王曉麗， 安勝鑫， 張國峰， 饒晨曦

（1. 河北潤農節(jié)水科技股份有限公司，河北 唐山 064100；2. 河北省節(jié)水灌溉裝備產業(yè)技術研究院，河北 唐山 064100）

0 引言

隨著水資源供需矛盾日益突出，推廣高效節(jié)水灌溉技術已成為我國農業(yè)健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，滴灌作為目前節(jié)水效果和灌水質量較好的灌水方式之一，在我國已得到大面積推廣應用，但目前滴灌技術推廣應用中配套設備大多采用手動控制，在水肥管理過程中需專人值守，灌水和施肥量的確定仍依賴傳統(tǒng)經驗判定，難以達到精細化管理的要求。近年來，隨著土地流轉和規(guī)?；N植的不斷發(fā)展，對田間管理模式提出了自動化、精準化、智能化的發(fā)展要求，但由于土壤水分動態(tài)系統(tǒng)（SPAC 系統(tǒng)）中某些均衡要素（如降雨、蒸發(fā)和蒸騰）不僅在時間上是隨機變化的，而且在空間上也是隨機分布的，同時由于土壤本身的空間變異性及不同作物在不同生長時期需水量各異，使得灌溉決策系統(tǒng)變?yōu)橐粋€復雜的隨機系統(tǒng)，在缺少大數(shù)據(jù)支撐條件下，難以建立起與作物水肥需求特點相耦合的灌溉決策模型及精準化灌溉實施方案。目前已有的智能灌溉控制系統(tǒng)大多采用時序控制：達到設定的開啟時間，設備自動開啟進行灌溉，達到設定灌溉時長設備自動停止，完成灌溉，這種控制方式在一定程度上實現(xiàn)了灌溉過程的自動化控制，但灌溉決策模型的制定仍依賴于傳統(tǒng)經驗，制定的決策模型與作物需求特點難以匹配，不但浪費水肥資源還會影響灌水效果。本研究針對目前滴灌水肥一體化技術推廣應用中普遍存在的管理模式粗放、自動化程度低、水肥浪費嚴重等問題，以灌溉決策模型建立及配套硬件設備的控制方法研究為重點，計劃開發(fā)出一套可以對灌水過程進行自動控制的智能灌溉控制系統(tǒng)，以期提高田間管理的自動化程度和精細化水平，以適應現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展需求。

1 智能灌溉控制系統(tǒng)結構設計

1.1 智能灌溉控制系統(tǒng)簡介

智能灌溉控制系統(tǒng)是借助于云服務平臺、無線通信技術及傳感器技術等現(xiàn)代技術開發(fā)出的一套可以根據(jù)土壤墑情信息對田間灌溉過程進行遠程自動控制的灌溉管理系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和配套的硬件設備兩大部分組成，其中配套硬件設備主要包括LoRa 網關、LoRa 終端、DTU 模塊等數(shù)據(jù)傳輸設備，水泵、變頻器、過濾器、智能水肥一體機等首部系統(tǒng)，支持RS-485 通訊的壓力表和流量計等量測設備，以及脈沖電磁閥和土壤墑情傳感器等田間設備。系統(tǒng)工作時土壤墑情傳感器將采集到的土壤墑情信息實時傳輸?shù)皆品掌鳎浽品掌鞣治鎏幚砗蟾鶕?jù)設定的灌溉決策模型轉變?yōu)橄鄳目刂泼?，控制首部系統(tǒng)及田間電磁閥的啟閉，從而對田間灌溉過程進行控制，有效提高水肥利用率及田間管理的自動化程度和精細化水平[2]。智能灌溉控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)工作原理Fig. 1 Working principle of intelligent irrigation control system

1.2 系統(tǒng)硬件配置

智能灌溉控制系統(tǒng)分為云服務器、通信模塊、下位機和執(zhí)行機構4 層結構，其中云服務器主要進行數(shù)據(jù)存儲和管理決策，是控制系統(tǒng)的核心。

通訊模塊是智能灌溉控制系統(tǒng)的信息傳遞中樞，其性能直接影響系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，由于田間環(huán)境因素復雜，涉及到的田間設備較多，若采用有線傳輸，不但影響田間耕作，設備故障或需要增加新設備時可能需重新布設電路，增加施工成本，因此，采用無線通訊的設計方案，同時考慮到田間環(huán)境的復雜性，通訊模塊應滿足低能耗、精度高、信息傳輸穩(wěn)定等要求，經對比分析，無線傳輸系統(tǒng)配套的LoRa 網關、LoRa終端及DTU 模塊分別選用山東有人信息技術有限公司的USR-LG220、USR-G780 和USR-LG206 系 列 產 品，其中，云服務器和DTU 模塊之間可實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳，LoRa 網關和解碼器之間采用LoRa 通訊協(xié)議+自組網的方式通訊，DTU 模塊和LoRa 網關之間以PLC 為中繼，采用485 通訊方式進行信息傳輸，該通訊方式穩(wěn)定性好且設備數(shù)據(jù)傳輸覆蓋面廣，滿足田間應用需求[3-4]。

下位機主要是PLC、STM32 單片機等設備，上位機控制面板通過RS-485 通信協(xié)議與下位機完成通訊。執(zhí)行機構主要包括水泵、過濾器、施肥機及田間電磁閥等設備，主要負責執(zhí)行各項決策命令，系統(tǒng)執(zhí)行機構配套的過濾器和施肥機選用自主研發(fā)的設備，設備均配套具有RS-485 通訊功能的PLC 控制模塊，PLC 與DTU 模塊之間通過RS-485 通訊協(xié)議進行通訊，完成相關信息及決策命令的傳輸。

電磁閥作為田間灌溉主要執(zhí)行元件，其性能直接關系到灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為滿足田間應用需求，田間電磁閥應滿足低功耗的基本需求，經對比分析，選定了自保持式脈沖電磁閥，工作時輸入正向控制信號，電磁閥打開，執(zhí)行灌溉命令，此時停止輸入正向控制信號，電磁閥將繼續(xù)保持當前動作狀態(tài)，直到輸入反向控制信號，電磁閥復位，停止灌溉，滿足低功耗要求[5]。智能灌溉控制系統(tǒng)架構及配套通訊模塊分別如圖2、圖3 所示。

圖2 智能灌溉控制系統(tǒng)架構Fig. 2 Architecture of intelligent irrigation control system

圖3 無線通訊模塊Fig. 3 Wireless communication module

1.3 系統(tǒng)軟件設計

項目研發(fā)的智能灌溉控制系統(tǒng)是將信息采集技術和自動控制技術相結合的自動化管理平臺，用戶借助于云控制平臺，通過PC 端或手機APP 可實現(xiàn)對灌水施肥過程的遠程自動控制，有效提高水肥管理的自動化程度和智能化水平。系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)配套傳感器采集的土壤墑情及設備狀態(tài)信息及時上傳，經處理分析后根據(jù)設定的灌溉管理決策模型，發(fā)出相應控制指令，通過控制水源水泵、智能水肥一體機及田間電磁閥等設備的啟閉實現(xiàn)對灌水過程的控制。項目的智能灌溉控制平臺采用PHP 語言開發(fā)，B/S 架構體系，區(qū)域環(huán)境可視化展示采用ECharts 可視化工具，并配有MySQL 數(shù)據(jù)庫與應用程序，便于管理和快速訪問平臺數(shù)據(jù)。其控制程序如圖4 所示。

圖4 智能灌溉控制系統(tǒng)主程序架構Fig. 4 Main program architecture of intelligent irrigation control system

智能滴灌控制系統(tǒng)可通過自動控制和手動控制兩種相對獨立的模式實現(xiàn)對灌溉過程的控制。手動控制即通過命令按鈕直接控制系統(tǒng)啟閉，或通過系統(tǒng)預先設定好設備啟閉時間和灌溉周期，達到設定灌溉時間后，水源水泵、過濾器、施肥機及田間電磁閥自動打開，按設定好的施肥配方和輪灌編組進行灌溉，達到設定灌水時間/灌水量后，系統(tǒng)配套設備自動關閉，完成灌溉。自動控制則是根據(jù)設定好的灌溉決策模型及采集的土壤墑情和設備運行狀態(tài)信息，自動對灌溉過程進行控制，并對設備運行狀態(tài)、田間信息及設備運行參數(shù)等進行實時采集和反饋，便于用戶及時掌握灌水施肥狀況，有效提高田間管理的精細化水平，其控制流程如圖5 所示[6-7]。

圖5 智能灌溉系統(tǒng)控制流程Fig. 5 Intelligent irrigation system control flow chart

2 智能灌溉決策模型

智能灌溉控制系統(tǒng)主要由土壤墑情采集系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng)3 個部分組成，主要可實現(xiàn)以下3 個功能[8]。①信息采集：主要采集土壤墑情及配套設備的參數(shù)信息，為灌溉決策提供數(shù)據(jù)支撐。②控制決策：對采集的土壤墑情及配套設備運行狀態(tài)信息進行分析處理，根據(jù)制定的灌溉決策模型，確定灌水方案。③設備遠程控制及狀態(tài)監(jiān)測：根據(jù)灌溉決策，遠程控制系統(tǒng)配套過濾器、施肥機及田間電磁閥的啟閉，進行水肥一體化配施，并對設備運行狀態(tài)及輪灌區(qū)狀況進行實時監(jiān)測。其中，控制決策是智能滴灌水肥一體化控制系統(tǒng)的核心，決策模型的科學合理性將直接影響系統(tǒng)的灌水質量，主要包括灌溉系統(tǒng)控制、過濾系統(tǒng)控制及施肥系統(tǒng)控制等。

作物只有在適宜土壤含水率條件下才能獲得優(yōu)質高產[9]。灌水量過多不但造成深層滲漏和無效蒸發(fā)，浪費水資源，而且還會導致根系無氧呼吸，影響作物的產量和品質；當土壤含水量過低時，會對作物生長產生脅迫，甚至因過度缺水而造成枯萎，所以需制定合理的灌水上下限。本項目提出了一種基于土壤ET 墑的灌溉決策模型，其中，ET 墑用于表征不同土層深度的土壤含水量的動態(tài)變化情況。田間灌溉時，當灌水量足夠多時會產生深層滲漏或地表徑流，隨著地表蒸發(fā)和深層滲漏土壤中含水量會逐漸下降。充分灌溉后利用土壤墑情傳感器采集的土壤墑情實測值的歷史數(shù)據(jù)會形成一條平滑下降的曲線，曲線的拐點處即為田間持水率（θc），即土壤不產生深層滲漏的最大含水率。隨著灌溉水深層滲漏和蒸發(fā)，土壤含水量持續(xù)降低到一定值時，由于缺水會對作物生長產生脅迫甚至凋萎，因此，灌溉決策模型設定灌溉上限為θc，灌水下限為70%θc，系統(tǒng)處于自動控制模式時，當采集的土壤墑情值θ0≤70%θc時開始進行灌溉，土壤含水量達到θc時灌溉停止。由于不同土層深度的蒸發(fā)和滲漏的速率不同，不同土層深度的ET 墑曲線趨勢大致相同，但又互不交叉重合，因此，在進行灌溉決策時，應根據(jù)不同作物根系分布特點，選用根系主要分布區(qū)深度的曲線為決策依據(jù)。不同土層深度的實測土壤ET 墑曲線如圖6 所示。

圖6 實測土壤ET 墑曲線Fig. 6 Measured ET soil moisture curve

3 系統(tǒng)測試與分析

本項目研發(fā)的智能灌溉控制系統(tǒng)屬于公司自主研發(fā)的智慧農業(yè)物聯(lián)網管理系統(tǒng)的灌溉控制模塊，為測試系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，于2021 年5 月在平頂山市寶豐縣2 000 hm2（3 萬畝）高標準農田建設項目（二期）（智慧農業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)）中進行了示范性推廣應用。實驗示范基地667 hm2（1 萬畝），涉及趙莊鎮(zhèn)和商酒務鎮(zhèn)趙官營、吳莊等8 個村，項目核心區(qū)334 hm2（5 000畝）土地全部實現(xiàn)灌溉輸水管道化、灌溉管理信息化、灌溉控制智能化。系統(tǒng)測試過程中設置了手動控制和自動控制兩個處理，并分別針對不同處理控制指令的有效性進行測試，其結果如表1 所示。

表1 智能灌溉控制指令有效性測試Tab. 1 Effectiveness test of intelligent irrigation control instruction

實測表明，測試過程中有少數(shù)命令已下發(fā)，但設備未響應，經分析認為主要是由于戶外應用造成個別通信數(shù)據(jù)丟包，對指令有效性造成了一定影響，但系統(tǒng)配套的狀態(tài)反饋功能可及時識別出未響應的指令，反饋準確率達到97%以上，基本可確保設備穩(wěn)定、有效運行。

通過智能灌溉控制系統(tǒng)（圖7）進行灌溉管理時，僅需通過電腦、手機等客戶端或灌溉系統(tǒng)配套水肥一體機控制界面即可對灌溉過程進行控制，相較傳統(tǒng)水肥管理模式節(jié)省人工80%以上，有效提高田間灌溉管理的自動化程度。另外，通過科學合理的灌溉決策模型，可有效提高灌溉水利用率和作物產量，符合現(xiàn)代農業(yè)自動化、精細化、智能化的發(fā)展需求。目前，該系統(tǒng)已在河北、河南、山西、內蒙等地推廣應用2 000 hm2（3 萬畝），接入智能水肥一體機200 余臺，土壤墑情傳感器20 余個，截至目前系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。

圖7 智能灌溉控制系統(tǒng)Fig. 7 Intelligent irrigation control system

4 結論

針對目前高效節(jié)水灌溉技術推廣應用中普遍存在的自動化程度低、管理模式粗放、水肥浪費嚴重等問題，借助于無線通訊技術、自動控制技術及傳感器技術等現(xiàn)代技術開發(fā)了基于云平臺的智能灌溉控制系統(tǒng)，主要可實現(xiàn)以下功能。

（1）智能灌溉控制系統(tǒng)可通過手動和自動兩種相對獨立的模式，實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)配套設備自動控制及設備運行狀態(tài)監(jiān)測，有效提高了田間灌溉管理的自動化程度。

（2）建立了基于土壤ET 墑的灌溉決策模型，可有效提高灌溉水利用率和田間灌溉管理的精細化程度。

（3）應用結果表明，智能灌溉控制系統(tǒng)自動化程度高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，具有節(jié)水節(jié)肥、節(jié)省勞工、增產增收等顯著優(yōu)勢，符合現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展需求。