基于物聯網的作物智能化精準灌溉技術研究與應用

李明平,吳德華,王愛軍,樊銘京,馬樹升*

1.山東省莒南縣水利局,山東莒南276600

2.山東省膠東調水工程牟平管理站,山東牟平264100

3.山東農業大學水土學院,山東泰安271018

基于物聯網的作物智能化精準灌溉技術研究與應用

李明平1,吳德華2,王愛軍3,樊銘京3,馬樹升3*

1.山東省莒南縣水利局,山東莒南276600

2.山東省膠東調水工程牟平管理站,山東牟平264100

3.山東農業大學水土學院,山東泰安271018

物聯網是一個可讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的互聯網。智能化精準灌溉系統中需裝置大量的智能傳感設備和智能控制設備，按照統一約定的協議將該灌溉系統中的智能傳感設備、智能控制設備等與移動互聯網相連，就實現了設備與設備之間、設備與人之間的信息交換和通信。筆者結合山東省小農水建設工程做了部分基于物聯網的智能化精準灌溉項目，達到了一定的示范推廣效果。

物聯網;智能化;精準灌溉

我國人口有13億多，人均水資源占有量世界排名在110位，人均耕地面積僅為世界平水平的40%左右。利用這有限的水土資源確保糧食安全，為歷屆政府高度重視。發展高效節水農業是解決糧食安全的基本國策，采用智能化精準化灌溉技術是實現高效節水農業的關鍵技術，也是當前節水農業研究的技術熱點之一。

隨著計算機軟硬件技術、傳感器制造技術、通訊技術、特別移動互聯網技術的快速發展，使智能化精準化灌溉發展有了強有力的技術支撐。作為從事智能化精準化灌溉技術的研究人員或應用者，要著重研究作物本身獲得高產量高品質的灌溉制度和灌水量、高效可靠的灌溉器具、精準灌溉所需要的傳感設備及控制設備[1]。

1 物聯網闡述

物聯網這個概念，早在1999年在中國就提出來了，當時叫傳感網。物聯網英文名稱叫“The Internet of things”，它是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與移動互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它包含三層意思：一是網絡采用的是移動、聯通或電信中的某一無線網絡；二是物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；三是其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間，進行信息交換和通信。這樣就為農田農作物實施智能化精準化灌溉提供了便利，因為農田中不可能敷設早期普遍應用的互聯網網線和220 V供電電纜，移動網絡的發展就為農田中所有灌溉設施中的物與物相連提供了可能，而網絡設備用電是微量的，只需采用鋰電池或太陽能電池就可以了，這樣也就免除了敷設220 V供電電纜的困擾。精準灌溉所用設備在物聯網系統中分屬為傳感感知設備的有：遠傳水表、壓力傳感器、土壤水分傳感器、電參數傳感器、攝像頭等；分屬為3G無線網絡通信設備的有：WCDMA（聯通）、EVDO（電信）、TD-SCDMA（移動）。分屬為監控中心設備的有：數據處理服務器、視頻圖像服務器等；分屬控制執行設備的有：電動閥、水泵等；分屬為能源供給設備的有：太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器等；分屬為安全可靠設備的有：避雷器及接地極、報警裝置等。具體運行是：現場傳感感知的數據按照統一約定的協議（如MODBUS協議）通過無線網絡設備上傳到監控中心數據處理服務器，經過處理分析判斷發出指令再通過無線網絡設備下達給執行設備進行工作，如開啟關閉閥門等。

圖1 日照市莒縣小店鎮小農水工程中的物聯網系統Fig.1 IoT system of little agricultural water engineering in Xiaodian Town Juxian Rizhao City

如圖1所示為日照市莒縣小店鎮小農水工程中的物聯網系統。現場傳感感知設備有監測灌溉流量用的遠傳水表、監測管道水壓用的壓力傳感器、監測土壤墑情用的土壤水分傳感器、現場監視圖像用的紅外攝像頭等；傳輸數據用的移動公司TD-SCDMA無線網絡通信設備、傳輸圖像用的聯通公司的WCDMA無線網絡通信設備。監控中心數據處理服務器用的臺灣研華工業控制機、視頻圖像服務器用的聯想計算機。控制執行設備為電動蝶閥。

2 作物需水量及灌溉制度

2.1 土壤質地及適宜含水率

作物灌溉時計劃調節控制土壤水分狀況的土層深度為土壤計劃濕潤深度H，根據該層土壤質地確定土壤適宜含水率β上限及下限值，這些數據是確定灌水定額的重要依據。傳統灌溉應首先根據已確定的作物灌溉制度中某次灌水的灌水定額(m3/畝)和灌溉面積確定出灌溉用水總量，再根據水源來水條件確定灌溉流量和灌水延續時間。

灌水定額的確定，則依據于某種作物某生育階段所要求的土壤計劃濕潤深度H和土壤質地條件由式（1）確定：m=6.67（β田-β）r H(1)

公式中涉及的作物某生育階段土壤計劃濕潤深度H、土壤含水率β田及β、土壤容重r等應根據作物種植分區、土壤空間分布變化等，進行采樣于室內分析確定。

2.2 智能化精準化灌溉之灌溉制度

在傳統灌溉模式下只要不產生徑流沖刷和深層滲漏，可盡量加大灌水定額以延長灌水周期和提高灌溉勞動效率，這樣就要求水源調節能力強水量充沛。而在水源調節能力低水量欠缺條件下進行智能化精準化監測控制灌溉，則灌水次數可以增多、每次的灌水定額可以減小、土壤適宜含水率上限及下限范圍可以壓縮。再結合考慮灌溉地面坡度和采用的灌水方法及是否結合施肥打藥等因素，確定出智能化精準化控制條件下的灌溉制度。

2.3 智能化精準化灌溉氣象影響

溫室大棚中的氣象因素易于控制。而露天栽培的作物直接受自然氣象因素影響較大，如空氣溫濕度、日照、風速、降雨等，前三項氣象因子直接影響著土壤水分騰發強度，其綜合反應可由土壤水分實時監測給出，降雨量可通過雨量傳感器進行實時監測，連同土壤水分實時監測值可直接進入智能化精準化灌溉監測控制決策系統。圖2為智能化精準化實時監測控制系統模擬圖。

圖2 智能化精準化灌溉實時監測控制系統Fig.2 The live monitoring and controlling system for intelligent and accurate irrigation

3 智能化精準化灌溉關鍵設備

3.1 灌溉用水量計量設備

灌溉用水的計量設備種類較多，如渦街流量計、玻璃轉子流量、超聲波流量計、電磁流量計等，但用于灌溉計量價格都較高，多數還得配備220 V市電。筆者與有關廠家研究開發的遠傳發信水表，價格適宜可用于智能化精準化自動灌溉控制項目。

該遠傳發信水表是由旋轉磁針和干簧管組成的傳感器系統。當磁針旋至干簧管簧片且磁力大到能克服簧片的彈力時，簧片即刻吸合短接；當磁針遠離簧片吸引力小于彈力時簧片隨即斷開，一次短接/斷開即為一個脈沖信號發出。為了提高脈沖分辨率，設計要求脈沖寬度不小于100 ms，亦即干簧管短接時間不小于100 ms。生產實踐中可根據管道流量和水表口徑大小，設計制造成1個脈沖為10 L、1個脈沖為100 L、1個脈沖為1000 L的水表。脈沖發出的頻率即為瞬時流量、脈沖累積個數即為累積水量。

水表發出的脈沖信號計算機不能直接采集，筆者是通過開發的脈沖采集累積通信模塊對水表的脈沖信號進行采集、累計和通信傳輸的。該模塊具有485通信接口和MODBUS通信協議，可方便地用于物聯網灌溉系統。

3.2 土壤水分傳感器及雨量計

土壤水分傳感器（或土壤墑情監測儀）除中國農業大學有研究產品面市外，國產設備還不多見。目前多選用德國進口的TRIME-EZ傳感器，它是基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）時域反射技術原理制造的高精度高可靠性土壤水分傳感器。它是直接測量土壤的介電常數，而介電常數又與土壤水分含量有密切關系，被測土壤含水量即可通過標準模擬電信號4～20 mA或0～1 V輸出，接入二次顯示儀表即將含水率值顯示出來，該二次顯示儀表仍具有485通信接口和MODBUS通信協議。

雨量計可采用承雨口口徑Φ200 mm的國際標準量雨筒，筒內計量組件是一個翻斗式機械雙穩態秤重機構，當雨水流入翻斗達到一定高度(比如0.1 mm)時，翻斗傾倒即輸出一個脈沖信號，如此往復即可將降雨量測定出來。土壤水分傳感器及雨量計見圖3.

3.3 預收費灌溉智能控制器

節水灌溉必須從技術和管理兩方面入手，而灌溉用水管理也需要有硬件技術作為支撐。根據作物種植面積和規范規定的某種作物灌水定額可確定出某次灌水的灌水量，于灌溉前要求預交水費并在控制器上預置灌溉水量，用經濟杠桿強化節水意識和促進節水的實施。

筆者研發的智能射頻卡控制器可為用水戶刷卡賦值后自動開閥灌溉、欠費關閥停水，它是與遠傳發信水表、電動蝶閥和土壤水分傳感器配套使用的設備。當土壤水分傳感器監測到土壤計劃濕潤層H內水分降至接近下限時，用水戶可持射頻卡在灌溉管理中心的工業控制機上預交灌溉水費進行充值、然后再在智能控制器上刷卡賦值將預交的灌溉水費轉存到智能控制器上。智能控制器見圖3。

當土壤墑情降至下限、控制器上已存有水費這樣兩個條件均滿足時，智能控制器即發出開閥或開泵信號進行供水灌溉、與此同時遠傳發信水表實時監測計量灌溉水量并同時將水量數據傳輸給智能控制器、智能控制器在接收灌溉水量數據的同時持續遞減預交的水費、當水費遞減至零時智能控制器立刻發出信號關停水泵或閥門停止灌溉。

滿足上述兩個條件方可開閥或開泵灌溉，筆者稱為土壤墑情和預交水費雙因子自動灌溉控制系統，該技術已獲得中國專利，專利號為：ZL 2011 2 0221334.3，原理見圖4。

圖3 土壤水分傳感器、雨量計、預收費控制器Fig.3Soilmoisturesensor,raingaugeandprechargecontroller

圖4 雙因子控制系統原理圖Fig.4Theprincipleofcontrollingsystemwithdoublefactors

4 生產實踐應用

自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來,物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，寫入“政府工作報告”，物聯網在中國受到了全社會極大的關注。

筆者結合最近8年來國家蓬勃開展的小農水建項目，做了一些基于物聯網技術的遙測遙控節水灌溉項目和設施大棚內的精準灌溉項目。如2010年做的日照市莒縣小店鎮項目（圖1所示）受關注度較高，2011年度山東省小農水現場會在莒縣召開并參觀介紹了該項目。之后又在日照市嵐山區瀏園茶場做了基于物聯網技術的茶園噴灌、在青島市膠州膠萊鎮做的基于物聯網技術的大棚油桃微噴灌。又在德州市陵城區、棗莊市薛城區、日照市東港區小麥、玉米等大田作物低壓管道灌溉中做了示范推廣，并針對管道灌溉急需的預收水費、刷卡開閥、水表計量、無費關停等技術需求，開發了便攜式預收費刷卡控制灌溉計量裝置系統和低水壓電磁水力驅動灌溉控制專用閥，這兩項技術設備均獲國家專利，專利號分別為：ZL 2013 2 0523711.8和ZL 2012 2 0481207.1。這些項目的實施均取得了節水節能增效、科技示范引領、經濟社會效益顯著的效果。

5 結語

物聯網是一個可讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化的重要特征。它給種植業、養殖業及水利灌溉業等各個行業帶來了前所未有的高效、精準、快捷和便利。筆者僅是在節水灌溉領域做了點粗淺的應用嘗試，就顯示出物聯網十分廣闊的應用前景。它將激勵著筆者不斷努力，繼續在節水或精準灌溉領域研究與物聯網技術相配套的灌溉設備、傳感設備及控制設備。

[1]樊銘京,謝清華,宋玉娟,等.作物智能化精準灌溉監測控制技術應用研究[J].山東農業大學學報:自然科學版,2012,43(2):299-303

Study and Application of the Intelligent and Accurate Crop’s Irrigating Technology Based on IoT

LI Ming-ping1,WU De-hua2,WANGAi-jun3,FAN Ming-jing3,MAShu-sheng3*
1.Water Conservancy Bureau of Ju’nan County Shandong Province,Ju’nan276600,China
2.Muping Management Station of Shandong Provincial Jiaodong Water Division Project,Muping264100,China
3.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

Internet of Things(IoT)is an internet which allows for interconnecting and interchanging between common physical objects which can be independently addressable.A large sum of intelligent sensor and controlling devices are needed in the intelligent and accurate irrigating system and by connecting them with the mobile internet using unified preset protocols,information exchanging and communication between device and device and devices and human can be achieved. In accordance with the construction of small-sized irrigation and water conservancy projects in Shandong Province,the author completed some intelligent and accurate irrigating projects based on IoT,which has the effects of demonstration and promotion of this technology.

Internet of Things;intelligent;accurate irrigation

S275

:A

:1000-2324(2017)01-0117-04

2016-12-10

:2016-12-23

青島市水利科技重點項目:智能化精準灌溉決策技術應用研究與示范推廣(201104)

李明平(1968-),男,高級工程師,主要從事水利土木類專業工程管理工作.

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:mashusheng8836@163.com