基于作物ETp的智能灌溉控制系統實現方式

覃 通，李 鳴，伊志謙，郭書勝，陳伊玲

(1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.上海盛銳軟件技術有限公司， 張江 201203；3.美國亨特實業有限公司，北京 100101；4.廣州綠友世紀灌溉技術有限公司，廣州 511450)

智能灌溉系統是一種能夠判斷出作物需水量數值的自動控制灌溉系統。灌溉控制系統過去常用的是時間型控制或稱為時序控制[1]。時序控制的物理量為灌水時間。可以通過設定好開啟電磁閥時間和電磁閥持續保持時間自動運行。時序控制器已經能夠完成灌溉任務，但是如何判斷作物實時需要的灌水量，并以此控制電磁閥的開啟時間，是普通的時序控制器不能做到的。因為作物的需水量或者說耗水量，是隨著作物生長時間的推移而改變，在作物的不同生長階段，不同生長時期，不同的氣象條件下，它需要的水量是不一樣的。對于時序控制器來說，它就無法判斷，以及確定一個精確的灌水工作時間。灌溉控制系統如果還是僅僅依靠時序式控制，是不能夠適應按照作物需水量要求進行適時、適量地灌溉，而這些是智能化灌溉所要完成的。

為實現智能灌溉這個目標，Phena等人從1973年開始研究節水灌溉控制器，主要思路是通過土壤水分或濕度傳感器把土壤信息反饋到控制系統，根據傳感器數據來確定是否進行灌溉。隨后，Fangmeier等人將紅外線熱電偶引入自動化灌溉系統控制領域，將熱電偶傳感器與空氣濕度計、土壤濕度傳感器等相互配合采集數據。1996年的Ismail和Alshooshan等應用電子張力計作為土壤濕度傳感器。1989年Mcclendon、1992年Uhrig等應用神經網絡優化控制器輸出，建立作物灌溉模型，試圖通過不斷訓練神經網絡來實現合理預測。1994年Xiang Etal．建立了一個灌溉模糊決策體系，使系統控制能夠隨氣候和土壤濕度的變化而變化。

綜上所述，時序式控制是沒有智能的控制系統，不適應這種智能化灌溉要求。采用土壤水分含量或土壤濕度傳感器的信息反饋到控制系統，根據傳感器數據來進行自動控制灌溉的系統，它只靠所測到的數個點的土壤水分來推斷整個灌溉面積上作物的需水量是不全面的。采用神經網絡控制的系統，需要積累大量的歷史數據，用于學習過程才能建立植物生長模型，它是通過不斷訓練神經網絡來實現智能灌溉控制。還有實時模糊控制灌溉系統，它的系統控制能夠隨氣候和土壤濕度而調整。這些灌溉控制系統，前者太簡單，沒有智能控制成分，后者太復雜，考慮的因素太多，灌溉控制系統實現起來存在困難，有時還需要人為的干預系統才能夠實現正確地、適時地和合理地運行。

這里介紹一種基于現場氣象參數的、簡單實用以及考慮了作物生長狀況的智能灌溉控制系統，它是能夠滿足作物需水量ETp值灌水要求的智能灌溉控制系統。

1 耗水量計算

時序式灌溉控制系統就是給定一個開啟時間和灌水時間長度，系統按照到達的開啟時間驅動電磁閥定時進行灌溉。這就決定了它不是智能灌溉的控制器，因為它沒有任何根據作物需求水量變化和氣候條件變化，自動調節灌水時間的功能。按照土壤濕度的上限和下限設定，自動判斷來開啟灌水的控制系統，它是否是智能灌溉系統呢？從它能自動判斷土壤水分含量來調整自己的灌水時間和灌水量來看，從一定意義上說已經有了一定的智能功能。但是，其智能是建立在一個探測點或者數個實測點土壤水分含量測定基礎上，它是否能夠代表整個灌水區域的缺水狀況，以及整個作物種植區的灌水需要量或灌水需要的時間，這顯然是個有爭議的問題。個人認為，用一個點或數個點來代表灌溉區域，哪怕是在容易干旱的典型區域布點，依據其數據在相對大作物種植面積上的土壤水分含量情況進行判斷，這種方法不是十分科學合理的。這里提出了采用田間小氣候，通過現場氣象監測數據來分析計算出作物的蒸發騰發量，也就是參考作物耗水量ET0值的方法來判斷灌區內作物需水的狀況，從而計算出作物的耗水量ETp。

參考作物需水量ET0根據聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式計算，該公式是綜合考慮了各種氣象因素對ET0的影響，它是個機理性公式，具有可靠的氣象物理基礎。該公式已被公認為是計算ET0的標準方法。計算需要詳細的氣象資料，包括平均最高氣溫、最低氣溫、計算時段內的平均最高相對濕度、平均最低相對濕度、計算時段內2 m高的平均風速、平均日照時數、海拔高度。這些氣象參數都可以通過現場的傳感器測得。當然，現在縣一級或者鄉鎮一級也有氣象參數，只是它們有的不是現場實測的資料。Penman-Monteith公式，1992年修正后寫作：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；T為計算時段內的平均氣溫，℃；Δ為飽和水氣壓～溫度曲線上的斜率，kPa/℃；Rn為太陽凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數，kPa/℃；es、ea分別為飽和水氣壓和實際水氣壓，kPa；u2為離地面2 m高處的平均風速，m/s。

作物的耗水量ETp，或者說灌溉需水量是由氣象參數計算得到的參考作物蒸騰量ET0后，再由考慮到作物生長階段的需水系數Kc計算得到的。

ETp=KcET0

(2)

式中：Kc為綜合作物系數。

應當指出，作物綜合系數Kc這個數據，應該是與作物生長的階段，生長環境有關系，所以它有很多種計算方法，因為本文只討論控制器的控制原理和實現方式，不討論此計算公式，所以，在這里我們不做詳細討論。

2 智能灌溉原理

設計一個智能灌溉控制系統，基礎就是時序控制器的系統，從工程設計角度來說是相對容易的。全盤推倒原來的控制系統，重新設計全新的灌溉控制系統，這種思路一是沒有必要的，二是它將會產生復雜研究開發過程。在時序控制器基礎上進行擴展，讓它變成智能的灌溉控制器，這是一種簡單容易實現的思路。

灌溉控制系統原來是基于時序控制的，只是它的灌溉時間長度是固定的，沒有根據現場氣象情況和作物生長階段去調整。現在只需要根據氣象情況調整其灌溉的時間長度和根據作物的生長狀況調整Kc值，讓智能灌溉控制系統可以根據現場氣象條件和作物生長狀況計算出的ETp進行調整。假定根據氣象傳感器中的溫度傳感器、濕度傳感器、日照傳感器和風速傳感器得到了計算公式所要的輸入數據。圖1就是灌溉時間調整比例的分析流程。

圖1 灌水調整比例分析流程圖

假設定原來控制器根據ETp來設定灌溉時間，而現場實際氣象觀測數據計算得到的是ET′p，則調整比例系數為p。

原來設定工作時間為Tr，實際運行時間是T′r根據作物需水量計算，原來設定的灌溉水量m1是：

(3)

式中：Q為系統一次灌水的流量，m3/h；A是灌溉的面積，m2；Tr為灌水時間，h。

現在實際需要灌溉的水量m′1是：

(4)

式中：p為系統灌水時間調整比例，%。

由ET′p=pETp，計算p：

(5)

把公式(4)右邊變化，得到實際需要的灌水時間T′r：

T′r=pTr

(6)

(7)

說明只要在原來時序控制器的基礎上，考慮一個百分比調整系統p，就可以把原來的非智能時序灌溉控制系統改造成為智能灌溉系統。一般地，把初次設定的灌水時間長度Tr，選擇為夏季灌溉用水量最大的時期的灌溉時間長度。當灌溉作物的ETp根據實測氣象參數計算值與設定值不一樣時，調整灌水時間Tr為T′r。圖2就是整個控制器的控制邏輯框圖。

圖2 控制器控制邏輯圖

3 結 語

智能灌溉系統可以從一個時序控制系統的升級改造而實現。經過現場的氣象數據公式(1)計算出ET0；根據現場環境及作物的生長階段計算出Kc值，根據實時計算的ETp值，見公式(2)。在控制器設定一個灌水調節比例，根據公式(8)確定現在的灌水量與原來設定的灌水量的比值p。調整實際的灌水時間長度為T′r，最后達到智能灌溉的最終目的。

[1] 徐飛鵬，李云開，楊培嶺，等．節水灌溉自動化控制系統的研究現狀與發展趨勢[C]∥北京都市農業工程科技創新與發展國際研討會. 北京，2005：43-48．

[2] 劉永華，俞衛東，沈明霞，等．精準灌溉施肥自動控制系統的研發[J]．節水灌溉，2014，(12)：80-83．

[3] 匡秋明，趙燕東，白陳祥，等．節水灌溉自動控制系統的研究[J]．農業工程學報，2007，(6)：136-139．

[4] 蘇 臣，孫一源，陳 勇，等．新型節水灌溉控制原理的應用研究[J]．水利學進展，1994，(6)：142-148．

[5] 徐征和，吳俊河，丁若冰．自動化灌溉控制工程技術的研究與應用[J]．中國農村水利水電，2006，(6)：66-72．