多個(gè)環(huán)境變量，并考慮到干旱性氣候因素，建立決策模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物精準(zhǔn)灌溉。虞佳佳設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和專家決策系統(tǒng)的農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，是根據(jù)設(shè)計(jì)灌水的上下限，當(dāng)田間水分超過設(shè)定上下限值時(shí)，電磁閥能夠被系統(tǒng)及時(shí)控制，對(duì)作物定時(shí)灌溉，但是沒有考慮降雨量等氣候因素[2]。

本文設(shè)計(jì)的基于專家決策模型的智能灌溉系統(tǒng)，通過計(jì)算多個(gè)環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物定時(shí)、定量灌溉，提高灌溉效率及準(zhǔn)確性，達(dá)到節(jié)水、節(jié)肥的目的[3]。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

PC端和手機(jī)端通過互聯(lián)網(wǎng)可以接收到氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、物聯(lián)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)[4]，專家決策系統(tǒng)可以結(jié)合專家的知識(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析做出決策。氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到農(nóng)田的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、雨量等，視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以對(duì)土壤墑情傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防損害和及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、及時(shí)維修，還可以對(duì)田間作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解作物生長(zhǎng)情況。

2.2傳感器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)3大部分構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，如圖2所示。在感測(cè)區(qū)域內(nèi)放置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤信息，并將感知到的土壤信息數(shù)據(jù)以自組織多跳的方式傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總?cè)诤?，最終把處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS傳給管理節(jié)點(diǎn)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)與管理節(jié)點(diǎn)建立連接，獲得監(jiān)測(cè)的信息。與此同時(shí)，用戶也可以通過管理節(jié)點(diǎn)反饋過來的數(shù)據(jù)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測(cè)命令。

2.3傳感器的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由4部分組成，如圖3所示。傳感器模塊的主要作用是在監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的溫濕度信息和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理模塊的主要作用是接收傳感器模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;無線通信模塊的主要作用是在監(jiān)測(cè)區(qū)域各個(gè)傳感器之間建立網(wǎng)絡(luò)用來數(shù)據(jù)傳輸;能量供應(yīng)模塊主要作用是給傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量，本實(shí)驗(yàn)采用的是太陽能配合聚合物鋰電池供電。

3專家決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)庫

在專家系統(tǒng)中會(huì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶信息。這些信息數(shù)據(jù)用作推理的依據(jù)，其中包括用戶信息表和農(nóng)作物環(huán)境信息表。用戶信息表設(shè)計(jì)的屬性有用戶姓名、職務(wù)、聯(lián)系電話、家庭住址;農(nóng)作物環(huán)境信息表存儲(chǔ)著地理空間信息，如經(jīng)度、緯度、行政區(qū)域、海拔等信息，采集的土壤的濕度、溫度、日降雨量、光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)環(huán)境信息。

3.2知識(shí)庫

專家知識(shí)庫用來存放農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，包括作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水量、灌溉量和灌溉周期，綜合考慮分析各種環(huán)境因素，設(shè)置在不同土壤種類下土壤含水量上下閾值。通過對(duì)作物專業(yè)理論知識(shí)的掌握，建立專家系統(tǒng)決策模型，對(duì)作物進(jìn)行定時(shí)、定量灌溉。

3.3推理機(jī)

推理機(jī)是根據(jù)已獲得的信息來匹配知識(shí)庫中的規(guī)則，反復(fù)推理實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的求解。在專家系統(tǒng)中，分別有正向推理、反向推理以及雙向推理3種推理方式。本文結(jié)合實(shí)際情況采用雙向推理方式，正向推理是從一些已知的事實(shí)，通過與知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配，證明結(jié)論的成立，當(dāng)規(guī)則庫中的知識(shí)不充分時(shí)，就需要使用雙向推理;反向推理和正向推理恰恰是相反的，其是以結(jié)論作為依據(jù)，從知識(shí)庫中尋找證據(jù)，驗(yàn)證結(jié)論的正確性。

3.4模型庫

模型庫是將田間監(jiān)測(cè)到的一些實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，如土壤溫度、濕度、光照強(qiáng)度和降雨量等氣候數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)公式，建立決策模型，對(duì)作物定時(shí)、定量灌溉。

3.4.1灌溉預(yù)報(bào)決策模型

3.4.1.1作物系數(shù)KC值的確定

作物系數(shù)Kc值是指在不同生育期作物需水量與作物蒸散量的比值，是對(duì)農(nóng)田進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉的重要依據(jù)。在試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境和農(nóng)作物種類不變的基礎(chǔ)上，玉米從播種到成熟時(shí)期3個(gè)階段的作物系數(shù)分別是0.75、0.95、1.02。

3.4.1.2計(jì)算參考作物的蒸發(fā)蒸騰量

Penman Monteith Equation是以空氣的導(dǎo)熱定律、水汽擴(kuò)散原理和能量平衡原理為根據(jù)，是英國(guó)科學(xué)家H.L.彭曼在1948年提出的，是目前被人們普遍用來計(jì)算參考作物的蒸發(fā)蒸騰量的公式，參考作物需水量的計(jì)算公式為[5]：

3.4.2灌溉預(yù)報(bào)計(jì)算

灌溉預(yù)報(bào)模塊是為了確定灌溉的時(shí)間間隔，使用戶不是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)盲目灌溉造成水資源浪費(fèi)，而是在最佳的時(shí)間段進(jìn)行灌溉[6]。要建立試驗(yàn)場(chǎng)地灌溉預(yù)報(bào)模型，選取水量平衡模型會(huì)更好適應(yīng)作物灌溉。

4關(guān)鍵技術(shù)

專家決策系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)是MyEclipse，遵循模式為MVC（Model ViewController）3層設(shè)計(jì)模式，服務(wù)器端采用JSP+Java Bean+Serv-let開發(fā)模式，以分離Model（視圖層）、View（模型層）和Cont-roller（控制器層）用戶使用B/S（Brower/Server）模式，通過瀏覽器連接到服務(wù)器，系統(tǒng)通過ADO.NET技術(shù)訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言Java編寫。

5結(jié)論

本研究試驗(yàn)場(chǎng)地位于河南省原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)基地內(nèi)，占地面積1.33hm2。為了能夠?qū)鄥^(qū)進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)了基于專家決策模型的智能灌溉系統(tǒng)，利用彭曼公式，水平衡原理，綜合考慮各種環(huán)境因素，建立決策模型對(duì)灌區(qū)作物進(jìn)行精確灌溉，提高作物產(chǎn)量，減少水肥的使用量，具有較高實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 賈燦）