淺談智能灌溉技術應用現狀

盛 會，郭 輝，張學軍，陳恒峰

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆　烏魯木齊　830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室）

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淺談智能灌溉技術應用現狀

盛 會1，郭 輝2※，張學軍1，陳恒峰1

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室）

摘要：隨著水資源的匱乏和農業機械化的推廣，農業對灌溉的要求日益提高，智能灌溉也隨之產生。智能灌溉系統涉及到傳感器技術、自動控制技術、ZigBee無線通信技術等多種高新技術，將土壤濕度、溫度、氣象、水文、以及各種不同作物的特性等因素進行融合最終做出灌溉決策。該系統在加快農業生產數字化、信息化的同時，也提高了農業灌溉的生產效率，可以更好的實現節約水資源和按需灌溉的要求。

關鍵詞：智能灌溉；傳感器；ZigBee；節約水資源

0　引言

我國是一個水資源緊缺的國家。據統計，我國人均水資源占有量僅相當于世界人均水資源占有量的1/4。專家預測，我國人口在2030年將達到16億，屆時人均水資源占有量僅有1 760 m3，中國將成為嚴重缺水的國家［1］。21世紀水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，將對國家經濟和社會可持續發展產生重要影響。節水、節能型的智能灌溉技術已經成為灌溉發展的總趨勢，也為緩解水資源壓力和實現農業現代化提供了可能。目前發達國家如：美國、以色列等，利用先進的節水智能灌溉技術使水資源的利用效率得到了顯著提高。在我國，農業用水約

修回日期：2016-3-2

智能灌溉模式與傳統人工控制相比，具有節省水肥、人工等顯著特點，并可消除人為因素對灌溉的不利影響，更有利于灌溉的科學管理和先進灌溉技術的推廣。智能灌溉模式對提高農作物產量以及我國家庭牧場的建設具有促進作用，推動了我國勞動力轉移和農村經濟結構的調整，同時也有利于環境保護。

1　節水灌溉及智能灌溉技術

1.1節水灌溉

目前常用的節水灌溉方式有噴灌、滴灌等。噴灌是通過管道將水輸送到田間的噴頭，再經噴頭噴射到空中散成細小的水滴，均勻地散布在農田上，達到灌溉的目的，通常有高壓和低壓之分，根據其是否可移動分為固定式和移動式［3］。固定式的噴頭安裝在固定的地方，移動式噴灌便于機組的轉移。

滴灌是利用低壓管道系統將水成滴、均勻而又緩慢地滴入植物根系發達區域土壤中的灌溉形式，使作物主要根系活動區的土壤始終保持在最優含水狀態［4］。由于滴水的流量小且入土緩慢，可最大限度地減少水份蒸發，如果再有地膜覆蓋，蒸發損失將進一步減少。在滴灌條件下緊靠滴頭的土壤水分處于飽和狀態，其它部位的土壤水分均處于非飽和狀態，土壤水分的入滲和擴散主要借助于毛管張力進行。

1.2智能灌溉技術

智能灌溉，是指系統能夠自動感測作物的溫度、濕度等生長環境，并結合光照、氣象等多種因素進行分析判斷，最終做出是否灌溉執行的一種灌溉方式。智能灌溉系統涉及到傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、無線通信技術等多種高新技術，基本使用噴灌和滴灌等節水灌溉方式。其系統主要由五個部分組成：數據采集站，一般有溫濕度傳感器、光照傳感器、以及氣象資料的獲取等組成；傳輸基站，主要由無線傳輸模塊組成；數據處理中心，主要通過軟件編程實現；遠程監測站，通過上位機組態畫面進行實時監控；電磁閥控制站，主要通過繼電器接收信號進行控制。下面以我國常用的智能灌溉系統進行分析闡述。系統以STC89C52單片機為核心來控制繼電器實現對農田自動灌溉，系統結構框圖如圖1。

圖1　系統結構框圖Fig.1 The block diagram of system structure

1.2.1首先要做的是通過溫濕度傳感器對作物土壤溫度和濕度進行檢測。溫度和濕度是農業生產的重要因素，也是影響植物生長的關鍵環境因素。對其進行適時準確的檢測可以幫助我們及時了解作物的生長情況，以便于及時對作物采取措施，這對于提高農作物的產量和質量，以及對農作物的管理和灌溉都具有十分重要的意義。其實現方式主要通過溫濕度傳感器進行。

1.2.2其次是對光照和氣象資料的獲取。通過光敏電阻進行光照強度的檢測，如果中午光線較強烈，無論土壤干燥與否均不對其進行灌溉。因為中午光照強烈時溫度較高，作物土壤溫度也很高，而水溫一般較低，此時灌溉，可使土壤溫度驟然下降，使根部細胞代謝減弱，作物根的吸水能力明顯降低。同時，外界氣溫較高，葉片為了散熱氣孔大開，作物的葉面蒸騰量增加，植物中的水份將會出現“入不敷出”的現象，產生生理性缺水，部分細胞發生質壁分離而萎蔫，嚴重的可導致作物死亡。

通過對氣象資料的獲取可以使灌溉更加的智能化和節約用水，當獲得的氣象資料顯示未來幾天將有降雨的情況下，系統將會自動調節灌溉量。

1.2.3再次就是將感測和獲取的信息經過無線傳輸的方式發送給控制器。目前，智能節水灌溉系統對信息的傳輸方式大體分為兩種。一種是充分利用現有的移動通信網絡，將GSM或者GPRS模塊與單片機、傳感器進行結合，將采集到的土壤墑情信息通過移動通信網絡進行遠程傳輸。將移動通信網絡作為信號傳輸媒介的不足之處：

（1）移動通信網絡屬于商用通信網絡，每次通訊都會產生一定的費用，因此在一次性的安裝投入后，還需要相應的維護費用。

（2）方案所采用的GSM或者GPRS模塊費用也較昂貴。通過傳感器采集的大量數據，還需人工處理和判斷，配套的軟件工具與算法還不夠完善，從一定角度來講，還不能算是真正意義上的智能控制系統。

另一種是采用ZigBee技術。ZigBee是一種無線自組網，由ZDO所定義的Coordinater發起網絡，其他設備會自動搜尋網絡并加入其中，同時ZigBee網絡還具有較強的自愈能力，抗擊毀能力，具有較高的系統穩定性［5］；同時避免了布線的巨大工程量，并且布設靈活。基于上述分析，可以將ZigBee技術的特點歸納如下：

（1）低功耗。ZigBee技術主要應用于近距離通信，因此收發信息的功率不高，再加上網絡設備節點使用的是休眠喚醒工作模式，最終使得其功耗較低。

（2）低成本。通過大幅簡化協議，降低了對通信控制器的要求，而且ZigBee免協議專利費。

（3）無線自組網。由ZDO所定義的Coordinater發起網絡，其他設備會自動搜尋網絡并加入其中，同時具有較高的系統穩定性。

1.2.4最后控制器接收到田間信息后經過不同的算法對其進行處理，獲得是否灌溉和灌溉量的多少，再通過ZigBee網絡將灌溉信息傳送給繼電器，由繼電器控制電磁閥進行灌溉執行。對于不同的灌溉區域可以通過控制不同的電磁閥實施針對性灌溉，避免了過量灌溉的風險。

2　國內外智能灌溉的研究現狀

2.1國外現狀

灌溉自動化始于20世紀30年代，首先由法國提出一套較為完整的自動化灌溉理論，并研制可以實用的自動化水力溝渠閘門系統。50年代以來，由于電子科技與計算機技術的快速發展，使灌排工程自動化變成可能。自動灌溉控制模式由早期的現場分項分散控制發展到可以實現遙測、遙控的集中控制模式，并在西方發達國家得到先行應用和發展［6～11］。

Phena和Howell（1984年）、Phene（1989年）將土壤濕度傳感器引入到灌溉系統的控制中，通過傳感器獲得土壤濕度數據，并傳給控制系統進行灌溉決策，使作物根部水分總能滿足自身生長需求。1990 年Fangmerier等人研制了將紅外線熱電偶與空氣濕度器、土壤濕度傳感器進行整合的自動化灌溉控制器。Phene等人于1992年將作物蒸騰量引入滴灌系統計算。Ismail和Alshooshan（1996年）將電子張力計測量土壤濕度引入到灌溉反饋系統。同期澳大利亞的HARDIE IRRIGATION公司研發出為控制大面積灌概使用的MICRO-RGATIONTM系統。該系統采用主分機的雙向通信技術，使用微機對其進行編程控制，并能對灌概系統的工作狀態進行隨時監控［12］。ZigBee無線通信技術的應用可以及時準確的對生態環境、城市交通以及工業控制等進行監測。在農業方面，2002年英特爾公司率先在俄勒丙州葡萄園中建立了第一個無線傳感系統。該系統通過傳感器節點間歇性的對土壤溫度、濕度及該區域有害物的數量進行檢測，以確保葡萄生長品質，進而獲得最優的經濟效益［13］；2008年葡萄牙UTAD的Raur等人研究了將ZigBee技術用于葡萄園的精密栽培，并將太陽能、水動能和風能引入到電源管理中解決了ZigBee網絡的電能供應問題［14，15］；同年西班牙的Ruiz等人對水果的冷藏運輸進行改進引入ZigBee實時監控系統［16］；2009年西班牙Riquelme等人結合802.15.4協議和GIS技術研究了適用于設施環境精準農業的無線傳感網絡遠程控制技術，通過INTERNET使用筆記本電腦或PDA可隨時隨地了解作物環境情況。

國外智能灌溉技術起步較早，發展較為完善。隨著傳感器和計算機技術的日趨成熟以及灌溉用水管理軟件的開發和應用，使得智能灌溉得到較大程度的發展。基本上已經達到了信息化、自動化、多功能化的水平［17］。總體來講，國外智能節水灌溉技術具有以下特點：

（1）根據實時氣象數據按需灌溉。氣象條件的波動及植株的不同生長階段，作物的蒸散量會發生變化。智能灌溉可以根據采集的氣象數據和不同作物系數確定作物的需水量，然后調整灌溉量以達到按需灌溉的目的。

（2）避免過量灌溉。土壤對水的保持能力是有限的，超過此上限時植物根區以下水份會滲透流失。智能控制可以通過調解設定量，使灌溉深度控制在植物根系周圍，同時為了避免徑流損失，還可進行間歇灌溉。

（3）系統流量管理和分區灌溉。首先根據不同作物需水量的不同，將灌溉分成若干區域，再根據每個主管或干管的流量設定開啟閥門的數量，以保持正常工作壓力和泵站的高效運行。

（4）合理利用天然降水。灌溉中央控制系統可根據季節和氣象變化調整灌溉制度，使滲入到土壤中的有效降雨充分利用。

2.2國內現狀

20世紀80年代，特別是90年代以后，節水灌溉在我國得到了迅速推廣，并從國外引進了大量灌概設備。同時也存在著較為突出的問題，首先是國外引進設備沒有考慮到我國的氣候、土壤條件、作物類型等因素，并不符合我國的農業發展的實際情況；其次就是引進的設備價格太過昂貴［18］。目前農業節水灌溉裝備應用（指農業方面的節水灌溉的利用）總體呈現西快東慢、中部遲緩的狀況，如新疆、甘肅、寧夏、內蒙、山西等省已經把節水灌溉成功應用在棉花、玉米、馬鈴薯等大田作物上，而中東部節水灌溉應用只限于目前的蔬菜、瓜果等設施農業種植方面［19］。北方地區如北京、天津、山東和河南低壓輸水灌溉技術應用的較好，主要在山區重點發展噴灌技術［20］。近年來黑龍江省對節水灌溉的投入不斷增加，但問題也十分明顯。選擇的灌溉方式沒能和農村單家獨戶的耕作現狀進行有效結合，又加上運行費用高和種植結構調整不到位，使得灌溉設備基本上處于閑置狀態［21］。寧夏通過對引黃灌區水費的調節，使其在2000年基本杜絕了“大水漫灌”、“洪水入溝”、“漫灘漫流”的傳統灌溉方式，實施了如小洼灌、水稻控制灌、噴灌、滴灌等節水灌溉［22］。新疆屬于世界上著名的干旱地區，具有典型的大陸干旱性氣候。全疆灌溉面積占耕地面積的90%以上。新疆地區的膜下滴灌施肥技術處于世界領先水平［23］。南疆地區降水少，主要應用渠道防滲、噴灌技術以及低成本的滴灌技術等［24］。福建省不斷引進推廣國內外先進節水灌溉技術和設備，在渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌技術和微灌技術等方面不斷引進新技術、新設備、新材料［25］。甘肅農墾區土地資源豐富，地形平坦，土壤肥沃，農業經濟相對較發達，但農業生產長期受到干旱、風沙、鹽堿三大自然災害的威脅，灌溉大部分依靠渠道，地下水的開采過量，造成防護林帶和地下水位的破壞。經過多年努力，甘肅農墾現已成為全國最大的滴灌工程示范基地［26］。

雖然節水灌溉技術得到大面積的推廣和應用，但針對精準農業的智能節水灌溉控制技術起步較晚。方旭杰等，針對麗水黑木耳的種植模式，研究設計了基于ZigBee技術的無線智能灌概系統。系統運行的可靠性良好［27］。王益祥等研制了由嵌入式測控終端和中央監控計算機組成，采用ZigBee和GPRS技術進行通信的微灌監控系統。該系統實現了辦公室內對灌溉現場的控制［28］。何龍等在杭州美人紫葡萄培養基地安裝了無線傳感網絡的監控系統，通過對土壤水分、養分、溫度、濕度和光照等信息的實時采集分析，并根據葡萄不同生長階段的供水需求進行自動控制灌溉，取得較好灌溉效果［29］。高峰等利用無線傳感網絡技術對作物水分監測系統進行研究。實現了信息采集節點的自動部署以及數據自組織傳輸，能夠實現對遠程作物需水信息的監測［30］。韓華峰等針對溫室環境數據信息監控特點，進行了基于ZigBee協議的傳感器節點技術的開發，并在此基礎上組成現場監控無線傳感器網絡，通過網絡匯聚節點與無線移動網絡（GPRS/CDMA）和INTERNET的無縫連接，實現數據遠程傳輸至指定數據庫服務器［31］。

3　結論

3.1實現智能灌溉的難點

3.1.1作為通信協議的一種，ZigBee無線網絡同樣存在通信的有效性與可靠性問題。如何通過網絡拓撲結構以及冗余的路由方式來提高ZigBee節點的鏈接可靠性是ZigBee技術的一個難點。

3.1.2當農場面積較大時，工程布線將成為一個繁瑣的問題，因此應用中采用干電池或者太陽能板對無線傳感器節點進行供電。ZigBee技術無線射頻信號的收發對于能耗的要求較為嚴格，因此如何在保證通信的基礎上，盡可能的減少通訊次數實現網絡生命周期的最大化，也是ZigBee技術的一個難點。

3.1.3如何利用ZigBee網絡節點的運算處理能力對傳感器采集的數據進行濾波與自適應加權運算，并在數據的最終匯集點通過先進的數據融合方法對土壤濕度、溫度、氣象、水文、以及各種不同作物的特性等因素進行融合，進而做出灌溉決策，以達到真正意義上的智能灌溉控制，同樣是智能灌溉的一個難點。

3.2智能灌溉的發展趨勢

隨著計算機技術和通信技術的迅速發展，以及各類傳感器的系統化。再加上我國農業產業結構調整要堅持以經濟效益、社會效益、生態效益相統一的原則。使得我國智能灌溉的發展趨勢為：

（1）集成化及智能化程度越來越高。

（2）新的控制理論和多功能傳感器逐步得到應用。

（3）走規模化生產經營的道路以及精準灌溉。

多功能、低能耗、低成本、智能化、精準化、綠色化的節水灌溉裝備，以及農業工藝和生物節約水措施將逐步應用于灌溉農業［32］。

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doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.008

中圖分類號:S275

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7782（2016）01-0023-05

基金項目：新疆維吾爾自治區農機局新機具研發項目（2015011）

通訊作者：郭 輝占用水總量的63%，由于渠道滲漏、大水漫灌等多種原因，使得我國農業用水的有效利用率僅為45%左右，遠低于美國等發達國家70%～80%的水平［2］。

The application status of Intelligent Irrigation Technology

Sheng-hui1，Guo-hui2※，ZHANGXue-jun1，CHENGHen-feng1
（1.Mechanical and Traffic College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，XinJiang China；2.Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Equipment Innovation Design Laboratory）

Abstract:With the shortage of water resourcesand the promotion of agricultural mechanization，the requirementsof agricultural irrigation are increasingly improved.The intelligent irrigation is produced.Intelligent irrigation system involves many new technologies，such as sensor technology，automatic control technology，ZigBee wireless communication technology，etc. It makes the soil moisture，temperature，weather，hydrology，and the characteristics of different crops and other factors for the integration of the final decision to make irrigation.In accelerating the agricultural production digitization，informationization，it also improvesthe production efficiency of agricultural irrigation to better realize the saving water resourcesand the demand for irrigation.

Key words:Intelligent irrigation；Sensor；ZigBee；Water-saving