基于土壤墑情的精準自動化灌溉系統研究

王 煒，晉 華

（1.太原市水利技術推廣服務站， 山西 太原 030002；2.太原理工大學，山西 太原 030002）

我國是一個水資源匱乏的國家[1，2]，農業灌溉用水利用率僅為45%[3，4]。因此，提高農業灌溉利用率是緩解水資源緊缺的必由之路。灌溉系統自動化程度的提高，省時省力，提高農業水資源利用效率[5]。

自動灌溉控制技術在大型灌區或微灌技術迅速發展的地區得到了廣泛的應用[6，7]。徐征和等[8]利用計算機遠程控制，構筑了作物生長資料及土壤資料集成收集利用的途徑，形成了一套優越的技術體系。陳天華等[9]利用ARM和GPRS系統，研制了一種土壤墑情監測和預報系統，提高了水資源利用效率。岳學軍等[10]設計了一種自動化灌溉系統，可根據土壤濕度變化自動調節灌溉水量。微灌等先進的灌溉技術若不能和自動化灌溉系統有機結合，就無法實現精準的自動化灌溉。李偉[11]利用PLC 技術研制了自動灌溉施肥系統，可根據作物肥料需求進行水肥一體化自動灌溉。朱煥立[12]等利用通信技術、傳感器和自動控制設備，實現了自動化灌溉。目前，依托微灌等先進的技術手段已可實現局部的自動化控制。然而，能夠依據作物需水特性對土壤墑情進行實時監測、預報，進行完全自動化灌溉的系統還較少。

結合中央系統、無線數據傳輸網絡、現場氣象環境監測系統、遠程測控終端（RTU）、泵站管網測控系統等部分研發了一種精準自動化灌溉系統。該系統可實現灌溉、降水數據的定時采集，實時監測水泵、管網和閥門的工作狀態，經智能灌溉專家系統分析后，可依據土壤墑情和作物的需水特性，進行精準的自動化灌溉。

1 自動化系統設計

精準自動化灌溉系統主要由計量儀表、IC 卡和數據庫服務器等監控設備，軟件平臺和水資源測控管理系統等構成。精準自動化灌溉系統總體構成示意，如圖1所示。精準自動化灌溉系統工作流程，如圖2所示。研究在井房和灌溉小區出口處布設水表計量儀器，實時采集各單元用水量，并通過信號線發送至井房水資源控制器。計量儀表主要包括壓力式水位計、電磁流量計及上旋翼水表等。

IC 卡安裝于井房內，用于控制預先設置的水量，并控制水泵的啟閉。IC 卡與監控中心通過GPRS/GSM 方式無線通信，將監控信息上傳至監控中心，保存至數據庫。IC 卡主要有水流量采集功能、多用戶非接觸卡控功能、剩余水量下限報警功能、反寫卡功能、歷史數據保存功能、水表線路故障監測功能、水泵運行故障監測功能、異常數據保護功能、數據通信功能和水表線路故障事件記錄功能。

水資源測控管理系統是對水資源利用的綜合管理軟件，其主要包括系統管理、基本信息管理、系統參數設置、IC 卡及售水管理、數據查詢統計和業務報表打印模塊。

圖1 精準自動化灌溉系統總體構成示意

圖2 精準自動化灌溉系統工作流程

2 自動灌溉控制系統總體構成

自動灌溉控制系統由中央控制系統、無線數據傳輸網絡、現場氣象環境監測系統、遠程測控終端（RTU）、泵站管網測控系統、電磁流量計及電磁閥和水泵等部分組成。中央控制器是自動灌溉控制系統的核心機器，由多臺PC機及機柜組成。中央控制器主要對采集的信號進行分析、決策和發出控制命令，其主要包括智能灌溉專家系統、實時監控系統、數據報表系統和人機交互界面等。

監測控制命令由計算機串口發出，通過高速工業以太網絡和無線傳輸網絡傳送至現場自動氣象環境站、泵站管網和遠程測控終端的采集變送設備。現場自動氣象環境站用來監測環境溫度、降水和土壤墑情等信息，并回傳送給中央控制器。泵站管網測控系統用來檢測機泵運行情況、管道水壓等信號，并接受執行中央控制器的控制指令，進行機泵的開啟和停機，以保持灌溉管網的水壓維持在合適的壓力。自動氣象環境站和泵站系統的控制中心采用電纜線以串行通信方式交換信息。不同作物的需水特性和不同生育階段的作物需水要求有所差異。遠程測控終端可依據土壤墑情的變化實時采集，上報土壤水分含量，接受控制指令，進而控制灌溉進程。

遠程測控終端分布在田間，距控制中心相對較遠。控制中心的信息通過無線數據傳輸網絡實現雙向傳遞，可將每個灌溉泵視為一個獨立的單元。每個獨立的灌溉泵設置一個無線傳輸設備3G DTU，用于和中心控制室連接。

3 系統工作原理

精準自動化灌溉系統結合現代計算機和自動控制及通信技術，利用集成電路實現數據的采集、傳輸和控制。通過采集不同區域內土壤墑情數據，實現不同形式的自動灌溉，從而保持適宜的土壤墑情。通過RS 485 總線連接的控制中心與灌溉控制器通信，實現數據的上傳和控制指令的執行。另外，無線通信模塊則為精準自動化灌溉系統提供了通過遙控進行遠程控制的途徑。

4 系統主要功能

（1）信息自動采集及自動監測功能。作物生長與溫度、降雨等氣象因素和灌溉、蒸發導致的土壤墑情變化密切相關[13]。自動灌溉系統可通過自動氣象站中的溫度傳感器、濕度傳感器、雨量傳感器及埋設于作物根區的土壤墑情傳感器對作物生長的相關因子進行實時采集和保存，并通過無線網絡傳輸至中央控制器。研究中自動傳感器可依據控制終端預先設定的時間進行土壤基礎數據的采集，并且發送至中央控制器。另外，精準自動化灌溉系統可依據需求，及時向相關傳感器發送指令，進行相關土壤和氣候數據的采集。精準自動化灌溉系統可實時監測管網運行狀態和氣象數據。

（2）灌溉決策支持功能。系統的智能灌溉專家系統可根據采集傳輸的信息，按照相關知識庫和規則庫，綜合分析推理，實現土壤墑情的實時預報。不同作物對水分耐受的上、下限有所差異[14]。自動灌溉控制系統中儲備了相關作物適宜的水分需求上下限。在灌溉過程中，自動灌溉控制系統可依據土壤墑情的實時傳輸和作物生長所需適宜含水量的上、下限比較情況，確定灌溉制度。另外，精準自動化灌溉系統可依據灌溉智能決策結果發出機泵自動開啟指令，按照制定的灌溉制度進行灌溉。

（3）預置修改功能。在自動灌溉控制系統運行階段，可依據不同作物或同一作物不同的生長階段，針對不同土壤水分需求及時修改相關參數。

（4）數據庫管理功能及報表和圖形打印功能。精準自動化灌溉系統可提供原始監測值，并對測定數據進行自動處理和轉換。為了方便對土壤墑情和氣象數據進行系統分析，自動灌溉控制系統可按選定的日期、時段和傳感器類型，生成各種壓力、土壤含水量等過程線，并可自動打印報表。

（5）預警保護功能和防雷抗干擾功能。當機泵電流過限、管道工作壓力異常時，精準自動化灌溉系統會進行預警保護，直至恢復正常。精準自動化灌溉系統的發射天線處均接有避雷器，可有效預防雷電。

5 系統工作方式

（1）自動專家控制方式。在精準自動化灌溉系統工作過程中，空氣溫度、濕度、風速和降雨等氣象數據、土壤水分含量和蒸發數據以計算機識別信號進入中央控制器。其次，智能灌溉專家系統對所接受的信號進行分析推理，并向遠程測控終端發出指令。最后，遠程測控終端根據中央控制器的指令開啟相關的電磁閥進行灌溉。中央控制器連續采集泵站、管網的信息，發出相關指令，控制水泵的運轉速度來維持管道壓力的恒定，維持額定的供水壓力，保障灌溉管道和水泵的安全運行。精準自動化灌溉系統可實時收集管網信息、土壤墑情及氣象數據，儲存于數據庫，以供查詢。另外，精準自動化灌溉系統可依據降雨、蒸發和土壤墑情等資料，綜合分析監測土壤水分短暫的動態變化，以實行短期灌溉精準預報。

（2）半自動方式。管理人員可在控制室內，通過微機對3G DTU 上傳的流量、壓力和水位等管道運行數據，土壤濕度及空氣溫度和風速等氣象數據進行實時監測，利用專家會議討論制定相關灌溉方案。通過人工調用不同的控制模塊，實現精準自動化節水灌溉。另外，管理人員可對每個小區進行灌溉控制、調度、計量和計費。

（3）手動方式。該系統可針對零散用戶和單片區域的灌溉請求，在控制室手動起動相應的泵站，進行計量收費控制。在這個過程中，可隨時參考現場自動氣象環境站、泵站管網測控系統發回的各種數據，做到較合理的用水灌溉。

6 結論

針對我國自動化灌溉水平較低的突出問題，基于土壤墑情和作物需水特性，研發了一種精準自動化灌溉系統，該系統的研制對我國水資源利用效率的提高、農業生產成本的降低有重要的意義。

（1）精準自動化灌溉系統由中央控制系統、無線數據傳輸網絡、現場氣象環境監測系統、遠程測控終端（RTU）、泵站管網測控系統、電磁流量計及電磁閥和水泵等部分組成。

（2）精準自動化灌溉系統可實現信息自動采集、自動監控、灌溉決策支持、預置修改、報表圖形自動打印、數據庫管理、預警保護、防雷保護和抗干擾能力等功能。

（3）精準自動化灌溉系統可依據管理人員靈活選擇操作模式。