智能化精準灌溉在農業生產中的探索與應用

董啟興　吳萍　姚菲

【摘要】我國是一個農業大國，又是水資源嚴重短缺的國家，利用有限的水資源發展高效農業是現代農業發展的一個目標和主題，而智能化精準灌溉是實現這一目標的有效途徑。該系統將田間監測傳感器、控制器與互聯網相結合，使其與人之間的互動不再局限于空間，變得更為方便，且有利于實現高產高效。其可靠性高、靈活性強、易于操作，有廣泛的推廣和使用價值，發展前景良好。

【關鍵詞】智能化；精準灌溉；遠程控制；探索；應用

【Abstract】As a large agricultural country and a country with severe water shortage， developing a productive agriculture with limited water resources is a goal and theme of modern agriculture. Intelligent precision irrigation is an effective way to achieve this goal. The system combines field monitoring sensors and controllers with the Internet to make it more space-efficient and easier to interact with people， and to facilitate high productivity and efficiency. Its high reliability， flexibility， ease of operation， a wide range of promotion and use of value， good prospects for development.

【Key words】Intelligent；Precision irrigation；Remote control；Exploration；Application

1 基本情況

1.1國內水資源狀況及用水情況。

我國是一個水資源嚴重短缺的國家。淡水資源總量為28000億m3，人均只有2200m3，僅為世界平均水平的1/4，扣除汛期的排洪泄流和其他難以利用水資源后，實際可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億m3左右，人均可利用水資源量不足900m3。在農業、人類生活、工業、生態和服務行業等用水類型中，農業用水約占總用水量的65%左右。

1.2國內現有的灌溉方式及存在的一些問題。

中國是一個農業大國，人口眾多，農業問題是關系到國計民生的大問題。目前，國內的灌溉主要有畦田灌、溝灌、噴灌、微灌、滴灌等多種節水灌溉方式，有些雖已采用了自動化管理模式，大大提高了農業生產效率，但是還缺乏智能化灌溉管理系統，沒有將作物生育期的生理需水要求與供水管理智能化地結合起來，有時會出現作物在需水時不能及時灌水，而在作物不需水時仍然灌水的情形，一方面會造成水資源的不必要的浪費，另一方面還降低了灌溉的工作效率。

2. 智能化灌溉系統的發展前景

信息化、智能化農業是推動農業經濟與科技發展的主要動力，也是世界農業發展的趨勢。我國的現代農業也正向可持續的信息化、智能化方向發展。而精準農業是伴隨著農業信息化的發展而提出的一種全新的農業經營管理思維，是信息農業發展到一定程度的必然產物。智能化精準灌溉系統就是基于現代農業技術的發展趨勢，是高效節水農業邁向更高臺階的一個目標，有著廣闊的發展前景。

3. 智能化灌溉系統工作原理及其組成

本系統包括自動化灌溉系統和田間參數監測模塊系統兩部分。它整合了電容器檢測土壤含水量、手機APP遠程控制、定點定位定量灌溉等技術。

3.1智能化精準灌溉的工作原理。

該系統采用AT89C52單片機作為主控芯片，主要由信號處理電路、電容器、驅動電路、灌溉控制器等組成。土壤電容器模塊檢測土壤的濕度，模塊在土壤濕度達不到設定臨界值時，DO輸出高電平，當土壤濕度超過設定臨界值時，模塊D0輸出低電平；小板數字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，進而通過單片機來驅動電路。檢測土壤濕度電容器通過模數轉換器輸出數字信號，由自動控制臺按田間每個灌區實際面積利用匯編語言對系統軟件進行編程，并根據編程來控制相應灌區的供水量。

3.2自動化灌溉系統。

本系統在田間定點定位設置電容器，使其檢測面積恰好能覆蓋整塊田地。電容器會將采集到的信息及時通過無線網將數據傳送到云端實時存儲，用戶可以通過云端或手機客戶端查看田間實時數據，了解作物生育情況。當土壤溫、濕度超過警戒值時，系統向用戶發送信息通知，提醒人工干預控制。用戶可以通過手機上的虛擬開關遠程控制田間的灌溉，來改變作物的土壤濕度與環境溫度，如果在報警一定時間內未完成人工控制，系統會自行啟動澆灌系統，以確保對作物的及時灌溉。

3.3田間參數監測模塊系統。

該系統通過數據編程軟件、開關控制面板、電容器、供電模塊及間水層和作物根系層土壤含水量的變化來獲得作物生長的盈虧水狀況，并反饋給中央處理器（這里主要是和預定值進行比較，將電容器傳來的土壤含水量值與當初設置的濕度臨界值進行比較。如果濕度臨界值小于當前土壤含水量值，則說明當前土壤水分含量滿足系統設定要求，不需要灌溉；如果濕度臨界值大于當前土壤水分含量，則說明土壤干涸，需要灌溉。）。關于供電模塊和田間開關控制面板，可在田間安裝太陽能電池板以實現供能，這樣既可以節約電能，又能實現環保。智能化灌溉系統適用于噴灌、微灌、滴灌等灌溉方式。其設計流程圖如下（設計流程圖見圖1）：

3.4管道排布：在實驗田分布漫灌，搖臂噴頭，微灌，滴灌等多種灌溉系統，實現全方位，無死角灌溉田地。現列舉各種灌溉優缺點如下①漫灌：在田中以小水流灌溉，略省水，可育旱作物，但是費水。②噴灌：以噴嘴擬人工降雨，省水，但是不利于喜水作物。③滴灌：田間以軟管縱橫其中，中開小口，水自口出，以滴流的方式進行灌溉，節水，但是應用范圍有局限。我們可以根據具體時段，具體植物選擇合適的灌溉方式。本設計中灌溉管路部分包括首部單元及鋪設于作物行間的分支毛管，所述首部單元又包括首部干管及兩至三個首部支管，首部干管通過三通或者四通與各首部支管連接，首部干管及首部支管上均設有電磁閥，各首部支管分別連接有分支毛管。在材料方面，該裝置管路部分的水管、三通、四通等配件均選用PPR管，它具有節能節材、環保、輕質高強、耐腐蝕、內壁光滑不結垢、施工和維修簡便、使用壽命長等優點。這樣的管路設置不僅有利于植物更好吸收水分，而且節水環保。endprint

3.5信息采集裝置：本裝置采集器主要采用RB-02S047型號的水分傳感器，分別插入田地內監測田間水層和植物根系層土壤含水量，并將水分情況通過模擬量輸出傳入信息操作控制部分XCKB中，完成信息采集工作。

3.6信息處理中心：該系統選用中央控制模式，由數據編程軟件、開關控制面板、電容器、供電模塊及其附件組成。本裝置信息處理中心是信息操作控制部分XCKB。水分傳感器將數據采集到后傳輸到XCKB中，XCKB再通過無線連接將土壤水分信息傳送到處理裝置中，再傳輸到云端實施儲存。這里主要是和預定值進行比較，模塊在土壤濕度達不到設定閾值時，DO輸出高電平，當土壤濕度超過設定閾值時，模塊D0輸出低電平；小板數字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，進而通過單片機來驅動電路。把檢測土壤濕度電容器通過模數轉換器輸出數字信號，由自動控制臺按田間每組灌區實際面積利用匯編語言對系統軟件進行編程，對每一組支流灌溉出水流量多少控制各支流電磁閥為每組灌溉區依次供水（根據植物需水量，可以自動或者人為開啟某一支路的電磁閥，開啟較合適的灌溉系統）實現灌溉再節水和技術自動化。

3.7電路控制部分：本裝置的具體控制電路圖如圖所示，我們設計在田間安裝太陽能電池板以實現供能（既可以節約電能，也可以實現環保），通過無線網絡，連接手機APP終端與灌溉實體裝置兩個部分進行遠距離控制灌溉。

3.8反饋控制機制：本裝置的反饋系統可分為手動控制系統和自動控制系統兩種方式。手動控制系統：手機APP界面窗口上，用戶可以直觀的觀測到田間的水分含量，根據作物的需水量，可以人為地手動操作打開“OFF-ON”來控制灌溉。待到土壤水分常數達到正常值后再次執行“ON-OFF”轉換，完成澆灌過程。（XCKB中主要由Seeeduino Cloud開發板和Relay Shield擴展板疊加組成。一方面，Seeeduino Cloud開發板的主要特點在于支持以太網和WiFi，是我們無線傳輸的關鍵介質所在。通過手機無線搜索連接Seeeduino Cloud開發板所發出的Wi Fi信號可以實現實時控制。另一方面，Relay Shield 擴展板通過繼電器可以實現不同路電磁閥的控制，達到進一步的灌溉效果）。自動控制系統：本裝置可以根據傳感器的感應，設定相應的水分飽和值來自動控制水流的通斷。

4. 結論

（1）該系統將田間監測傳感器、控制器與互聯網相結合，使其與人之間的互動不再局限于空間，變得更加方便。

（2）手機客戶端實時監測田間溫度、土壤濕度、作物生長、空氣濕度，直觀方便。

（3）灌溉方式多樣化，合理有效，節約環保。

（4）采用自動化與精準化的節水灌溉系統，不僅能有效節約水資源，而且還能達到省工省時的作用，從而大大提高了勞動生產效率。 此系統可靠性高、靈活性強、易于操作，有廣泛的推廣和使用價值。

參考文獻

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