基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻田精準(zhǔn)水位自動供水裝置研究

摘要：針對傳統(tǒng)水稻田灌溉方式存在的水位控制不精準(zhǔn)、資源浪費嚴重以及灌溉管理效率低下的問題，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)水位自動灌溉裝置，并進行了田間性能評估測試。試驗以早稻、中稻和晚稻為研究對象，將自動供水裝置與傳統(tǒng)人工灌溉方式進行了對比分析。結(jié)果表明，該裝置水位控制精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法（±2 cm vs ±10 cm以上），節(jié)水率達30%～40%，水稻分蘗數(shù)和產(chǎn)量均提高了10%～15%，使稻米品質(zhì)顯著改善，展示出較為良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；自動供水裝置；水稻田；節(jié)水灌溉

水稻作為中國重要的糧食作物，對糧食安全和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展具有決定性作用。在水稻生長過程中，水分管理至關(guān)重要。灌溉的精準(zhǔn)控制不僅直接影響作物的生長發(fā)育，還關(guān)系到水資源的高效利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。然而，傳統(tǒng)灌溉方法主要依賴人工經(jīng)驗，存在水位調(diào)節(jié)精度不足、資源浪費嚴重、勞動負荷高等諸多缺陷。這些傳統(tǒng)方式已逐漸難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，通過改良灌水方式和合理安排灌水時段，節(jié)水灌溉技術(shù)實現(xiàn)了對農(nóng)田土壤水分的合理配置[1]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其實時感知、智能控制和精準(zhǔn)管理等優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)可以對農(nóng)田土壤環(huán)境及作物生長環(huán)境實時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析確定農(nóng)作物的灌溉需求，從而精準(zhǔn)控制灌溉時間和水量，為作物調(diào)節(jié)適宜的生長環(huán)境，減少旱澇出現(xiàn)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)原理

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

水稻田水位自動供水裝置是由傳感器模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、中央控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和太陽能供電模塊組成。其中，傳感器模塊包括土壤濕度傳感器、水位傳感器和環(huán)境溫度傳感器，用于實時采集稻田的環(huán)境數(shù)據(jù)；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊負責(zé)將傳感器所采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至中央控制系統(tǒng)；中央控制系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略生成精準(zhǔn)的控制指令；執(zhí)行機構(gòu)主要由水泵與閥門組成，按照中央控制系統(tǒng)指令完成精確的自動供水操作；太陽能供電模塊則為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的可再生的電力供應(yīng)，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

1.2 技術(shù)原理與工作流程

水稻田水位自動供水裝置首先通過傳感器模塊對土壤濕度、水位及環(huán)境溫度等參數(shù)進行實時數(shù)據(jù)采集，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)依據(jù)實時數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)參數(shù)，采用智能算法進行分析決策，確定是否需要啟動給排水操作。隨后，中央控制系統(tǒng)向執(zhí)行機構(gòu)（水泵與閥門）發(fā)送控制信號，精準(zhǔn)控制灌溉水量，實現(xiàn)智能化的給排水。完成灌溉操作后，系統(tǒng)自動進入下一輪監(jiān)測與控制循環(huán)，持續(xù)自動化運行，以確保水稻田的水位始終保持在理想狀態(tài)，見圖1。

2 試驗方法與方案

2.1 試驗地點與材料

試驗地點選取位于江蘇省鹽城市，該地區(qū)四季分明，降水量充沛且分布均勻，適宜水稻種植。試驗田土壤類型主要為壤土，土質(zhì)肥沃，排灌條件良好。為客觀評價本裝置性能，本試驗將試驗田劃分為兩個相等的區(qū)域，分別設(shè)定為自動供水區(qū)和傳統(tǒng)手動供水區(qū)，每一區(qū)域面積約333.33 m2。兩個區(qū)域相鄰但相互獨立，并設(shè)立有效隔離，以防止灌溉操作相互影響。

2.2 試驗設(shè)計與實施步驟

為準(zhǔn)確評估本研究中所開發(fā)的自動供水裝置的性能和優(yōu)勢，試驗過程中重點監(jiān)測水稻生長過程中幾個關(guān)鍵階段的數(shù)據(jù)指標(biāo)，具體階段包括播種期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期以及灌漿期。在每個生長階段，均明確界定了以下關(guān)鍵測量指標(biāo)：

（1）環(huán)境參數(shù)：包括田間水位、土壤濕度、降雨量和溫度等。

（2）供水參數(shù)：詳細記錄自動供水系統(tǒng)和人工手動灌溉的每次供水量、供水時間、頻率等灌溉操作數(shù)據(jù)。

（3）生長指標(biāo)：包括水稻的分蘗數(shù)、株高、葉面積、生物量、成熟期產(chǎn)量，以及稻米品質(zhì)指標(biāo)（如堊白率、直鏈淀粉含量等）[2]。

數(shù)據(jù)采集的頻率嚴格控制在每日定時進行（例如早上8∶00和下午16∶00），并在出現(xiàn)特殊天氣（如暴雨或高溫）時進行額外觀測。生長指標(biāo)如株高、葉面積和分蘗數(shù)每隔1周進行測量，水稻成熟期則對各區(qū)域產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)進行全面、統(tǒng)一評估和測定，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與連續(xù)性。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

本研究在試驗數(shù)據(jù)分析階段采用嚴謹科學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法：

（1）數(shù)據(jù)整理：使用Excel和SPSS軟件對試驗期間記錄的水位、土壤濕度、降雨量、灌溉量等數(shù)據(jù)進行分類整理，保證數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性與可追溯性。

（2）水位控制精度分析：分別計算自動供水區(qū)域和手動供水區(qū)域的水位波動幅度，分析兩種灌溉模式的水位波動范圍差異，采用標(biāo)準(zhǔn)差分析法明確評估兩種模式的精準(zhǔn)控制能力。

（3）節(jié)水率計算：對不同品種的水稻在不同生長階段的節(jié)水效果進行分析和對比。采用以下公式計算各生長階段的節(jié)水率。

式中，η為節(jié)水率，Wt表示傳統(tǒng)手動供水量，Wa表示自動供水量。

（4）產(chǎn)量與品質(zhì)分析：針對水稻的生長指標(biāo)（株高、葉面積、分蘗數(shù)）及成熟期產(chǎn)量和稻米品質(zhì)指標(biāo)，采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）評估兩種灌溉模式間差異的統(tǒng)計學(xué)顯著性，并結(jié)合實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，綜合評價自動供水裝置的應(yīng)用優(yōu)勢。

通過上述試驗方法與嚴格的數(shù)據(jù)分析，客觀評價該自動供水裝置的灌溉效果、節(jié)水能力，以及對水稻生長、產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，驗證該系統(tǒng)在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的適用性和推廣前景。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 水位控制精度分析

為系統(tǒng)評估本研究所提出之水稻田水位自動供水裝置在灌溉水位管理中的控制精度，本文對裝置在實際稻田環(huán)境中運行時的水位波動情況進行了量化分析，并與傳統(tǒng)人工灌溉方式進行了對照試驗。結(jié)果顯示，自動供水裝置基于高精度水位傳感器的實時監(jiān)測與中央控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)機制，能有效將稻田水位穩(wěn)定控制于預(yù)設(shè)閾值內(nèi)，其水位波動范圍被限定在±2 cm以內(nèi)，表現(xiàn)出高度一致性與精準(zhǔn)性。

相較之下，傳統(tǒng)手動灌溉方式嚴重依賴操作者的經(jīng)驗判斷與巡視頻次，調(diào)節(jié)滯后性顯著，且難以實時響應(yīng)外部環(huán)境的動態(tài)變化。實測數(shù)據(jù)顯示，其水位波動范圍常常超過±10 cm，存在較大幅度的上下波動，水層過深或水分虧缺現(xiàn)象頻繁發(fā)生，直接影響水稻根系通氣性與養(yǎng)分吸收效率，見表1。

進一步分析表明，在雨水頻繁或蒸騰作用劇烈的階段，自動供水裝置依然能夠維持穩(wěn)定的調(diào)控性能，實時響應(yīng)水位變化，動態(tài)調(diào)整灌溉策略，有效避免了過灌與水分虧缺的風(fēng)險，體現(xiàn)出良好的調(diào)控靈敏性與控制穩(wěn)定性。

3.2 節(jié)水性能分析

試驗期間對早稻、中稻和晚稻不同生長期的灌溉總水量進行系統(tǒng)記錄與分析。數(shù)據(jù)表明，自動供水裝置相較于傳統(tǒng)手動供水在各生長期均表現(xiàn)出明顯的節(jié)水優(yōu)勢。其中，早稻階段節(jié)水率為30.00%，中稻為28.77%，晚稻為28.13%，總體節(jié)水效率可達30%左右，見表2。

此外，從降雨資源利用角度分析，自動供水系統(tǒng)通過實時感知土壤濕度與降雨動態(tài)，合理避開不必要的灌溉操作，有效提升了自然降雨的利用率，在中稻與晚稻階段分別達到65.46%和69.60%，顯著高于傳統(tǒng)模式下的經(jīng)驗性調(diào)水方式，見表3。

利用方差分析方法對兩種灌溉模式在各階段的水量差異進行顯著性檢驗，若計算所得Plt;0.05，就表示差異顯著，反之則認為不顯著[3]。結(jié)果表明差異在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著性（Plt;0.05），驗證了自動供水裝置在精準(zhǔn)灌溉和水資源高效利用方面的有效性，見表4。這一成果為稻田節(jié)水灌溉模式的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支撐與實踐依據(jù)，尤其在水資源緊張地區(qū)具有廣闊的推廣前景。

3.3 對水稻生長的影響分析

在水稻各關(guān)鍵生育階段，尤其是分蘗期、抽穗期與灌漿期，試驗結(jié)果表明，采用自動供水裝置的區(qū)域在作物生長表現(xiàn)方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)手動灌溉區(qū)。分蘗期內(nèi)，因灌溉水分供給更加精準(zhǔn)且時效性更高，自動供水區(qū)域平均分蘗數(shù)相較于傳統(tǒng)區(qū)域提升約10%～15%，有效促進了群體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與分蘗活力的維持。

產(chǎn)量測定結(jié)果進一步驗證了灌溉優(yōu)化對農(nóng)藝性狀的正向驅(qū)動作用：自動供水區(qū)域單位面積產(chǎn)量較傳統(tǒng)供水區(qū)提升約10%～15%。在品質(zhì)層面，自動供水處理稻米的堊白率明顯降低，直鏈淀粉含量則表現(xiàn)出更優(yōu)數(shù)值，體現(xiàn)出精準(zhǔn)水分管理對籽粒灌漿過程與品質(zhì)構(gòu)成的良性調(diào)節(jié)作用，見表5。

4 結(jié)論與展望

本研究圍繞水稻種植過程中水分精準(zhǔn)管理的關(guān)鍵需求，設(shè)計并開發(fā)了一種集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻田水位自動供水裝置，并通過實地試驗對其灌溉性能、節(jié)水效益及作物響應(yīng)效果進行了系統(tǒng)評估。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對稻田水位的動態(tài)監(jiān)測與智能調(diào)控，水位控制精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)手動灌溉方式，水位波動被有效控制在±2 cm以內(nèi)。相較之下，傳統(tǒng)灌溉模式因人為操作滯后導(dǎo)致的水位波動超過±10 cm，存在較大不穩(wěn)定性。

在節(jié)水性能方面，本裝置在不同生育期均表現(xiàn)出顯著的節(jié)水效果，其節(jié)水率可達30%左右，而且節(jié)水優(yōu)勢在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著性（Plt;0.05），這充分驗證了其在資源高效利用方面的現(xiàn)實意義。

從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，本裝置在長期運行中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性，尤其在太陽能供電模式下展現(xiàn)出高效、低碳、可持續(xù)的運行能力，滿足了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對智能化、綠色化發(fā)展的技術(shù)訴求，模塊化設(shè)計為設(shè)計、制造、使用各方面都帶來了便利，最終達到了增加企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的[4]。

綜上所述，本研究不僅驗證了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動供水裝置在稻田灌溉管理中的顯著優(yōu)勢，也為智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)在精細化灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用提供了切實的理論支撐與實踐路徑。未來工作將著眼于系統(tǒng)算法優(yōu)化、多源傳感集成及平臺化控制界面開發(fā)，以推動裝置在更廣泛生態(tài)區(qū)的適應(yīng)與推廣，更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施。

參考文獻

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