基于物聯(lián)網(wǎng)的作物智能化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究與應(yīng)用

李明平,吳德華,王愛(ài)軍,樊銘京,馬樹升*

1.山東省莒南縣水利局,山東莒南276600

2.山東省膠東調(diào)水工程牟平管理站,山東牟平264100

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水土學(xué)院,山東泰安271018

基于物聯(lián)網(wǎng)的作物智能化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究與應(yīng)用

李明平1,吳德華2,王愛(ài)軍3,樊銘京3,馬樹升3*

1.山東省莒南縣水利局,山東莒南276600

2.山東省膠東調(diào)水工程牟平管理站,山東牟平264100

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水土學(xué)院,山東泰安271018

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)可讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)。智能化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)中需裝置大量的智能傳感設(shè)備和智能控制設(shè)備，按照統(tǒng)一約定的協(xié)議將該灌溉系統(tǒng)中的智能傳感設(shè)備、智能控制設(shè)備等與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相連，就實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的信息交換和通信。筆者結(jié)合山東省小農(nóng)水建設(shè)工程做了部分基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化精準(zhǔn)灌溉項(xiàng)目，達(dá)到了一定的示范推廣效果。

物聯(lián)網(wǎng);智能化;精準(zhǔn)灌溉

我國(guó)人口有13億多，人均水資源占有量世界排名在110位，人均耕地面積僅為世界平水平的40%左右。利用這有限的水土資源確保糧食安全，為歷屆政府高度重視。發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)是解決糧食安全的基本國(guó)策，采用智能化精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)前節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的技術(shù)熱點(diǎn)之一。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、通訊技術(shù)、特別移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使智能化精準(zhǔn)化灌溉發(fā)展有了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。作為從事智能化精準(zhǔn)化灌溉技術(shù)的研究人員或應(yīng)用者，要著重研究作物本身獲得高產(chǎn)量高品質(zhì)的灌溉制度和灌水量、高效可靠的灌溉器具、精準(zhǔn)灌溉所需要的傳感設(shè)備及控制設(shè)備[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)闡述

物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念，早在1999年在中國(guó)就提出來(lái)了，當(dāng)時(shí)叫傳感網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)英文名稱叫“The Internet of things”，它是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。它包含三層意思：一是網(wǎng)絡(luò)采用的是移動(dòng)、聯(lián)通或電信中的某一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；二是物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；三是其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間，進(jìn)行信息交換和通信。這樣就為農(nóng)田農(nóng)作物實(shí)施智能化精準(zhǔn)化灌溉提供了便利，因?yàn)檗r(nóng)田中不可能敷設(shè)早期普遍應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)線和220 V供電電纜，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展就為農(nóng)田中所有灌溉設(shè)施中的物與物相連提供了可能，而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用電是微量的，只需采用鋰電池或太陽(yáng)能電池就可以了，這樣也就免除了敷設(shè)220 V供電電纜的困擾。精準(zhǔn)灌溉所用設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中分屬為傳感感知設(shè)備的有：遠(yuǎn)傳水表、壓力傳感器、土壤水分傳感器、電參數(shù)傳感器、攝像頭等；分屬為3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的有：WCDMA（聯(lián)通）、EVDO（電信）、TD-SCDMA（移動(dòng)）。分屬為監(jiān)控中心設(shè)備的有：數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、視頻圖像服務(wù)器等；分屬控制執(zhí)行設(shè)備的有：電動(dòng)閥、水泵等；分屬為能源供給設(shè)備的有：太陽(yáng)能電池板、蓄電池、太陽(yáng)能控制器等；分屬為安全可靠設(shè)備的有：避雷器及接地極、報(bào)警裝置等。具體運(yùn)行是：現(xiàn)場(chǎng)傳感感知的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一約定的協(xié)議（如MODBUS協(xié)議）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上傳到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，經(jīng)過(guò)處理分析判斷發(fā)出指令再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下達(dá)給執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行工作，如開(kāi)啟關(guān)閉閥門等。

圖1 日照市莒縣小店鎮(zhèn)小農(nóng)水工程中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 IoT system of little agricultural water engineering in Xiaodian Town Juxian Rizhao City

如圖1所示為日照市莒縣小店鎮(zhèn)小農(nóng)水工程中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)傳感感知設(shè)備有監(jiān)測(cè)灌溉流量用的遠(yuǎn)傳水表、監(jiān)測(cè)管道水壓用的壓力傳感器、監(jiān)測(cè)土壤墑情用的土壤水分傳感器、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視圖像用的紅外攝像頭等；傳輸數(shù)據(jù)用的移動(dòng)公司TD-SCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、傳輸圖像用的聯(lián)通公司的WCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理服務(wù)器用的臺(tái)灣研華工業(yè)控制機(jī)、視頻圖像服務(wù)器用的聯(lián)想計(jì)算機(jī)。控制執(zhí)行設(shè)備為電動(dòng)蝶閥。

2 作物需水量及灌溉制度

2.1 土壤質(zhì)地及適宜含水率

作物灌溉時(shí)計(jì)劃調(diào)節(jié)控制土壤水分狀況的土層深度為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)深度H，根據(jù)該層土壤質(zhì)地確定土壤適宜含水率β上限及下限值，這些數(shù)據(jù)是確定灌水定額的重要依據(jù)。傳統(tǒng)灌溉應(yīng)首先根據(jù)已確定的作物灌溉制度中某次灌水的灌水定額(m3/畝)和灌溉面積確定出灌溉用水總量，再根據(jù)水源來(lái)水條件確定灌溉流量和灌水延續(xù)時(shí)間。

灌水定額的確定，則依據(jù)于某種作物某生育階段所要求的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)深度H和土壤質(zhì)地條件由式（1）確定：m=6.67（β田-β）r H(1)

公式中涉及的作物某生育階段土壤計(jì)劃濕潤(rùn)深度H、土壤含水率β田及β、土壤容重r等應(yīng)根據(jù)作物種植分區(qū)、土壤空間分布變化等，進(jìn)行采樣于室內(nèi)分析確定。

2.2 智能化精準(zhǔn)化灌溉之灌溉制度

在傳統(tǒng)灌溉模式下只要不產(chǎn)生徑流沖刷和深層滲漏，可盡量加大灌水定額以延長(zhǎng)灌水周期和提高灌溉勞動(dòng)效率，這樣就要求水源調(diào)節(jié)能力強(qiáng)水量充沛。而在水源調(diào)節(jié)能力低水量欠缺條件下進(jìn)行智能化精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)控制灌溉，則灌水次數(shù)可以增多、每次的灌水定額可以減小、土壤適宜含水率上限及下限范圍可以壓縮。再結(jié)合考慮灌溉地面坡度和采用的灌水方法及是否結(jié)合施肥打藥等因素，確定出智能化精準(zhǔn)化控制條件下的灌溉制度。

2.3 智能化精準(zhǔn)化灌溉氣象影響

溫室大棚中的氣象因素易于控制。而露天栽培的作物直接受自然氣象因素影響較大，如空氣溫濕度、日照、風(fēng)速、降雨等，前三項(xiàng)氣象因子直接影響著土壤水分騰發(fā)強(qiáng)度，其綜合反應(yīng)可由土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給出，降雨量可通過(guò)雨量傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，連同土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值可直接進(jìn)入智能化精準(zhǔn)化灌溉監(jiān)測(cè)控制決策系統(tǒng)。圖2為智能化精準(zhǔn)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)模擬圖。

圖2 智能化精準(zhǔn)化灌溉實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)Fig.2 The live monitoring and controlling system for intelligent and accurate irrigation

3 智能化精準(zhǔn)化灌溉關(guān)鍵設(shè)備

3.1 灌溉用水量計(jì)量設(shè)備

灌溉用水的計(jì)量設(shè)備種類較多，如渦街流量計(jì)、玻璃轉(zhuǎn)子流量、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等，但用于灌溉計(jì)量?jī)r(jià)格都較高，多數(shù)還得配備220 V市電。筆者與有關(guān)廠家研究開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)傳發(fā)信水表，價(jià)格適宜可用于智能化精準(zhǔn)化自動(dòng)灌溉控制項(xiàng)目。

該遠(yuǎn)傳發(fā)信水表是由旋轉(zhuǎn)磁針和干簧管組成的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)磁針旋至干簧管簧片且磁力大到能克服簧片的彈力時(shí)，簧片即刻吸合短接；當(dāng)磁針遠(yuǎn)離簧片吸引力小于彈力時(shí)簧片隨即斷開(kāi)，一次短接/斷開(kāi)即為一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)出。為了提高脈沖分辨率，設(shè)計(jì)要求脈沖寬度不小于100 ms，亦即干簧管短接時(shí)間不小于100 ms。生產(chǎn)實(shí)踐中可根據(jù)管道流量和水表口徑大小，設(shè)計(jì)制造成1個(gè)脈沖為10 L、1個(gè)脈沖為100 L、1個(gè)脈沖為1000 L的水表。脈沖發(fā)出的頻率即為瞬時(shí)流量、脈沖累積個(gè)數(shù)即為累積水量。

水表發(fā)出的脈沖信號(hào)計(jì)算機(jī)不能直接采集，筆者是通過(guò)開(kāi)發(fā)的脈沖采集累積通信模塊對(duì)水表的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、累計(jì)和通信傳輸?shù)摹Ｔ撃K具有485通信接口和MODBUS通信協(xié)議，可方便地用于物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)。

3.2 土壤水分傳感器及雨量計(jì)

土壤水分傳感器（或土壤墑情監(jiān)測(cè)儀）除中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有研究產(chǎn)品面市外，國(guó)產(chǎn)設(shè)備還不多見(jiàn)。目前多選用德國(guó)進(jìn)口的TRIME-EZ傳感器，它是基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）時(shí)域反射技術(shù)原理制造的高精度高可靠性土壤水分傳感器。它是直接測(cè)量土壤的介電常數(shù)，而介電常數(shù)又與土壤水分含量有密切關(guān)系，被測(cè)土壤含水量即可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模擬電信號(hào)4～20 mA或0～1 V輸出，接入二次顯示儀表即將含水率值顯示出來(lái)，該二次顯示儀表仍具有485通信接口和MODBUS通信協(xié)議。

雨量計(jì)可采用承雨口口徑Φ200 mm的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)量雨筒，筒內(nèi)計(jì)量組件是一個(gè)翻斗式機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)秤重機(jī)構(gòu)，當(dāng)雨水流入翻斗達(dá)到一定高度(比如0.1 mm)時(shí)，翻斗傾倒即輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，如此往復(fù)即可將降雨量測(cè)定出來(lái)。土壤水分傳感器及雨量計(jì)見(jiàn)圖3.

3.3 預(yù)收費(fèi)灌溉智能控制器

節(jié)水灌溉必須從技術(shù)和管理兩方面入手，而灌溉用水管理也需要有硬件技術(shù)作為支撐。根據(jù)作物種植面積和規(guī)范規(guī)定的某種作物灌水定額可確定出某次灌水的灌水量，于灌溉前要求預(yù)交水費(fèi)并在控制器上預(yù)置灌溉水量，用經(jīng)濟(jì)杠桿強(qiáng)化節(jié)水意識(shí)和促進(jìn)節(jié)水的實(shí)施。

筆者研發(fā)的智能射頻卡控制器可為用水戶刷卡賦值后自動(dòng)開(kāi)閥灌溉、欠費(fèi)關(guān)閥停水，它是與遠(yuǎn)傳發(fā)信水表、電動(dòng)蝶閥和土壤水分傳感器配套使用的設(shè)備。當(dāng)土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)到土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層H內(nèi)水分降至接近下限時(shí)，用水戶可持射頻卡在灌溉管理中心的工業(yè)控制機(jī)上預(yù)交灌溉水費(fèi)進(jìn)行充值、然后再在智能控制器上刷卡賦值將預(yù)交的灌溉水費(fèi)轉(zhuǎn)存到智能控制器上。智能控制器見(jiàn)圖3。

當(dāng)土壤墑情降至下限、控制器上已存有水費(fèi)這樣兩個(gè)條件均滿足時(shí)，智能控制器即發(fā)出開(kāi)閥或開(kāi)泵信號(hào)進(jìn)行供水灌溉、與此同時(shí)遠(yuǎn)傳發(fā)信水表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量灌溉水量并同時(shí)將水量數(shù)據(jù)傳輸給智能控制器、智能控制器在接收灌溉水量數(shù)據(jù)的同時(shí)持續(xù)遞減預(yù)交的水費(fèi)、當(dāng)水費(fèi)遞減至零時(shí)智能控制器立刻發(fā)出信號(hào)關(guān)停水泵或閥門停止灌溉。

滿足上述兩個(gè)條件方可開(kāi)閥或開(kāi)泵灌溉，筆者稱為土壤墑情和預(yù)交水費(fèi)雙因子自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，該技術(shù)已獲得中國(guó)專利，專利號(hào)為：ZL 2011 2 0221334.3，原理見(jiàn)圖4。

圖3 土壤水分傳感器、雨量計(jì)、預(yù)收費(fèi)控制器Fig.3Soilmoisturesensor,raingaugeandprechargecontroller

圖4 雙因子控制系統(tǒng)原理圖Fig.4Theprincipleofcontrollingsystemwithdoublefactors

4 生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國(guó)”以來(lái),物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入“政府工作報(bào)告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)受到了全社會(huì)極大的關(guān)注。

筆者結(jié)合最近8年來(lái)國(guó)家蓬勃開(kāi)展的小農(nóng)水建項(xiàng)目，做了一些基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遙測(cè)遙控節(jié)水灌溉項(xiàng)目和設(shè)施大棚內(nèi)的精準(zhǔn)灌溉項(xiàng)目。如2010年做的日照市莒縣小店鎮(zhèn)項(xiàng)目（圖1所示）受關(guān)注度較高，2011年度山東省小農(nóng)水現(xiàn)場(chǎng)會(huì)在莒縣召開(kāi)并參觀介紹了該項(xiàng)目。之后又在日照市嵐山區(qū)瀏園茶場(chǎng)做了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的茶園噴灌、在青島市膠州膠萊鎮(zhèn)做的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大棚油桃微噴灌。又在德州市陵城區(qū)、棗莊市薛城區(qū)、日照市東港區(qū)小麥、玉米等大田作物低壓管道灌溉中做了示范推廣，并針對(duì)管道灌溉急需的預(yù)收水費(fèi)、刷卡開(kāi)閥、水表計(jì)量、無(wú)費(fèi)關(guān)停等技術(shù)需求，開(kāi)發(fā)了便攜式預(yù)收費(fèi)刷卡控制灌溉計(jì)量裝置系統(tǒng)和低水壓電磁水力驅(qū)動(dòng)灌溉控制專用閥，這兩項(xiàng)技術(shù)設(shè)備均獲國(guó)家專利，專利號(hào)分別為：ZL 2013 2 0523711.8和ZL 2012 2 0481207.1。這些項(xiàng)目的實(shí)施均取得了節(jié)水節(jié)能增效、科技示范引領(lǐng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)可讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化的重要特征。它給種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及水利灌溉業(yè)等各個(gè)行業(yè)帶來(lái)了前所未有的高效、精準(zhǔn)、快捷和便利。筆者僅是在節(jié)水灌溉領(lǐng)域做了點(diǎn)粗淺的應(yīng)用嘗試，就顯示出物聯(lián)網(wǎng)十分廣闊的應(yīng)用前景。它將激勵(lì)著筆者不斷努力，繼續(xù)在節(jié)水或精準(zhǔn)灌溉領(lǐng)域研究與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相配套的灌溉設(shè)備、傳感設(shè)備及控制設(shè)備。

[1]樊銘京,謝清華,宋玉娟,等.作物智能化精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測(cè)控制技術(shù)應(yīng)用研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,43(2):299-303

Study and Application of the Intelligent and Accurate Crop’s Irrigating Technology Based on IoT

LI Ming-ping1,WU De-hua2,WANGAi-jun3,FAN Ming-jing3,MAShu-sheng3*
1.Water Conservancy Bureau of Ju’nan County Shandong Province,Ju’nan276600,China
2.Muping Management Station of Shandong Provincial Jiaodong Water Division Project,Muping264100,China
3.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

Internet of Things(IoT)is an internet which allows for interconnecting and interchanging between common physical objects which can be independently addressable.A large sum of intelligent sensor and controlling devices are needed in the intelligent and accurate irrigating system and by connecting them with the mobile internet using unified preset protocols,information exchanging and communication between device and device and devices and human can be achieved. In accordance with the construction of small-sized irrigation and water conservancy projects in Shandong Province,the author completed some intelligent and accurate irrigating projects based on IoT,which has the effects of demonstration and promotion of this technology.

Internet of Things;intelligent;accurate irrigation

S275

:A

:1000-2324(2017)01-0117-04

2016-12-10

:2016-12-23

青島市水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目:智能化精準(zhǔn)灌溉決策技術(shù)應(yīng)用研究與示范推廣(201104)

李明平(1968-),男,高級(jí)工程師,主要從事水利土木類專業(yè)工程管理工作.

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:mashusheng8836@163.com