農業水肥一體化智能灌溉控制系統開發與應用

曹 靖，宋嬌紅，王 冰

（騰色智能科技（南京）有限公司，江蘇南京211100）

0 引言

中國用占世界6%的淡水資源和9%的耕地，以及30%左右的化肥，生產出了占世界26%的農產品，養活了世界近20%的人口［1］。中國人均水資源占有量僅為世界的1/4，被列為世界上21個貧水和最缺水的國家之一［2］。在中國，為了獲得高產而大量施肥的問題普遍存在，致使單位面積施肥量是世界平均水平的3倍左右［3］，而當季肥料有效利用率平均只有30%左右，比發達國家低20%左右［4］。水資源短缺，肥料用量巨大且利用效率低，資源浪費嚴重，同時造成了嚴重的土地污染，水肥的不合理利用產生的問題成為我國農業發展中不可回避的現實問題。為此，節水灌溉水肥一體化技術迅速發展，成為解決水肥有效利用的重要技術方法。

隨著現代化農業的發展，物聯網作為熱點技術在農業領域的應用越來越廣泛［5］。物聯網技術應用廣泛，在大田種植、溫室管理、水產養殖、農機化設施等方面都取得了諸多應用成果。如在農業生產中，通過物聯網技術能實現采集土壤濕度、土壤養分含量、農業氣象等農業生產關鍵信息［6］，使農業生產者全面充分地掌握作物生產過程信息，提高對農業生產過程的干預和控制能力，為提高農業生產效率、實現農業智慧化發展提供了有力的技術支撐。目前農業生產勞動力越來越缺乏，農業生產智能化是應對勞動力現狀的發展趨勢。以節約水肥等資源的投入、減少勞動力、減輕土壤污染和提高作物產量為目的，文章基于物聯網技術開發了一種智能灌溉控制系統，實現了對農田水肥一體化的智能管理。

1 水肥一體化技術發展

水肥一體化技術是將灌溉和施肥融為一體，通過管道灌溉系統把水溶性肥料均勻、準確地直接輸送到作物根部，適時適量地滿足作物水肥需求的現代農業新技術［7］。具有節水節肥，提高水肥利用率，提高作物產量，改善土壤環境等優點。Sinha等［8］通過研究發現利用水肥一體化技術種植向日葵，其水分和能量的利用率高于傳統技術，具有更高的產籽量。Jayakumar等［9］研究表明水肥一體化技術可以極大地提高椰果的產率和盈利能力。

水肥一體化在水資源貧乏的國家使用較多，且使用規模巨大，目前以色列有90%的灌溉區運用了水肥一體化施肥技術［10］。我國雖為貧水國家之一，但是水肥一體化發展較晚，目前只有8%的灌溉面積應用了水肥一體化［10］。水肥一體化技術在我國有較大的發展空間，原農業部辦公廳制定的《推進水肥一體化實施方案（2016-2020年）》指出，到2020年水肥一體化技術推廣面積達1 000萬hm2，新增533萬hm2。從實際推廣應用上看，水肥一體化技術能將蔬菜、果樹等經濟作物的肥料利用率提高50%以上，節肥30%以上，增產10%～50%以上，并使果蔬品質有明顯提升［11］。

隨著水肥一體化的發展，灌溉控制系統也應運而生。目前，關于灌溉控制系統，國內外的現有技術多為現場手動設置的模塊控制器或帶有遠程數據接口的控制器，一個控制器和多個電磁閥組成的星型拓撲結構。即使利用無線技術實現物聯網功能的控制系統，也是采用數據采集器或集中控制模塊，用485總線、直流電壓電流輸出的方式控制試行裝置或傳感器，現場往往需要將電源線和信號線部署到田間灌溉系統，并提供額外電源。此外，布線需要大量人工開槽回填施工，田間布線也有受損害、雷擊等風險。有些系統的控制器與電磁閥之間布線長達幾百米，布線距離過長會導致電源電壓衰減，能量損耗，無法驅動電磁閥開關。

現有的灌溉控制系統通常采用星形拓撲結構的控制器模塊，一個控制器或數據采集器一般最多控制20～30路設備，系統擴展時需要更多的電源布線和傳感器數據線（例如，一個控制器控制20路設備，當需要增加第21路時，需要額外增加一個控制器用于控制該第21路設備），由此就造成灌溉控制系統控制的區域面積有限，電磁閥、傳感器等設備的部署數量和距離受到一定限制。

隨著物聯網、人工智能等技術的快速發展，灌溉控制系統功能趨向智能化發展。智能灌溉控制不僅實現了精確灌溉和施肥，還可以節省勞動力，節約水肥資源，提高水肥利用率，促進了農業增產增收［12］。余國雄等［13］基于物聯網技術，設計了荔枝園的信息獲取和智能灌溉系統，應用效果表現出較強的實時性和準確率。吳秋明等［14］利用物聯網技術設計了棉花智能微觀系統，通過應用該系統水肥利用效率提高了22.6%。目前國外的灌溉控制系統已趨于成熟，而我國智能灌溉技術還在發展中，智能灌溉系統在無線化操作、智能化控制、精準化灌溉施肥等方面還需要更進一步的發展。

2 智能灌溉控制系統設計

2.1 系統框架

智能灌溉控制系統由軟件系統和硬件系統組成，控制系統軟件由移動用戶界面終端應用軟件和遠程用戶界面終端系統組成。硬件系統由水肥混合系統、數據采集分析系統和水肥灌溉系統組成。數據采集系統包含智能灌溉控制器和土壤傳感器。水肥灌溉系統包含灌溉首部、管路、根區滴頭和智能閥門。

（1）控制系統：主要由移動用戶界面終端應用軟件和遠程用戶終端系統組成，實現對智能灌溉控制系統硬件設備的操作和控制。控制系統功能主要包含首頁展示、資產管理、水肥程序設置、遠程控制和系統診斷等功能，實現了灌溉計劃的設定、在線查看、歷史記錄查詢，灌溉系統遠程操作和監管等。

（2）水肥混合系統：由比例施肥器、施肥泵、水肥機或混液池組成，實現了水溶性肥料與水充分混合的功能。

（3）水肥灌溉系統：包含灌溉首部、管道、根區滴（噴）頭和智能閥門等，將混合液通過管道運輸到作物根區，為作物進行灌溉施肥。

（4）數據采集分析系統：由傳感器和控制器組成，通過傳感器采集的土壤數據，控制器控制智能閥門的開關，實現自動灌溉。其中傳感器包括土壤水分、EC值、土壤溫度傳感器等，實現了土壤數據的采集。控制器提供了獨立輸出控制和自組網功能，為即插即用類型，適用于各種灌溉控制場景。

圖1 智能灌溉控制系統框架Fig.1 Block diagram of intelligent irrigation control system

2.2 系統拓撲結構

智能灌溉控制系統包括以下硬件模塊：灌溉系統應用服務器、大數據服務器、移動和遠程用戶終端、智能控制器和網關，其拓撲結構如圖2所示。灌溉系統應用服務器作為邊緣計算網關服務器實現協議轉換和數據收集，包括運算和存儲功能，通過連接到互聯網或局域網，將數據上傳到大數據平臺或下發到系統終端裝置，實現物聯網、互聯網及移動互聯的綜合應用。移動和遠程用戶終端通過云端/大數據平臺控制灌溉系統應用服務器，遠程控制智能灌溉系統。灌溉智能控制器和網關可以自組網通信，實現傳感器數據和控制信號的組合采集、運算和控制，通過灌溉系統應用服務器連接到云端，通過云端下發的任務，對智能閥門進行控制。

圖2 灌溉智能控制系統拓撲圖Fig.2 Topology diagram of irrigation intelligent control system

2.3 系統控制模式

該系統提供了2種控制模式：半自動控制和全自動控制。

（1）半自動控制，是通過手動設定，定時定量的一種自動控制方式。用戶通過控制系統軟件在現場和遠程設定灌溉作業，如設定灌水時間、灌水時長、灌水周期等控制參數，系統根據設定的參數對作物進行自動灌溉。

（2）全自動控制，是根據數據采集分析系統自行判斷作物需水需肥情況，并自動進行施肥和灌溉的方式。數據采集分析系統通過自動氣象站監測氣象因素，通過流量傳感器、土壤水分傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器、電導率傳感器、pH傳感器等實時監測植物生長及各種環境信息給云端服務器，服務器根據各種實時采集的數據進行運算，計算蒸發、蒸騰引起的土壤水分損失，自動編制灌溉程序，實施灌溉或終止灌溉。

3 智能灌溉控制系統應用分析

3.1 應用案例

該智能灌溉控制系統在浙江金華6.67 hm2香榧種植示范田的水肥一體化滴灌工程上進行了部署應用。

系統部署如圖3所示，在管路上共設14個電磁閥和控制器，控制器之間通過自組網通信。系統采用半自動工作方式，根據香榧各生育時期需水肥規律，工作人員制定灌溉計劃下發給每個控制器進行灌溉作業。控制器將灌溉計劃執行后的數據傳輸到灌溉系統應用服務器。

該示范田為山地丘陵，在應用水肥一體化滴灌技術前，該區域的水肥施用主要靠人工開溝施肥，需要投入大量人力物力，每年施有機肥約99 kg/hm2，使用智能灌溉控制系統后，每年施用的水溶肥降低到約33 kg/hm2。同時使用該系統后，整個示范區只需要1個種植經理即可完成所有的灌溉施肥作業。

圖3 系統應用示范區及部署Fig.3 System application demonstration area and deployment

3.2 系統特點

3.2.1 系統末端裝置自組網通信

智能灌溉控制系統的末端裝置包括控制器、網關、傳感器，可以部署到田間灌溉系統，能解決田間布線麻煩和布線雜亂的問題。系統終端裝置傳感器以及閥門獨立供電，能突破部署數量和部署距離的限制，并且不需要額外提供電源，節省電能，操作安全方便。系統終端裝置可以獨立輸出控制，又具備自組網功能，組網站點數量可達數百，能夠隨著種植面積擴大組網，實現大面積控制。同時，系統提供了末端裝置之間互相識別通訊功能，實現了傳感器數據和控制信號的組合運算和控制，從而實現數據的就近運算和處理，無需集中到控制器。當系統沒有接入互聯網時也可以通過自組網方式獨立運行，數據存儲于本地終端裝置。系統終端裝置之間通過互相識別通訊功能實現傳感器數據和控制方法的組合應用。系統終端裝置自動負載均衡，減小了管道尺寸，可以降低系統的成本。隨著灌溉和施肥數據的記錄和水肥系統應用管理數據的積累，系統可通過硬件數據采集系統，實現全自動控制。

3.2.2 便捷的灌溉終端作業系統

控制系統提供了運行在智能手機終端的移動用戶界面終端應用軟件和運行于電腦終端的遠程用戶界面終端2種灌溉終端作業管理系統，通過智能手機或個人電腦上安裝的控制系統可以隨時隨地查看并進行程序設置，即時調整輪灌和施肥參數，還可以通過手動啟動灌溉程序實現定時定點灌溉作業。末端裝置具有數據儲存功能，數據可同步儲存在本地和服務器，為用戶提供了根據需求調節運行時間、調整水量預算、靈活確定灌溉程序和施肥方案的功能。移動終端應用軟件獲取灌溉區域內多個末端裝置的編碼，通過末端裝置編碼確定灌溉區域位置信息，用戶可以在現場土壤旱情實時控制 灌溉。

4 結論

該文采用物聯網信息技術設計了一種智能灌溉控制系統。該系統由控制系統、水肥混合系統、水肥灌溉系統和數據采集分析系統組成；具有獨立供電、自組網和數據采集、記錄、分析處理的功能，實現了農業水肥一體化的遠程智能控制和監管的功能。系統終端裝置之間通過兩兩互通實現傳感器信號和控制信號的組合就近運算和處理數據，無需集中控制器運算。終端裝置的控制器和傳感器之間采用自組網方式連接，不受部署距離和數量的限制，也不受地形的影響，只需新增末端裝置，即可增加系統的控制范圍，覆蓋大面積區域。

智能灌溉系統在應用實現了水肥一體化的遠程和自動灌溉，達到減少勞動力投入，減輕土壤負擔的效果。隨著軟硬件的升級和水肥施用記錄的積累，灌溉系統可以對作物實現智能灌溉和精準灌溉，符合我國未來農業發展的愿景，對農業生產具有重要作用。

在今后研究應用中，應進一步分析水肥一體化模式下土壤水分供給、肥力運籌對作物生長發育及產量品質等方面的影響，研究土壤中水肥遷移運動狀態，結合作物、水分、肥力等因素，確定不同作物、不同地區的水肥配比模型，建立專業化水肥數據庫，提高水肥一體化灌溉控制的智能化、精準化水平。