智能化農業灌溉控制系統研究進展*

楊德軍 ，楊 超 ，魏 堃

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

農業灌溉用水中的供需矛盾一直是世界各國關注的問題，據水利部《2020年中國水資源公報》數據統計，我國農業用水耗水量占總耗水量的74.9%，2020年我國農業灌溉用水有效利用系數僅為0.565，而西方發達國家農業灌溉用水有效利用系數達0.7~0.8[1]。2020年全國水資源總量約31 605.2億m3，而西北地區水資源僅為2 050.9億m3，只占全國水資源總量的6%[2]。西北地區氣候干燥，對水資源的需求遠勝于其他地區。從上述數據可以看出，我國農業灌溉用水有效利用系數與西方發達國家還存在一定差距。為進一步提高西北地區農業灌溉過程中水資源合理高效利用水平，迫切需要因地制宜發展智能灌溉技術，通過智能精準灌溉加強農業灌溉內涵建設，由傳統粗放式灌溉向智能化、精準化灌溉模式轉變，進一步提高農業灌溉用水水資源綜合利用效率。

1 農業智能灌溉技術現狀

1.1 智能灌溉技術應用現狀

國外發達國家在農業智能化灌溉控制技術方面研究起步較早，智能灌溉控制技術得到了大規模的推廣和使用，其智能化灌溉控制技術已比較成熟，在灌溉控制過程方面采用智能自動化控制模式，通過數據檢測技術、智能化技術、現代信息技術，傳感器技術、物聯網技術、無線通信技術等形成了節水灌溉控制系統的功能化、精細化和高效化完整應用體系，農業灌溉技術實現由半自動化向智能全自動化的轉變，并且已經得到了大面積的推廣，農業灌溉用水利用效率較高，技術應用成效明顯[3]。

我國在農業灌溉用水有效利用方面與發達國家還存在一定差距，在農業灌溉智能化控制系統方面的研究起步較晚且自動化程度不高，尤其是自主開發的智能化、自動化遠程灌溉控制系統還沒有實現大范圍的推廣和成果轉化。針對我國農業用水量大、灌溉用水利用系數低、用水精細化管理程度不高等問題，國內學者在智能化農業灌溉用水控制方面主要采用無線通信技術，以微控制器為核心元件，通過建立遠程無線控制模式，運用智能模糊控制算法實現對農作物灌溉時間和灌溉用水量的控制，以提高節水灌溉能力，減少依靠傳統經驗在大水漫灌過程中水資源的浪費，同時進一步節省人力、物力。在智能控制方面主要基于單片機和PLC對數據進行采集和處理，在無線通信方面主要采用GPRS遠程無線通信和ZigBee協議模式短程通信[4]。在智能化灌溉控制運用方面，市面上智能化節水灌溉產品大多基于云平臺的遠程無線控制，已逐步向自動化和智能化方向發展，但受地區差異和農村經濟條件限制，成果還未得到大面積推廣和轉化。

總體來說，農業智能灌溉在技術方面已經取得了階段性的突破，但智能化節水灌溉控制產品初期投資成本相對較高。西北地區農民收入不高，由于系統初期投資成本高，且對地域特點有很高的要求，所以推廣和普及還存在一定問題。隨著對節水灌溉技術要求的不斷提高，需要結合西北地區的實際情況，研究和開發符合西北地方特色的農業灌溉智能化控制系統，進一步提升農業灌溉過程中水資源綜合利用效率，實現農業灌溉的智能化、精準化控制，同時，還需要考慮系統初期投資成本，便于系統的推廣和使用。

1.2 智能灌溉控制工作原理

傳統智能灌溉控制系統主要是結合物聯網和人工灌溉經驗，通過田間布置濕度傳感器節點檢測土壤濕度，將土壤濕度數據傳遞至控制系統，利用濕度傳感器獲取土壤濕度信息，控制系統根據土壤濕度閾值選擇是否進行灌溉，結合PLC和Wi-Fi技術遠程控制水泵開啟，從而實現對作物的自動灌溉。該灌溉模型與傳統漫灌灌溉方式相比具有智能決策相對簡單、成本低的特點，但未能根據作物實際需水要求進行灌溉用水量設計，僅以田間傳感器土壤濕度數據作為灌溉參考依據，灌溉模式相對粗放，灌溉用水量還不夠精確，未能實現灌溉用水的精細化管理。

目前，精準化農業智能灌溉以作物為對象，通過研究作物成長過程中需水量與灌溉用水量之間的關系建立正確的灌溉模型，將灌溉模型與智能控制技術耦合作用于農業灌溉過程。只有將灌溉模型與智能控制技術緊密結合起來，根據作物實際需水要求實施精準灌溉，才能避免水資源浪費。在灌溉決策中考慮土壤濕度、土壤pH值等土壤墑情，考慮溫濕度、風速、降水量、蒸騰量等環境及氣候條件對農作物生長的綜合作用效果，精確計算作物實際需水量[5]。灌溉決策數據建立主要考慮以下幾個方面：通過物聯網技術，利用各類傳感器獲取作物生長過程中土壤、環境各項參數；通過田間試驗和大數據分析，建立適用于作物不同生長周期用水需求的灌溉決策模型，制定合理的灌溉計劃和灌水模式；通過智能控制技術，在灌溉過程中依據農作物實際需水量動態調整灌溉水量，可顯著提高農業灌溉用水利用效率。

1.3 智能灌溉控制系統關鍵技術

農業智能灌溉主要是以物聯網技術為基礎，結合現代智能控制和無線通信技術設計開發的智能灌溉決策控制系統，利用現代科技手段，提高農業灌溉用水利用效率，節省勞動成本。智能灌溉決策控制系統中使用的關鍵技術主要包括傳感器技術、無線通信技術、自動控制技術等[6]。

1）傳感器技術。傳感器技術是智能灌溉控制系統中獲取信息和數據的重要途徑，在田間和周圍環境合理設置采集節點，構建底層數據采集網絡，利用濕度傳感器、溫度傳感器、光照強度傳感器、風速傳感器、pH值傳感器等采集土壤、空氣及氣象等相關數據，為智能灌溉決策控制系統提供參考數據。

2）無線通信技術。目前，農業智能灌溉控制系統中運用的無線通信技術主要有Modbus、ZigBee、LoRa通信協議以及NB-IoT和4G/5G技術等，通過上述無線通信技術可以實現對土壤墑情、環境溫濕度、光照強度、風速等信息數據的無線傳輸，同時接收灌溉決策系統發出的灌溉控制指令。不同無線通信技術在應用方面各有其優勢和適用范圍，因此智能灌溉控制系統在通信模式選擇方面應根據灌溉對象、實際灌溉環境、灌溉面積、無線傳輸控制距離等因素和實際情況合理選擇擬采用的無線通信技術。Modbus通信相對簡單，可支持較豐富的接口，無需復雜編程即可實現設備之間的通信，目前應用較成熟和廣泛；ZigBee通信技術適用于通信范圍幾百米內的近距離數據傳輸，主要應用于農業大棚智能灌溉無線通信方面，但在傳輸過程中存在障礙物會造成信號的削弱；LoRa無線通信技術以擴頻技術及其增益可大幅提升無線傳輸范圍，傳輸范圍可達15 km左右，工作頻段較低，數據傳輸過程中受干擾程度低，其具有功耗低、數據傳輸覆蓋范圍廣、數據抗干擾能力強等特點，可應用于對農業智能灌溉控制距離較遠、范圍較大的農田、草原等的灌溉需求及數據分析；NB-IoT具備功耗低、信號增益能力強、網絡連接節點數量大等優點，可應用于農業智能灌溉控制系統中底層農田環境基礎支撐數據的采集和傳輸；4G/5G技術具備數據傳輸速率高、延時低等特點，在智能灌溉中可廣泛應用于數據采集與云端平臺的無線通信和數據分析[7]。

孫剛等利用Modbus通信協議實現了智能灌溉控制系統中采集節點和監控中心之間灌溉用水量、傳感數據及電磁閥啟閉指令數據通信與交互[8]。方旭杰等通過ZigBee協議建立控制器節點和傳感器節點間的灌溉控制系統無線網絡結構，實現傳感器和控制器之間數據互通，灌溉執行器接收到灌溉指令后執行相應灌溉操作[9]。李靜通過LoRa無線通信技術研究開發了基于土壤墑情的智能灌溉系統，實現環境參數與決策系統之間數據通信，進一步提高了數據接收、傳輸過程中的靈敏度和傳輸距離，提高了農業灌溉水資源利用效率[10]。

3）自動控制技術。采用MCU或PLC控制技術，通過傳感器采集數據與灌溉大數據比對實現智能灌溉決策。當作物需水量達到閾值時，發送無線控制指令，開啟閥門進行灌溉，達到灌溉水量時，閉合閥門結束灌溉。目前，智能控制主要采用模糊控制、神經網絡免疫等方法相結合實現對各項數據的分析和處理，控制電磁閥開閉，實現對灌溉系統的智能操控。自動控制技術方面重點考慮灌溉指令發送和接收時帶來的時滯效應及灌溉流量實時控制，根據輪灌方案和計劃，建立合理的控制流程及灌溉機制，根據作物實際需水量實現灌溉數據動態調整和優化，實現灌溉過程的精準化控制。

2 智能灌溉控制系統設計

2.1 智能灌溉控制系統架構

智能灌溉控制系統整體架構主要分為數據采集層、執行層、無線傳輸層和應用決策層四個模塊，如圖1所示。

圖1 智能灌溉控制系統整體架構

數據采集層處于系統底層，主要采集灌溉決策系統所需溫度、濕度、光照、風速、水流量、水位等各項環境基礎數據，為建立灌溉模型和智能決策提供基礎數據支撐。執行層主要根據灌溉決策指令控制田間電磁閥、水泵等灌溉執行設備的開啟與閉合。無線傳輸層結合網絡和無線通信技術實現數據采集層、執行層和應用決策層之間數據互通傳輸，起到數據橋梁作用。無線傳輸層需根據灌溉對象實際情況合理選擇無線通信方式，對于灌溉控制數據傳輸距離要求不高的情況，可選用ZigBee、NB-IoT等傳輸距離短的無線通信技術；對于農業大田、草原等網絡節點較多、整體灌溉面積較大、數據傳輸覆蓋范圍較廣、遠程控制距離遠的情況，可選用LoRa等傳輸距離較遠的無線通信技術。數據采集層采集到的環境數據通過無線傳輸層傳輸至應用決策層，通過智能決策系統進行數據處理和分析。應用決策層形成灌溉決策指令，將控制指令通過無線傳輸層發送至執行層，執行層現場控制器接收到灌溉指令后執行相應灌溉動作。

現場控制器（MCU）起到數據處理、上傳和接收作用，以ZigBee、NB-IoT、RS485通信節點對溫度、濕度、水位、灌溉流量、環境參數等數據信息進行采集和處理，并將現場數據通過無線傳輸層，以無線通信方式上傳至應用決策層集控計算機。集控計算機結合植物生長大數據，對接收到的感知層數據進行分析和對比，作出合理的灌溉決策，將灌溉指令以無線通信方式發送至現場控制器，現場控制器根據控制指令控制執行層電磁閥和水泵的開啟和關閉。

2.2 智能灌溉控制系統灌溉決策設計

灌溉決策軟件設計是智能灌溉控制系統的大腦中樞，控制系統在接收到底層傳感器網絡節點土壤墑情數據及相關氣候環境數據后，根據系統預設作物生長數據庫和作物需水模型計算作物ET值，與大數據對比分析后，計算生成灌溉水量和灌溉時長等灌溉決策指令。灌溉決策軟件設計如圖2所示。

圖2 智能灌溉控制系統灌溉決策軟件設計

通過傳感網絡節點將土壤濕度、pH值等土壤數據和溫度、風速、光照等環境數據傳輸到現場控制器；現場控制器對土壤條件指標數據和氣候條件指標數據進行分析和處理，形成土壤條件指標和氣候條件指標，并通過無線通信方式發送至集控計算機；集控計算機根據接收到的最新參數指標計算作物實際需水量，與已有大數據進行對比分析。當作物需水量低于需水閾值時，控制程序計算生成灌溉時長或灌溉水量，動態調整灌溉時長或灌溉水量，將生成的灌溉控制指令以無線通信方式發送至現場控制器，現場控制器按照指令要求控制電磁閥開啟或關閉，實現智能灌溉。同時，在灌溉過程中，傳感器網絡節點實時監測土壤和環境相關數據值變化，不間斷向集控計算機提供實時數據。智能灌溉系統根據實時數據及時調整灌溉時長或灌溉水量指令，直至灌溉結束。通過實時調控灌溉用水量，最終實現精準灌溉，避免水資源浪費。

3 結論

本文以我國灌溉用水實際情況和西北地區農業灌溉水資源利用方面存在的突出問題和面臨的挑戰為背景，在系統研究分析基礎上提出在西北地區發展智能化農業灌溉系統的理論基礎、關鍵技術方法及實現途徑。首先，通過對農作物生長實際需水狀況進行研究，建立精準化灌溉用水量模型；其次，根據灌溉實際合理選取傳感器、無線通信技術和自動控制技術，完成智能灌溉控制系統整體架構的搭建；最后，根據作物實際需水量完成智能灌溉決策設計，形成灌溉控制計劃，實現對作物實際需水量的實時監測和灌溉用水控制，進一步降低成本，提高農業灌溉過程中水資源利用率，為西北地區農業智能化高效節水灌溉提供實現途徑，為實現由粗放型灌溉向集約型、智能化、規模化灌溉轉變提供參考。