設施農業高效用水信息化發展 及其技術體系探討

杭程光，韓文霆,2，黃玉祥

(1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

提高農業用水的信息化水平是解決我國水資源供需矛盾的重要途徑之一[1,2]。設施農業是現代農業的重要組成部分，提高其用水的信息化水平是改善設施農業用水效率和效益的有效措施[3]。

設施農業高效用水的信息化過程是指在利用各種自動化設備對輸配水、水文、氣象、土壤墑情等信息進行采集的基礎上，通過網絡傳輸系統傳遞信息，并借助計算機技術對各類信息進行存儲、加工和處理，為實現水資源的精量配置與高效利用提供決策支持[4,5]。

本研究在分析國內外發展現狀的基礎上，探討了我國設施農業用水信息化發展存在的問題，結合其發展需求，提出促進我國設施農業用水信息化發展的措施和建議，旨在為提高我國設施農業用水信息化水平提供依據。

1 設施農業用水信息化發展現狀

1.1 國外設施農業用水信息化發展現狀

20世紀70年代以來，發達國家在設施農業高效用水信息化技術研究與應用方面取得了重要進展，已形成了較為完善的技術體系。他們可以根據作物對環境的需求，通過計算機對設施內的溫度、光照、水分等因子進行檢測和調控，并根據檢測結果對作物實施精量灌溉，其管理與作業方式在實現機械化的同時，部分環節已實現了自動化與智能化管理[6]。

例如，以色列能夠通過傳感系統對土壤墑情以及植物的莖、果實直徑的變化進行檢測，從而根據檢測到的信息確定對植物的灌溉間隔，并采用灌溉管理程序控制多路電磁閥，實現對滴灌次數、水量的自動控制，其水資源的利用效率可達到90%以上[7]，且該系統能夠將土壤的鹽漬化程度控制在很低的水平[8]。另外，以色列的部分農場主可以在家里通過信息化網絡系統實現對設施作物灌溉過程的全自動控制。美國將機器視覺技術大量應用于設施農業研究中，把圖像、電子顯微鏡以及計算機技術相結合，實現對作物生長、營養、水分以及病蟲害等狀況進行綜合判斷，然后通過電子郵件將信息傳輸給決策支持系統進行分析、決策，實現了設施作物用水過程的信息化與智能化管理[9]；美國加利福尼亞大學和康奈爾大學研制出了溫室生產SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技術系統，目前已進入實際應用階段[10]，大大提高了溫室生產的自動化與信息化水平。在設施環境控制技術方面，美國開發的加濕系統以及濕簾降溫系統通過對設施作物生長環境信息的采集與分析，實現了水資源的高效利用[11,12]。荷蘭的玻璃溫室處于世界領先水平，目前已經研發出技術較成熟的設施環境智能控制系統，可根據作物對生長環境的需求，采用計算機對溫室內溫、光、水、氣、肥等信息進行自動檢測與調控[13]，例如荷蘭開發的Tomsim、Hotsim等模型，對作物栽培密度、不同生長階段的水肥管理指標、氣象與作物生長環境等進行了量化，實現了作物需水、需肥的信息化，并進行了廣泛的應用[14]。日本的溫室配套設施及綜合環境調控技術處于世界前列，其溫室設施可以通過計算機將溫度、水分、二氧化碳濃度等控制在最適合植物生長的范圍，例如日本的千葉大學將機器視覺技術與遙感技術相結合對作物生長信息進行檢測，根據檢測信息對作物的需水、需肥量進行配比，采用信息化手段實現了水資源的高效利用與優化配置。

1.2 國內設施農業用水信息化發展現狀

我國設施農業用水信息化的研究始于20世紀80年代后期，經過幾十年的發展，在灌溉方式的信息化、智能化方面取得了較大進展，但與發達國家之間還存在一定的差距。

(1)在輸、配水信息獲取方面。目前，我國灌溉水利用系數僅為0.3～0.4，與發達國家的0.7～0.9之間還存在著較大的差距[15]。提高輸、配水過程的信息化水平，有助于減少輸、配水的損失，是提高灌溉用水利用系數的重要途徑。輸、配水過程中獲取的信息主要包括輸配水量、輸配水損失、水文信息等。水文信息的獲取主要依靠各類傳感器(溫度、壓力傳感器等)，輸、配水量與輸、配水損失的獲取主要通過智能流量計(智能水表、超聲波流量計等)。目前，我國輸配水信息獲取的設備較為完善，但其在設施農業輸、配水信息獲取方面的應用范圍還比較小，且部分設施農業不能有效的采用智能流量計對用水過程的輸、配水損失等信息進行檢測，多數溫室未將水溫、水壓等信息的檢測融入到輸、配水過程管理中，這在一定程度上降低了水資源的利用效率以及影響了作物的產量。因此，采用智能流量檢測設備獲取輸、配水各個環節水資源的利用狀況，提高輸、配水過程的信息化程度，可以為實現精量灌溉奠定基礎。

實時獲取輸、配水信息是實現設施農業灌溉自動化控制的基礎；同時，完善的灌溉自動化設備配套系統對信息化的發展也具有重要的影響。目前，滴灌、滲灌等高效用水技術在我國的應用范圍越來越廣泛，但與之相配套的先進、實用的輸、配水自動控制設備還比較缺乏，這在很大程度上制約了設施農業輸、配水過程的自動化與信息化發展。

(2)在作物需水信息評價與檢測方面。目前，我國設施作物需水信息的評價指標主要通過土壤墑情、溫室溫濕度、光照強度等間接信息作為評價依據[16]；而在以作物生長器官的形態變化或作物的生理變化等直接信息作為作物需水信息評價指標的研究方面，我國學者雖然做了大量的研究[17,18]，但研究成果卻在實際生產中鮮有應用。因此，需要加強設施作物需水信息評價指標的研究。隨著科學技術的不斷進步，將作物蒸騰系數、機器視覺技術、遙感技術等結合是開展作物需水信息評價研究的重要內容。

作物需水信息感知設備是作物需水信息獲取的載體。我國學者開發了多種作物需水信息監測設備。彭勝民等以嵌入式系統為核心配以土壤含水率傳感器及其外圍電路和GPRS無線數據傳輸模擬，實現了土壤含水率的自動獲取與傳輸；而基于作物生長形態、生理變化等特征以及溫室作物蒸騰量進行作物需水信息檢測的設備或裝置還比較缺乏。

2 設施農業高效用水信息化技術體系研究

2.1 設施農業高效用水信息化需求

明確設施農業高效用水信息化發展的需求，是構建科學、完善的信息化技術體系的前提。設施農業高效用水的信息化過程貫穿農業用水基礎數據傳輸網絡與共享平臺搭建、設施作物精量灌溉智能控制技術、作物需水信息評價與檢測技術等多個方面，其需求主要體現在以下幾個方面：①獲取土壤墑情、溫室溫濕度以及作物生長信息，為作物需水信息的評價及輸、配水決策提供依據；②獲取水壓、水溫、流速等水文信息，并對其進行調節，以滿足作物生長及信息化設備運行的需要；③獲取輸、配水過程中的輸、配水量以及輸、配水損失等信息，為輸、配水過程的自動控制及輸、配水管線布置的優化提供依據；④可以利用計算機技術在可視化的條件下，對水管理活動作出科學的分析與預測，并依據水資源工程狀況和水資源配置計劃進行模擬、分析和研究，為決策者提供科學、準確的信息支持。

2.2 設施農業高效用水信息化技術體系構建

設施農業高效用水信息化技術系統以基礎數據傳輸及共享平臺為支撐，以作物需水信息評價與檢測技術為核心，采用精量灌溉智能控制技術實現水資源的高效利用與過程的自動化控制。本研究在綜合分析設施農業高效用水信息化需求及技術系統的基礎上，構建了一種設施農業高效用水信息化系統，該系統主要由基礎數據傳輸網絡及共享平臺(包括信息傳輸網絡、數據中心與控制終端)、作物需水信息評價與檢測模塊、輸配水系統(包括水量自動控制模塊、流量監測模塊、水質檢測模塊、水肥一體化模塊)等部分構成，其工作流程如圖1所示(圖中虛線部分代表信息傳輸網絡)。

圖1 設施農業高效用水信息化技術系統工作流程Fig.1 The working process of the high efficiency and informatization technology system of protected agriculture water

如圖1所示，首先作物需水信息評價與檢測系統通過各類傳感器對作物生長狀況、土壤墑情、空氣溫濕度等信息進行檢測，并通過基礎數據傳輸網絡及共享平臺將信息傳輸到數據中心進行分析，確定系統的輸、配水量；其次，輸配水模塊通過離心泵獲取水資源，通過水質檢測模塊對水溫、水壓、流速等信息進行采集與傳輸，并根據檢測結果采用調壓閥、過濾器等設備對水質進行調節，使水溫、水壓等滿足系統要求；最后，采用安裝在各級管路兩端的智能流量設備對輸、配水量進行監測，并將其傳輸到數據中心，決策者根據水量監測模塊對輸配水量的計量結果，通過電磁閥等灌溉自動化設備實現對輸、配水過程的反饋控制。另外，決策者可根據作物的生長狀況，采用水肥一體化模塊對可溶性肥進行配比，通過輸配水過程完成肥料的施加，以滿足作物生長的需求。

2.3 系統各模塊組成、功能及工作流程

2.3.1基礎數據傳輸網絡與共享平臺

基礎數據傳輸網絡與共享平臺的主要功能實現設施農業灌溉過程中輸配水、水文、氣象、土壤墑情等信息的傳遞、存儲、分析與利用，為水資源的優化配置提供科學依據。完善的基礎數據傳輸網絡與共享平臺能夠有效地提高數據傳輸的穩定性以及數據利用的高效性，因此構建完善的數據傳輸網絡與共享平臺是信息化系統不斷發展的基礎條件。基礎數據傳輸網絡與共享平臺主要由信息傳輸網絡、數據中心以及信息化系統控制終端等部分組成。

(1)信息傳輸網絡是設施農業高效用水信息化系統構成的重要基礎，它是作物生長信息、需水信息、輸配水信息、氣象信息、土壤墑情等信息進行穩定傳輸的基本保障。信息傳輸網絡一般采用GSM/GPRS 無線網絡模塊，該傳輸方式的網絡覆蓋率高，傳輸速率及穩定性良好，能夠保證信息傳輸的時效性及安全性。在小范圍內(田間傳輸)可采用WIFI或者Zigbee技術。

(2)數據中心的主要功能是實現信息的實時更新、存儲和分析等。它能夠提供作物、氣象、土壤等方面的實時信息、歷史信息以及其他業務數據，并通過對數據的綜合分析與利用，為作物輸、配水等決策模型提供數據支持。

(3)在信息化系統發展的初期，控制終端一般為控制中心的計算機或授權手機，由用戶進行操作。用戶根據數據中心反饋的實時信息，參考不同作物在不同生長階段的需水標準，通過信息傳輸網絡向系統發送相應的指令，實現設施作物輸、配水的遠程控制與自動化控制。隨著設施農業用水信息化發展水平的提高，專家系統將取代用戶對系統施加輸、配水指令，實現該系統的自動化運行。

2.3.2作物需水信息檢測模塊

作物需水信息檢測為建立科學的輸、配水模型提供了數據支撐，科學、合理地作物需水信息檢測方法是實現設施農業高效用水的關鍵。目前，設施作物的需水狀況主要通過土壤(基質)墑情、綜合氣象以及作物生長等信息進行評價[16]，其中基于土壤墑情和綜合氣象信息的檢測方法在設備開發與應用水平方面均較為成熟。

(1)土壤墑情信息的監測主要是通過土壤墑情測試儀，如TDR[20](時域反射型儀器)，加入供電單元及信息傳輸裝置組成。通過信息傳輸網絡將采集到的土壤墑情信息傳輸到數據中心，為灌溉決策模型應用提供基礎數據。例如，趙青松等研究表明，黃瓜穴盤苗控制下限為基質相對含水率為45%～55%時，有利于黃瓜苗的生長[21]，因此通過對設施作物土壤(基質)墑情信息進行監測，合理的控制土壤(基質)含水率，能夠有效地提高水資源的利用效率，促進作物生長。

(2)基于氣象綜合信息的作物需水信息評價是以溫室內的溫度、空氣濕度、光照等為輸入變量，通過計算溫室內的蒸騰量，對作物的需水情況進行判斷，例如Dogan等的研究表明[22]，地下滴灌和地表滴灌甜瓜的蒸發皿系數分別為83%和92%時可獲得最大產量。以DTH11(溫-濕度傳感器)為基礎的大棚溫-濕度檢測系統如圖2所示，其檢測的溫度范圍為0～50 ℃，濕度范圍為30%～90%。該系統的單片機與數據中心/數據傳輸裝置相連接，將DTH11檢測到的大棚溫-濕度信息實時傳輸到數據中心，數據中心對獲取的信息進行分析、計算，得到溫室的蒸騰量及作物的需水信息，并與作物的需水標準進行對比分析，從而為設施農業的輸、配水決策提供依據。

圖2 基于DTH11的大棚溫-濕度檢測系統Fig.2 Temperature and humidity detection system based on DTH11

2.3.3輸、配水信息化系統

輸、配水信息化模塊的主要功能是通過對基礎信息的綜合利用，采用灌溉自動控制設備實現精量灌溉與輸、配水過程的自動化。在綜合分析設施農業水源特質[23]、設施作物對水質、肥料需求的基礎上，構建了設施農業的輸、配水系統，該系統主要由水量自動控制模塊、流量監測模塊、水質監測模塊、水肥一體化模塊等部分構成。

(1)水量自動控制模塊是輸、配水信息化系統的重要組成部分，它的主要功能是實現農業用水的智能控制、遠程控制。水量自動控制模塊主要由控制終端(包括中心計算機、首部控制器、授權手機等)、閥門控制器、電磁閥等組成，該模塊系統構成如圖3所示。

圖3 水量自動控制模塊構成Fig.3 The constitution of automatic control module of water

如圖3所示，專家系統或用戶根據數據中心提供的作物生長實時信息、氣象信息、土壤墑情信息等，依據輸、配水決策標準，控制終端通過信息傳輸網絡向閥門控制器發送指令，從而控制電磁閥的開關，實現輸、配水的自動控制。水量自動控制模塊通過在工作過程中獲取的作物、土壤、氣象以及輸配水量等信息對輸配水過程進行實時反饋控制。

(2)流量監測模塊。提高水資源的利用效率，降低設施農業用水過程中的輸、配水損失是信息化系統構建的主要目的之一。因此，需要在信息化系統中加入流量監測模塊對設施農業用水的各個環節進行監測，并將流量信息實時反饋到數據中心，實現對輸、配水過程的反饋控制，同時根據各環節水量的損失情況，對輸、配水管路網絡進行優化。另外，記錄不同作物的輸、配水信息，并將其與作物的生長狀況、氣象信息、產量等進行綜合分析，可以為優化輸、配水決策模型提供依據。流量監測模塊主要由流量計與水量信息監測終端組成，該模塊與數據中心相結合，通過信息傳輸網絡將流量信息傳輸至數據中心，為輸、配水決策提供數據支持，其工作流程如圖4所示。

圖4 流量監測模塊工作流程Fig.4 The working process of flow monitoring module

流量監測模塊的主要硬件設施為流量計，一般可選用智能水表、電磁流量計、超聲波流量計等，其安裝位置一般為各級管路的入口與出口，以便計算輸、配水過程中的輸配水量及輸配水損失。

(3)水質檢測模塊。由于設施農業用水多為渠系水與地下水，水源中雜質較多，而滴灌帶的內徑一般為16 mm，滴孔直徑為1～1.2 mm，直接進行水資源的分配容易造成滴灌帶的堵塞；同時，由于滴灌管線對工作壓力有一定要求，一般滴灌管的工作壓力為0.4 MPa、滴灌帶為50～100 kPa，因此需要在整個系統中加入水質檢測模塊。

水質監測模塊的主要功能是實現對輸、配水過程中水壓、水溫、流量等信息的檢測與控制，該系統主要由溫度傳感器、壓力傳感器、智能流量傳感器、調壓閥以及過濾設備等組成。其中，傳感器的選用一般結合實際需求，根據各類型傳感器的國標進行選擇；過濾設備一般采用雙級以上的過濾設備，以保證水質達到使用要求。離心泵取水后，首先通過水質檢測系統對其壓力、溫度、流量等信息進行檢測，并將信息傳遞至數據中心；用戶根據數據中心的分析結果對系統進行控制，通過三級過濾設備對水中的泥沙等雜質進行過濾，并通過調壓閥對水壓進行調節，使水質和水量滿足作物生長以及灌水設備的需要。該模塊的工作流程如圖5所示。

圖5 水質檢測模塊工作流程Fig.5 The working process of water quality inspecting module

(4)水肥一體化模塊。傳統設施農業中，農技人員通常建造水池與肥池，采用先灌水、后灌肥、再灌水的灌溉方式，這就使得工作效率相對較低且造成了人工的浪費，而水肥一體化系統是解決這一問題的有效途徑[24]。

水肥一體化模塊主要由施肥決策系統及灌溉施肥自動控制裝置組成。該模塊工作時，首先需要對基質有效養分進行測定，根據作物需肥規律、土壤供肥性能及肥料效應，在合理用肥的基礎上，確定肥料的施用數量、施用時期以及施用方法；其次，通過對作物生長狀態進行判斷，確定作物需肥量，并采用灌溉施肥自動控制裝置完成對可溶性肥的配比；最后，通過輸配水系統完成對設施作物的施肥過程。目前，國內外學者對施肥決策系統及灌溉施肥自動控制裝置進行了大量的研究[25-27]，例如，任周橋等[27]研究的基于知識庫的施肥決策系統能夠有效的對作物需肥狀況進行評價，目前已經在30多個縣市區進行了應用。

3 結論及建議

通過對國內外設施農業用水信息化發展的現狀以及信息化系統發展需求進行分析，探討了適用于我國設施農業高效用水信息化發展的技術體系，分析了基礎數據傳輸網絡與共享平臺、作物需水信息評價與檢測模塊、輸配水信息化系統的功能、構成與工作過程，可以為我國設施農業高效用水信息化的發展提供依據。

結合設施農業用水信息化的發展需求，提出以下建議：①隨著物聯網技術、“3S”技術、機器視覺技術等新技術的不斷發展，其在信息傳輸網絡的構建以及作物需水信息檢測方面具有很大的應用潛力，迫切需要加大應用和推廣的力度，以提高設施農業用水信息化的發展水平；②目前我國設施農業規模化和產業化程度較低[28]，這在很大程度上增加了信息化系統構建的成本，制約了信息化水平的提升，因此提高設施農業的產業化、規模化將是我國設施農業發展的一個重要方向；③作物需水信息檢測設備及灌溉自動化設備是實現信息化的媒介，而目前我國針對作物生長狀態進行需水信息檢測的設備以及與滴灌帶、滴灌管線等配套的自動控制設備還比較缺乏，因此需要加大相關設備的開發力度，從而提高設施農業用水的利用效率及信息化水平。

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