智能化設施農業節水灌溉控制系統探析
——以丘陵地帶稻田為例

呂崇貴，李 龍

（中南林業科技大學，湖南長沙 410000）

0 引言

進入21世紀，我國作為農業大國在農業生產領域中投入了大量的現代科技，促進了農業產業的快速發展。在農業生產管理中，灌溉是很重要的內容，科學灌溉對提升農作物產量和質量至關重要。隨著現代科技的發展，信息化、數字化等技術在農業生產管理領域中逐步得到廣泛應用，其中智能化設施農業節水灌溉控制系統就是突出的代表。在我國廣袤的土地上，不同地區農作物生長環境存在巨大差異，意味著需要對智能化設施農業節水灌溉控制系統的設計應用方式進行針對性研究，以進一步提升其實用性。

1 智能化設施農業節水灌溉控制系統概述

1.1 系統概念

智能化灌溉系統主要是指能夠根據農作物種類、生長狀態以及環境特征對灌溉量、灌溉方式等進行智能化控制的系統，該系統主要由中央控制器、灌溉裝置、傳感器、數據傳輸系統等構成。在新形勢下，智慧化農業生產成為相關領域研究的重點，而針對灌溉環節所設計、研發、應用的智能裝置，能夠進一步實現科學灌溉和水稻種植，提高農業生產質量和產量[1]。目前，在智能化設施農業節水灌溉控制系統研究領域中，智能化技術主要包括以下幾種：

第一，專家系統。專家系統是一種基于知識庫、模擬人腦思維方式的計算機軟件系統，其通過計算機軟件和數據庫將人們生產活動中積累的經驗和研究的成果，制定相應的規則和運行邏輯。當系統獲得原始數據后，會進行一系列的運算和分析，做出專家級的判斷和決定。在智能化設施農業節水灌溉控制系統中，專家系統主要是基于多個維度的農業專家知識，通過模擬農業專家的種植管理方式，對農作物進行科學灌溉。例如，基于當下的農業科技研究成果及經驗，專家系統對各種水稻不同生長階段需水量的分析，再結合各類傳感器獲取的當下氣候環境信息，自動控制灌溉系統的灌溉量和灌溉時間，可以更大程度上提升種植質量[2]。

第二，微機測控。微機測控技術主要是利用計算機軟件、傳感器、監測裝置和通信技術，對農作物及土壤、空氣、溫度等方面條件進行實時監測分析，再通過通信系統對灌溉裝置進行精準控制的綜合性智能技術。在現代農業科技領域中，微機測控技術除了更講究科學種植以外，其最大的優勢在于能夠實現對水資源的合理利用，減少水資源浪費。例如，在以色列這樣科技發達，但自然條件較差的國家，在農業領域就大量應用了微機測控灌溉技術。通過在種植區域布置大量的傳感器檢測矩陣，實時采集水稻植株、土壤及空氣的濕度、溫度、光照、蒸騰量等參數，上傳至微機系統進行處理，再將處理結果上傳至上位機，通過中央控制系統或技術人員進行判斷，精準控制灌溉時機和數量[3]。

總體來講，現代智能化設施農業節水灌溉控制系統的基礎是計算機、數據庫、通信系統等，而專家系統、微機測控系統則是其實現智能化灌溉的關鍵所在。

1.2 應用價值

如今，我國社會經濟發展迅速，構建高質量發展模式是黨中央對各行各業提出的新要求，而技術創新優化，則是實現產業高質量發展的關鍵。在農業種植領域，得益于現代農業、生物科技的發展，農業種植質量及產量都達到了較高水平。在此背景下，如何在保證農業種植產量、質量的基礎上，減少環境污染、節約水資源，是農業種植及管理者需要思考的重點問題。相較于傳統依靠人工或大面積鋪設節水設施的方式，利用智能化控制系統，可以減少人員專業水平、經驗儲備、職業素質、工作狀態對節水效果的影響。關于智能化設施農業節水灌溉控制系統的研發，是一個從自動化、信息化、數字化向智能化方向發展的過程，在探索和實踐過程中，農業種植管理人員也能夠在技術模式的影響下，不斷創新思路、優化工作模式。顯然，智能化設施農業節水灌溉控制系統的應用，不僅能夠更精準地根據農作物需水量進行灌溉，減少浪費，同時還能減輕農業種植管理者的工作壓力。從一個地區乃至全國的農業發展角度來看，智能化節水灌溉控制系統將是智慧農業系統的重要組成部分，無論是實際應用中通過精準控制帶來的種植水平提升，還是采集的各類關鍵數據信息，都將為農業種植管理技術及相關研究學科的進一步發展提供重要依據。例如，一個地區的水稻種植產業全面配置了智能化農業節水灌溉控制系統，將會給當地農業農村部門提供實時的灌溉及作物生長情況信息。基于此，管理部門可以聯合當地農業推廣、農產品銷售等部門或企業，做好相應的工作準備，以便打造更為科學、準確、有效的水稻產業鏈。

2 智能化設施農業節水灌溉控制系統的設計思路

2.1 稻田土壤水分測量

2.1.1 測量方法。土壤是水稻獲取營養及水分的主要來源，土壤水分含量將直接影響水稻的生長發育。因此，在設計智能化農業節水灌溉控制系統時，關于土壤水分的測量很重要。目前業界關于土壤水分檢測的方法主要分為直接檢測法和間接檢測法兩大類，前者是通過干燥處理或化學方法直接測出土壤的絕對含水量，而后者則是通過測量土壤水分變化有關的物理量來判斷其含水量情況。具體來講，在智能化農業節水灌溉控制系統中，可以用到的土壤水分測量方法有中子儀法、電阻法、頻域反射儀法、烘干法等，其中中子儀法、電阻法等方法可以通過相關儀器快速測量土壤的水分情況，滿足智能化監測控制系統的功能需求[8]。例如，中子儀通過快中子輻射源和熱中子探測器，在土壤水中的氫元素的作用下，慢中子云密度增大，裝置通過對這種函數關系的變化情況來得出土壤水分含量。電阻法則是利用不同含水量情況下土壤電阻率不同的基本原理，對土壤含水量進行檢測。這類檢測技術基本上不會破壞土壤結構及狀態，能夠快速、動態化地獲取相對準確的土壤水分數值，具有簡單好用、持續性強的特點[4]。

2.1.2 傳感器改進。傳感器是智能化農業節水灌溉控制系統采集作物及環境信息的關鍵所在，在設計系統時，需要根據信息采集需求對傳感器進行合理布局和優化改造。目前，在農業灌溉領域中用到的傳感器一般為負壓式土壤水分傳感器，其主要由集氣管、陶土頭和壓阻式傳感器構成。通過將陶土頭插入土壤，土壤中的水分和陶土頭中的水膜連接，在傳感器內部產生負壓，再由壓阻式傳感器對負壓信息進行信號轉化，再由計算機計算分析得出土壤水分情況。在大量實踐應用中，技術人員發現傳統傳感器具有以下幾方面不足：一是輸出信號是電壓，而電壓在遠距離傳輸過程中很容易受到干擾或出現損耗；二是傳統傳感器使用的是四線制傳輸信號，而能夠滿足這種機制的導線材料成本較高，后期維護管理難度也比較大；三是壓阻傳感器具有離散性，在設計安裝中需要對控制系統中的輸出電壓信號電路進行調整，并當某一個傳感器出現故障時，將影響整個系統的運行。

針對傳統傳感器存在的問題，可以采取以下方式進行改進：一是改進電路。重點改變輸出信號方式，采用就地處理轉換的方式，將傳感器輸出信號的處理電路放在負壓式土壤水分傳感器上，如此一來，就可以通過調整傳感器信號處理電路，讓輸出信號和壓力值關系保持恒定，免去了調節自動控制系統電路的麻煩。同時，可以將傳感器電路改進為兩線制，降低系統布置及運行維護成本。二是改進結構。考慮到負壓式傳感器陶土頭容易松動和損壞的問題，針對陶土頭設計一個細鋼條保護結構，避免其頻繁受到外部因素的影響。然后，為集氣管配置一個額外的蓄水裝置，需水量根據農作物實際情況進行設定和補充，可以有效解決充水過于頻繁的問題。

2.2 控制儀器設計

在智能化農業節水灌溉控制系統中，除了測量水分以外，還應當使用半導體集成精密溫度傳感器進行測量。在此基礎上，由控制儀器對灌溉龍頭進行控制，科學調節灌溉時機和灌溉量。顯然，不同作物在不同時間、生長狀態以及環境條件下的需水量是不同的，為了有效實現智能化精準控制，應當對控制儀器進行科學設計[5]。為此，可以建立計算機軟件自動化分析和人工設定結合的控制儀器功能模塊，在滿足按需灌溉基本要求的同時提升系統的通用性。在智能化農業節水灌溉控制系統中，灌溉方式將會很大程度上影響智能化灌溉控制的效果。目前，業界主流的灌溉方式包括上下限灌溉、延時灌溉及綜合灌溉等，需要根據現場環境及技術條件進行合理選擇。

2.3 測控儀器功能設計

智能化農業節水灌溉控制系統中測控儀主要是對各類信號進行處理，將其轉化為單片機可以識別分析的數字信號。當前技術條件下，信號轉換通常采用的是A/D轉換器，但是其成本較高，并且數據轉換計算方面的復雜性也比較高。在測控儀器的功能設計中，需要考慮到在農業規模化種植中，如果依靠大量鋪設傳感器、通信裝置來滿足通信及控制需求，將極大增加項目成本及運維難度。為此，需要通過集成化技術、網絡化技術及神經網絡技術，利用局域網或集成系統對信號監測、傳遞系統進行簡化，構建更為精準、高效、智能的測控系統。為此，可以采用LM331這類V/F轉換芯片，其不僅具有精度高、成本低的優點，計算轉換關系也比較簡單，所以在智能化農業節水灌溉控制系統中可以采用這種信號轉換方式[6]。隨著相關技術的進一步發展，可以通過神經網絡技術，對測控儀器功能進行智能化調控和優化，進而提升系統的適用性。

2.4 軟件設計

在智能化農業節水灌溉控制系統中，軟件的作用包括數據分析、控制指令下達等，是實現智能化控制的關鍵。針對軟件的設計，需要做到因地制宜、按需設計。例如，針對測控儀的設計，主要根據監測達到的土壤溫度、水分情況，根據設定的灌溉方式及專家系統規則，確定是否要進行灌溉，并下達控制信號。另外，還可以實時采集灌溉之后的土壤水分、溫度及其他參數，以便判斷灌溉控制效果是否符合預期[7]。在農業節水灌溉系統中應用智能化技術，軟件控制的基本邏輯是通過現有專業知識及控制模塊，針對某種作物不同生長階段及環境條件實施科學灌溉，同時采集灌溉量、作物生長情況等關鍵信息，再通過對該類信息的不斷積累、整合、分析，得出更為精準的科學灌溉模式。這個過程，實際上也是節水灌溉系統“自我學習”的過程，其中對神經網絡技術、專家系統的應用非常關鍵。

3 結語

綜上所述，在社會經濟快速發展、科技不斷進步的背景下，農業生產中用到的現代科技也越來越多。針對水稻種植管理中的灌溉工作，可以充分結合農業種植需求及環境，科學設計智能化農業節水灌溉控制系統。通過利用專家系統、微機測控裝置，在傳感器及其他監測儀器的支持下，實現對水稻生長狀態以及外部環境條件的精確監測，進而對灌溉時機和灌溉量進行科學、精準控制，提升農業生產質量。