智能灌溉在現代休閑農業中的應用試驗

齊松濤+方部玲+曹越+孫雄飛

摘要： 以農業休閑旅游園區“秣陵杏花村”智能灌溉系統為例介紹了系統組成、使用原理。該智能灌溉系統可實現對溫室或大田的環境參數采集、存儲、顯示及對現場設備的遠程控制功能。智能控制系統的使用一方面大大解放了勞動力，另一方面通過現代化噴滴灌系統精準灌溉，大大提高了農作物的產量和質量。系統使用一年半時間運行良好。

關鍵詞： 智能灌溉；休閑農業；無線控制；噴滴灌

中圖分類號： S24；S275.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0421-03

物聯網技術在農業灌溉系統中的應用越來越受人們的關注，國內外開展了大量基于物聯網技術的智能灌溉設備的研究，在開發和應用方面都取得了很大的進步。這種灌溉方式可以實現精細、適時灌溉，既可以提高水的利用率，又可以促進農業增產增收。建立現代化的灌溉管理技術體系，應用高、新技術使灌溉向精準化方向發展是當今發達國家農業發展的普遍趨勢。在我國，由于近年來農業勞動力的不斷減少，智能灌溉系統也在慢慢被大家所接受，但是相對較高的價格是目前阻礙其向普通老百姓推廣的最大障礙，而休閑農業因為其較高的經濟收益對價格敏感度相對較低，是目前智能灌溉系統應用中的先行者。本研究以筆者參與的工程實例——秣陵杏花村智能灌溉系統為例介紹了系統組成、使用原理。

1 智能灌溉系統概述

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，顧名思義，就是物與物相連的互聯網。

物聯網在灌溉中一般應用是將大量的傳感器節點構成監控網絡，結合田間設施大棚設備、噴滴灌設施，形成現代化智能灌溉系統。

智能灌溉系統可實現對溫室或大田的環境參數采集、存儲、顯示及對現場設備的遠程控制功能[1]。系統通過各種傳感器采集信息，及時準確地了解田間灌溉情況，為設施農業綜合生態信息自動監測、對環境進行自動控制和智能化管理提供科學依據，使農業逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式[2]，從而實現各種自動化、智能化、遠程控制的生產。

2 智能灌溉系統應用介紹

秣陵杏花村坐落于南京江寧的古鎮秣陵，是江寧“新金花”之一，主要定位為南京首家農趣體驗式休憩農莊，致力于打造以休閑旅游、農家餐飲、農業互動為一體的生態農莊，占地面積54 hm2。本文所展示的智能灌溉系統處于其園區核心功能區，占地面積約為2.8 hm2，包括真實版的QQ菜園、QQ農場和以色列農展館（連棟溫室）2部分。

2.1 智能灌溉系統主要功能簡介

本系統主要實現杏花村內以色列農展館的物聯網監控、QQ菜園、QQ農場的智能灌溉，主要功能如下：

（1）溫室環境數據采集、自動控制和數據存貯。本系統所采集的室內環境數據包括當前空氣溫度、當前空氣濕度和光照強度；溫室自動控制主要為外遮陽、內遮陽、風機、濕簾、噴淋，同時實現對作物生長的灌溉和營養液施加；實現環境參數歷史數據查詢及數據導出。

（2）溫室的視頻監控。采用數字攝像頭+視頻采集卡方案，配合高清攝像頭，成像穩定，視野更遠，采用光纖遠程傳輸。

（3）不同地塊灌溉的遠程無線控制。QQ菜園安裝布置高效節水的微噴灌系統，QQ農場安裝布置效率高的搖臂式噴頭灌溉系統，通過遠程無線技術，可控制灌溉水泵的開啟關閉；利用土壤水分傳感器，設定灌溉閾值實現對電磁閥的無線遠程開閉，無人值守灌溉田地。

（4）遠程Web與智能手機終端監控功能，實現物聯網移動互聯作用，隨時隨地實現對監控終端的訪問。

2.2 智能灌溉系統網絡拓撲結構

根據杏花村地形特點，主體采用無線連接，避免布線和對示范園的影響，視頻由于信息量大采用光纖傳輸以減小損耗，野外QQ菜園、農場采用無線連接方式實現土壤墑情獲取和控制，整體系統網絡結構見圖1。智能灌溉系統主界面見圖2。

2.3 智能灌溉系統實施效果

（1）智能灌溉系統可執行以下3種模式操作：

遠程自動模式。可通過辦公室PC和手機2種終端進行遠程無線控制水泵開關，從而控制噴灌系統啟動和停止。

全智能模式。該模式特點為通過預先設定相關溫濕度閾值，系統對土壤墑情自動監測，當達到預設閾值后，系統自動打開或者關閉。實現無人值守，有效節約勞動力成本。同時使灌溉更加精確、科學、合理。

全手動模式（傳統作業）。業主或種植戶可使用泵房中的智能控制柜及相關手動閥門跳過操作平臺直接操控菜園噴灌系統，智能控制界面設置見圖3。

（2）視頻監控界面如圖4所示。通過模擬攝像頭采集圖像數據，可實時監控溫室植物生長狀況以及控制機構的開關狀態。

視頻監控界面功能：①畫面輪視功能，可設置畫面按照設置的時間全屏自動切換查看；②現場抓拍功能，將遠程視頻幀保存到本地硬盤；③手動錄像功能，錄制視頻到本地硬盤。

（3）噴滴灌系統。灌溉系統首部采用恒壓供水，保證管網壓力恒定并保護電機水泵運轉平穩，不致過載，灌溉水源為塘水，采用疊片+網式兩級過濾器過濾，滿足噴、滴灌系統對水質的要求。尾部有滴灌、微噴灌和搖臂式噴頭大噴灌。噴灌系統首部布置見圖5，噴灌系統尾部使用效果見圖6。

該系統自2014年5—6月安裝使用至今沒有出現大的問題，運行良好，基本達到了預期的智能控制要求。

3 存在的問題和解決方法

智能灌溉系統的使用一方面大大解放了勞動力，在如今農村勞動力日漸缺少的今天，智能控制、自動化應用代替人工勞動是不可逆轉的大趨勢[3]；另一方面通過現代化噴滴灌系統精準灌溉，大大提高了農作物的產量和質量，土地的經濟附加值得到質的飛躍。但是，基于物聯網技術的智能農業應用還存在著諸多客觀阻力有待進一步研究解決。

3.1 智能灌溉系統對環境要求較高

物聯網自動控制設備比較精密，且必須有電力設備配套，大多使用在非農行業，安裝使用的環境穩定，而在我國農業生產的使用還比較少，由于園區田間環境紛繁多變，這就要求適用于農業生產的智能灌溉系統對環境的適應要強。在品目繁多的智能控制系統中，有線控制技術由于布線繁瑣且控制范圍有限，應用范圍并不大。無線控制可以完全避免因布線造成的安裝繁瑣易錯、維修養護不便、線路老化失效等弊端[2，4]。對微灌系統的智能化，研究小型無線多路自動控制系統，可以滿足小型灌溉工程需要，適用性更強。

3.2 智能灌溉系統價格昂貴

在微灌系統中智能自動控制因其科技含量高、微灌系統控制高度集中、微灌精準度高等優點，越來越受到用戶的歡迎，但動輒數十萬元的安裝成本，成為限制其推廣的一個主要原因，信息時代的農業生產迫切需要可靠性好、價格適中、能夠適應廣大用戶需要的智能控制系統[5]。本課題組目前正在研發的智能控制系統采用干電池供電，低功耗，多功能，易使用，價格低，遠低于物聯網自動控制系統，不僅適用于現代化農業園區，更適用于經濟薄弱地區及無電網供應的偏遠山區，可面向普通農戶大面積推廣。

4 小結與展望

現代農業以技術密集為主要特點，以科技開發、示范、輻射和推廣為主要內容，以促進區域農業結構調整和產業升級為目標。現代農業自建設以來，無論是從規模上還是經濟效益上都取得了顯著成績，但也暴露了許多問題，農機裝備與技術的研發尤為重要，其中智能灌溉便是農機裝備中必不可少的內容。微灌自動控制系統國內還沒有定型產品，基本上還是用手動閥來控制，低價位普適性的無線自控系統幾乎是空白。因而繼續加大智能化節水灌溉技術產品的研發力度對推動農業產業結構調整、發展高效農業創匯農業將有較大的促進作用。

參考文獻：

[1] 金永奎，方部玲，夏春華.自動控制技術在節水灌溉中的應用[J].計算機與農業，2003（12）：18-20.

[2] 夏春華，方部玲，金永奎.節水灌溉系統自動控制的研究應用[J].農業網絡信息，2004（12）：18-20.

[3] 張 璐，孫文軒，王秀茹，等.節水灌溉自動控制技術的應用[J].水土保持研究，2007（5）：414-416.

[4] 夏春華.節水灌溉低功耗控制器的開發與研制[J].中國農機化，2009（5）：84-93.

[5] 劉劍光.節水灌溉自動化技術的發展趨勢[J]. 中外企業家，2013（35）：193-194.