基于無線傳感網絡的茶園智能化噴灌系統

蔡 彬，繆子梅，褚琳琳，肖夢華(.江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 0；.河海大學水利水電學院，南京 0098；.浙江省水利河口研究院，杭州 000)

江蘇是中國享有盛譽的古茶區之一，茶葉歷史悠久，以單位產量高、生產效益好、名茶影響大等顯著特點，在全國茶產業中占有重要地位[1]。茶葉生長所需水分主要依賴天然降水，然而由于江蘇省降水量時空分布不均，茶葉產區存在伏旱和秋旱現象。為確保茶樹正常生長的基礎上提高茶葉產量和品質，補充性灌溉尤為重要。

研究表明，通過改變影響茶園的溫度、濕度、光照強度等小氣候因子，噴灌在改善茶園土壤物理條件和土壤養分狀況等因素，從而有效改善茶葉的產量和品質方面具有獨特優勢[2,3]。隨著現代工業向農業的滲透和微電子技術的廣泛應用，以及計算機硬件、軟件的飛速發展，智能化噴灌技術應運而生。智能化噴灌技術是一種將灌溉、施肥、及根據不同作物進行智能化精準噴灌有機結合的綜合性技術，它是通過計算機解析控制，根據植物不同生育期的耗水量，對作物進行精準給水噴灌。

從最早的水力控制、機械控制，到目前應用廣泛的計算機控制、模糊控制和神經網絡控制等，控制精度、智能化程度及可靠性越來越高，操作也越來越簡便。我國智能化噴灌產業的發展到目前為止大致可分為引進、仿制、一定的自主研發生產這3個過程。經過30多年的發展，噴灌產品門類和系列基本配套，形成了噴灌噴頭、管材與管件、凈化過濾設備、施肥設備、控制及安全裝置等五大類噴灌產品。較有規模的噴灌設備生產企業已有20～30家，但智能化噴灌技術比較落后，由于缺乏信息采集設備和變量灌溉控制設備(變量噴頭、變量供水設備、壓力調節器等)，技術尚不成熟。同時已有的智能化噴灌系統存在絕大多數僅考慮作物需水信息的采集，為實現根據需水信息的自動化控制；或灌溉控制系統僅考慮單一因素，未考慮環境因素；或僅在室內環境下進行，未在野外環境下的驗證等問題[4-6]。

綜上所述，在精確采集茶樹需水信息和土壤、氣象相關信息的基礎上，結合無線傳感器網絡、數據庫技術、PLC技術開發智能化茶園噴灌系統，旨在實現自動精確灌溉，實現農業灌溉技術現代化提供技術支撐。

1 智能化噴灌系統組成

智能化噴灌系統由監測裝置和執行裝置組成。監測裝置監測數據包括茶樹生長區域內不同土層深度的土壤濕度、溫度、鹽分傳感器，以及降水、溫度、濕度等氣象數據，通過系統軟件和LABVIEW實現灌溉監控；執行裝置是利用灌溉控制器、變頻器、PLC、電機、水泵、電磁閥、田間檢測設備通過，無線傳輸實現變頻恒壓灌溉。 技術人員首先通過監測裝置讀取的茶樹不同生長期的需水參數，及傳感器采集的實時土壤數據，建立茶樹生長信息數據庫，制定一套符合地區性茶葉生長的灌溉制度。通過執行裝置完成灌溉(見圖1)。

圖1 系統組成圖

2 智能化噴灌系統的設計

2.1 試驗區概況

該試驗區位于中國江蘇省鎮江市南山茶場，茶園的地理坐標為31°56′N, 119°10′E。試驗從2016年3-12月。試驗區的規模面積是4.333 hm2，供試作物為白茶。2016年3月，由于試驗基地茶林面積大，茶苗行間距為120 cm，苗間距為52 cm。根據茶園田塊分布形狀，土壤狀況，噴頭射程太近，管道密度大，噴頭多，每次安裝的工作量大；射程太遠，水泵功率大，水滴打擊強度大，影響茶林幼苗的生長，霧化指標不好。因此我們選用了中等射程的20PY2型噴頭，在噴頭出口壓力為350 kPa時，噴頭流量為Q=3.2 m3/h，實際測量有效噴灑半徑達R=16.8 m，完全符合茶林生長的要求。

選擇搖臂式20PY2噴頭，其設計單噴頭強度4.5 mm/h，霧化指標3680。根據茶園分區灌溉的要求，選擇U-PVC耐壓型給水管道，公稱壓力達到1.25 MPa，主供水管為D90，分供水管道分別為D70，D50、D32；噴頭立管選擇DN25鍍鋅鋼管和閥門井，并在地面處加水泥塊加以固定。根據茶園不規則形狀，設計劃分4個區域。每個區域路管道設立11～14個噴水噴頭和閥門，分區灌溉。選擇ISG80-200型水泵作為噴頭的供水水源，設計流量50 m3/h，揚程50 m，電機功率15 kW。

試驗觀測的太陽輻射平衡要素為太陽總輻射、冠層的反射率、從大氣層向下的長波輻射、從茶園冠層向上的長波輻射，觀測儀器型號為CNR-4 (Kipp&Zonen, the Netherlands)，儀器安裝在離地面2.5 m處。土壤熱通量由安裝在距地面2 cm深處的土壤熱通量板HFP01-L10 (Campbell, USA) 測得。5個不同土壤深度(5、10、20、50和70 cm)處分別安裝了Hydra Probea探頭傳感器，用來測量土壤的含水率和土壤的溫度。冠層以上1.5和2.0 m處的空氣溫度和相對濕度用型號為HMP155A(Vaisala, Finland)溫濕度傳感器進行測量。所有儀器在試驗開始前均已經過校核。三杯式風速計A100L2 (MetOne，USA)安裝在地表以上2 m處用來測量風速。雨量傳感器TE525MM (Campbell, USA)用來測量降雨量。所有檢測數據每10 s取樣一次，平均每10 min通過數據記錄儀CR3000-NB (Campbell，USA)記錄。本研究區域主要盛行風是西風，試驗區左右200 m處它們有類似的作物覆蓋及相似的灌溉制度，因此沒有考慮風速的影響。波文比能量平衡法用來估算茶園每小時的蒸發蒸騰量。

2.2 灌溉制度確定

根據作物生長生理耗水需求，以及試驗地區氣象條件，確定茶園高產優質灌溉制度。

旱作物生育期任意時段內，土壤計劃濕潤層內水量平衡方程可以表示為：

Wt-W0=P0+K+I+ETc

(1)

式中：Wt與W0分別為計算時段末與時段初土壤計劃濕潤層內的儲水量；P0為有效降雨量；K為時段內地下水補給量；I為凈灌溉水量；ETc為作物實際蒸騰蒸發耗水量。

根據茶樹生長期內不同生育階段、不同氣候狀況下對水分的需求量，制定基于茶園實際耗水過程的精確灌溉制度(見表1)。

2.3 噴灌智能化系統

配電系統在確保噴灌設備正常啟動的基礎上，開發了智能化自動灌溉的設備形式，配套安裝了與茶園安裝的檢測儀的通訊模塊，建立了模塊之間的通訊協議，通訊模塊的性能參數如下。

(1)三進四出2.4G無線通信I/O模塊，使用2.4G無線通訊方式；設備無線通訊地址可以設置；自動識別設備功能，同樣地址的設備即插即用；設備之間硬件自動應答實現身份確定，確保數據通訊穩定可靠不丟碼。

表1 茶園灌溉制度的確定及水量平衡分量的旬變化規律

(2)模塊產品 PC端支持RS232和RS485可選,波特率可選(1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600，115 200 bps)，通訊線路TVS硬件保護，達到+-15 kV和600 W高強的抗干擾性。

(3)檢測儀是根據土壤干濕度和茶葉葉片的蒸發量及氣候條件等檢測的結果，發送噴灌信號。由檢測儀通過PLC RS485發送無線信號到機房，機房的接收通訊模塊通過比對確認接收到無線信號后，即產生I/O輸出電平信號，電氣柜中的小型繼電器(KM1)接收信號閉合后做如下動作要求：①KM1閉合后，KA2和KM3閉合，啟動真空泵抽真空，同時抽真空管道上的電磁閥打開，管道抽真空上水，抽真空的時間根據現場實驗數據預先在數字時間繼電器KTI上設置。在KTI經過預先設定的時間后時間繼電器KT1由常閉轉為常開，即真空泵和電磁閥斷開，同時KT1的延時閉合端閉合啟動，主線路KA1閉合，即灌溉給水泵啟動，管道上水，對茶園進行噴灌。②經過一段時間的噴灌后氣象檢測儀根據檢測土壤干濕度和茶葉葉面的灌水量的結果達到需要的灌水量，又發送一個無線指令信號，機房的接收通信模塊通過比對確認接收到無線信號后，及又產生I/O輸出電平信號，切斷電氣柜中的小型繼電器(KM1)動作要求，KM1斷開，導致KA1斷開，灌溉泵停止運行，完成了茶園一次智能化的精確灌溉的要求(見圖2)。

(4)無線網路控制系統拓展。無線通訊模塊通過拓展，不僅能接收氣象檢測儀的信號，還可以接收手機的信號，通過手機實時查看氣象資料，監測茶園的實時情況，發送通訊信號，啟閉機房的噴灌設備，通過手機視頻查看機房的水泵等設備的運轉實況，與物聯網通訊，實時檢測茶園的茶葉生長情況，實現農業智能，無線遙控現代化的茶園(見圖3)。

圖2 電氣圖

圖3 通訊測試界面

3 結 語

本文根據茶園實際需求，結合傳感器技術、數據庫技術、PLC技術，開發了一套智能化噴灌系統。該系統可以實現茶園土壤及大氣相關參數自動監測，并根據茶樹不同生長期不同水分需求進行智能化灌溉。該系統能適時、適量進行灌溉，在提高工作效率的基礎上，實現精準灌溉，提高科學管理水平，且運行可靠，穩定性高。

但由于智能自動化噴灌是根據氣象土壤檢測儀對氣候變化，土壤干濕度的檢測分析結果發出的噴灌指令，噴灌噴水時間滯后且范圍有偏差，今后應修改土壤檢測探頭的檢測信號和軟件程序，將滯后的時間提前發出無線信號，做到精確灌溉。

[1] 陶徳臣．江蘇茶葉發展述論[J]．農業考古，2013，(2)：259-266．

[2] 徐延軍，陳為鑄．茶園中的節水灌溉技術[J]．農機科技推廣，2004，(11)：35．

[3] 諶介國，劉志明，張振德．茶樹需水規律和茶園噴灌的研究[J]．中國農業科學，1985，(2)：36-43．

[4] 韓安太，何 勇，陳志強，等．基于無線傳感器網絡的茶園分布式灌溉控制系統[J]．農業機械學報，2011，42(9)：173-180．

[5] 蔡甲冰，劉 鈺，雷廷武，等．精量灌溉決策定量指標研究現狀與進展[J]．水科學進展，2004，15(4) ：531-537．

[6] 龔道枝，雷志棟，郝衛平．基于果樹需水信號的精量灌溉控制理論與技術[J]．灌溉排水學報，2009，28(4) ：6-9．