智能控制系統(tǒng)在灌溉工程技術(shù)中的應(yīng)用

潘 磊， 何曉靜， 李勛章， 胡騰騰， 劉飛詩

(1.常州市金壇區(qū)水利規(guī)劃服務(wù)中心， 江蘇 常州 213200； 2.江蘇省水文水資源勘測局常州分局， 江蘇 常州 213100；3.常州市金壇區(qū)水資源管理服務(wù)中心， 江蘇 常州 213200； 4.常州市金壇區(qū)水利建設(shè)管理所， 江蘇 常州 213200；5.江蘇遠(yuǎn)瀚建筑設(shè)計(jì)有限公司， 江蘇 常州 213000)

節(jié)水灌溉是實(shí)行節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)之一，而且節(jié)水灌溉與水利設(shè)施的發(fā)展息息相關(guān)。近年來，微噴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國噴灌面積已達(dá)302.5萬hm2以上，微灌面積達(dá)468.13萬hm2以上，高效節(jié)水灌溉面積達(dá)1 606.7萬hm2，居世界第二位。節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，極大提高了灌溉用水效率、促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，取得了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但我國現(xiàn)有的微灌系統(tǒng)大多采用手動(dòng)控制方式，需要灌溉管理人員手動(dòng)開關(guān)閥門，控制施肥設(shè)備，切換輪灌組，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1-4]。

智能灌溉系統(tǒng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)并呈不斷增長的趨勢。根據(jù)灌溉控制器與電磁閥、傳感器等農(nóng)田裝置之間的通信方式，目前在農(nóng)田中使用的灌溉控制器可分為3類：(a)多線控制器；(b)無線控制器；(c)雙線解碼器控制器[5-7]。灌溉系統(tǒng)的控制正逐步從傳統(tǒng)的開環(huán)控制模式向閉環(huán)控制模式發(fā)展，基于傳感器反饋和作物需水量模型可以實(shí)現(xiàn)精確的灌溉決策。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，灌溉控制的本地操作正逐漸被遠(yuǎn)程控制所取代，進(jìn)而被基于云計(jì)算的綜合控制和管理所取代。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以有效地管理位于不同地點(diǎn)的多個(gè)灌溉控制器，進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，共享灌溉經(jīng)驗(yàn)，更容易做出合理的灌溉決策[8]。無線傳感與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)提供了重要的支持，提供了高效和經(jīng)濟(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉解決方案，可形成準(zhǔn)確精細(xì)、自動(dòng)化程度高的灌溉系統(tǒng)。

基于越來越多的不同灌溉控制器和工程應(yīng)用，涉及設(shè)施栽培、大田作物、花園、綠地，為了進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，本文對智能控制系統(tǒng)在灌溉工程技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹并解釋了灌溉控制器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

1 灌溉控制器與田間設(shè)備的通信方式

智能灌溉控制器的主要功能是向灌溉系統(tǒng)的水泵、水表、過濾器、施肥機(jī)和田間設(shè)備(電磁閥、電動(dòng)閥等)發(fā)送灌溉控制指令，控制灌溉過程的執(zhí)行。灌溉控制器一般安裝在微灌系統(tǒng)頭部的泵房內(nèi)，通?？拷⒐嘞到y(tǒng)中的施肥設(shè)備和水電監(jiān)控設(shè)備。因此，控制器和灌溉設(shè)備通常采用有線通信方式，灌溉控制器與田間設(shè)備之間的通信主要有以下3種方式：(a)多線；(b)無線；(c)雙線解碼。

1.1 多線模式

多線模式是灌溉自動(dòng)化領(lǐng)域最早的控制器。多線控制器有多個(gè)端子，每個(gè)端子通過單獨(dú)的電纜連接一個(gè)電磁閥。也就是說，每個(gè)電磁閥都需要一根獨(dú)立的電纜與控制器進(jìn)行通信。當(dāng)有更多的閥門時(shí)，需要大量的布線，因此在目前的大規(guī)模農(nóng)田中很少使用。目前，這種多聯(lián)機(jī)控制器基本上應(yīng)用于國內(nèi)灌溉，僅限于三閥或四閥的小型灌溉系統(tǒng)。這種多線模式控制器最突出的特點(diǎn)是成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低。另外，控制器的功能比較簡單，通常操作人員需要提前設(shè)置灌水程序，控制器沒有系統(tǒng)診斷功能，只能按時(shí)開關(guān)電磁閥實(shí)施灌水。

1.2 無線通信方式

早期的無線控制器和電磁閥通過基于Zigbee協(xié)議的2.4GHz頻段進(jìn)行無線通信，電磁閥和控制器之間不需要鋪設(shè)信號線，因此無線系統(tǒng)的安裝相對方便[9-10]。此外，2.4GHz頻段是所有國家通用的免許可頻段，無需授權(quán)。只需要一定的發(fā)射功率(一般小于1W)，可以自由使用，不干擾其他頻段。因此，早期的無線灌溉控制系統(tǒng)通常采用2.4G頻段傳輸。然而，國內(nèi)的工程實(shí)踐表明，由于2.4GHz的高頻率和無線信號傳輸?shù)母邠p耗，控制器發(fā)出的控制信號不能準(zhǔn)確到達(dá)系統(tǒng)末端的閥門末端，因此閥門不能正常工作，這是大型灌溉系統(tǒng)的一個(gè)重大缺陷。另一個(gè)原因是高頻信號波長較短，衍射能力較弱。如果現(xiàn)場有建筑物或樹木，將導(dǎo)致無線信號無法正常傳輸。為了提高無線信號的傳輸穩(wěn)定性，一些無線灌溉控制器采用了基于433 MHz的擴(kuò)頻傳輸技術(shù)，提高了信號的抗干擾能力，提高了控制精度無線信號的傳輸距離更長。一般來說，在農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化領(lǐng)域，無線系統(tǒng)和二線制解碼器系統(tǒng)是兩種常用的灌溉控制器。對于新建的噴灌和微灌系統(tǒng)，由于信號線可與灌溉管同溝敷設(shè)，接線簡單，一般采用二線制解碼器的自動(dòng)控制方式。與無線方式相比，該有線控制系統(tǒng)的信號傳輸穩(wěn)定可靠。

1.3 二線制解碼器通信方式

為了避免在多線模式下使用大量導(dǎo)線所帶來的問題，研究人員根據(jù)低壓電力載波的原理，設(shè)計(jì)了一種基于二線制解碼器通信模式的新型灌溉控制器。該控制器僅通過一條雙核信號線與現(xiàn)場的電磁閥和解碼器相連。每個(gè)電磁閥都配有一個(gè)解碼器，為電磁閥分配地址。此外，每個(gè)解碼器具有唯一的地址，控制器通過該地址識別解碼器。當(dāng)控制器發(fā)出激活地址的指令時(shí)，系統(tǒng)中的所有譯碼器都會收到該指令，但只有地址對應(yīng)的譯碼器會響應(yīng)打開或關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥。同時(shí)，譯碼器將反饋信息發(fā)送給控制器，使控制器了解田間電磁閥的通斷狀態(tài)。這種二線制解碼器控制系統(tǒng)降低了使用大量電纜的成本以及挖溝和鋪設(shè)工作。與多線制相比，該系統(tǒng)用線少，施工工作量小，布線簡單。

2 智能系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

根據(jù)控制方式的不同，灌溉控制器可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。所謂的開環(huán)控制通常需要操作者參與灌溉決策，設(shè)定灌溉參數(shù)，如灌溉開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，作為啟動(dòng)和停止灌溉系統(tǒng)的約束條件。在閉環(huán)控制條件下，灌溉控制器可以根據(jù)傳感器的反饋和內(nèi)部控制算法自動(dòng)做出灌溉決策，在不需要操作人員參與的情況下完成灌溉過程。近年來，這種依靠傳感器判斷土壤和作物生長狀況，具有診斷和灌溉決策功能的閉環(huán)控制器得到了越來越多的應(yīng)用。通常可用于灌溉決策的參數(shù)分為3類[11]：(a)土壤水分參數(shù)，(b)作物水分生理?xiàng)l件參數(shù)，(c)氣象參數(shù)。

2.1 基于土壤參數(shù)的智能灌溉

傳感器將測得的土壤含水量(體積含水量)數(shù)據(jù)發(fā)送給灌溉控制器進(jìn)行觸發(fā)和停止。除了土壤含水量，一些灌溉控制器還可以連接到電子拉力計(jì)。當(dāng)土壤水張力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌溉控制器開始工作。目前國內(nèi)常用的灌溉預(yù)測方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法和土壤水分平衡法。需要特別指出的是，由于田間土壤的復(fù)雜性和空間變異性，所有采用埋入式傳感器測量土壤含水量的方法都不可避免地產(chǎn)生一定的誤差。而且，這些灌溉控制器的內(nèi)部程序灌溉水量決策主要是基于某一點(diǎn)的預(yù)測，缺乏大范圍的區(qū)域和宏觀預(yù)測方法。因此，灌溉方案預(yù)測的灌溉水量與區(qū)域?qū)嶋H灌溉需求量仍有一定差距。因此，研究土壤特性的空間變異性，確定合理的土壤水分監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量和位置，對提高灌溉決策的準(zhǔn)確性具有重要意義。

2.2 基于作物生理參數(shù)的智能灌溉

利用紅外測溫技術(shù)診斷作物水分虧缺具有測定快速、操作簡單、樣品無干擾、無損傷、可連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。此外，這種作物冠層溫度全掃描測量方法克服了以單葉或單株為基本監(jiān)測單元時(shí)隨機(jī)采樣誤差大的缺點(diǎn)，非常適合大田作物。目前，國內(nèi)外對大型噴灌機(jī)的變量噴灌進(jìn)行了大量的研究，目的是利用紅外光譜測量作物冠層溫度，指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。該方法的主要缺陷是利用紅外作物冠層溫度來判斷作物是否受干旱影響，可以作為啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)的觸發(fā)條件。然而，準(zhǔn)確滿足作物需要所需補(bǔ)充的水量沒有理論計(jì)算依據(jù)。

2.3 基于氣象參數(shù)的智能灌溉

基于氣象參數(shù)的灌溉決策是通過對一定時(shí)期內(nèi)作物的蒸散量和降水量的水量平衡計(jì)算，來估算作物的缺水量。在土壤-植物-大氣連續(xù)體的研究中，參考作物蒸散量是確定氣象因素對系統(tǒng)水分輸送和水蒸氣擴(kuò)散速率影響的參數(shù)[12-13]。隨著科學(xué)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步，計(jì)算方法中考慮的因素越來越多，計(jì)算的蒸散量將越來越精確。目前，農(nóng)業(yè)灌溉控制器普遍支持基于Penman-Monteith公式的灌溉預(yù)測。但是，對于不同地區(qū)、不同生育期的作物系數(shù)，控制器不能提供合理的推薦值，需要不同地區(qū)的用戶根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。這是當(dāng)前灌溉控制器通過氣象參數(shù)進(jìn)行灌溉決策需要進(jìn)一步解決的問題。與土壤水分參數(shù)或作物生理參數(shù)相比，這種基于氣象參數(shù)的灌溉決策方法更適合于區(qū)域規(guī)模化灌溉，更適合于大型農(nóng)田灌溉。

3 新型無線控制灌溉系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化模式開發(fā)

我國正處于農(nóng)村人口和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力流失的現(xiàn)狀，而智能灌溉控制技術(shù)是解決農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺的有效途徑。因此，智能灌溉控制設(shè)備的研發(fā)在中國具有非常廣闊的前景。智能灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用已從小型溫室逐步擴(kuò)展到露天農(nóng)田作業(yè)，并且應(yīng)用面和作物種類逐漸擴(kuò)大。但是，智能灌溉控制器的研發(fā)需要與相應(yīng)的下游產(chǎn)品兼容，如傳感器、電磁閥、電動(dòng)閥、過濾器、施肥機(jī)等。目前，國內(nèi)越來越多的廠家的產(chǎn)品完全能夠滿足農(nóng)業(yè)智能灌溉 系統(tǒng)建設(shè)的要求。此外，我國生產(chǎn)的部分智能灌溉設(shè)備和產(chǎn)品已進(jìn)入歐美等發(fā)達(dá)國家的灌溉市場，具有較強(qiáng)的國際競爭力。

與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與灌溉領(lǐng)域的結(jié)合提供了許多優(yōu)勢。因此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為灌溉領(lǐng)域的監(jiān)測、控制和管理手段，是提高灌溉系統(tǒng)性能和效率、保證灌溉用水合理有效利用的理想選擇。在此背景下，本文認(rèn)為有必要制定一套基本規(guī)則、步驟和程序，以便在實(shí)施一個(gè)典型的自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對灌溉進(jìn)行智能管理。由于許多不同條件的存在，如不同的灌溉策略、不同的傳感器、不同的土壤和作物類型，以及不同的技術(shù)，開發(fā)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模式較為復(fù)雜。因此，本研究提出了以下幾個(gè)基本規(guī)則：

(1)開發(fā)一個(gè)簡單易懂的通信接口，以便與用戶進(jìn)行有效的通信；(2)已開發(fā)的系統(tǒng)不得受到不同作物生長階段的影響；(3)不同的氣候變化不能對系統(tǒng)造成較大的影響；(4)系統(tǒng)必須確保實(shí)時(shí)快速反應(yīng)。表1是建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化智能灌溉系統(tǒng)的一系列程序和步驟。圖1展示了本文所提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)的操作流程。明確智能灌溉系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)是提高灌溉系統(tǒng)管理效率的關(guān)鍵步驟之一。

表1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立智能灌溉系統(tǒng)的程序和步驟

根據(jù)圖1，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能管理灌溉的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)包括以下組件：

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)的操作流程

(1)傳感器節(jié)點(diǎn)。在灌溉領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可以是天氣傳感器節(jié)點(diǎn)或土壤傳感器節(jié)點(diǎn)，分散在場地中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量取決于場地的寬度，此外，根據(jù)已開發(fā)灌溉系統(tǒng)的要求確定所使用的傳感器節(jié)點(diǎn)類型。土壤傳感器節(jié)點(diǎn)分布在灌溉區(qū)域內(nèi)的土壤上，用于測量和處理土壤狀況，其中最重要的是：土壤濕度、土壤溫度和土壤pH值。

(2)氣象傳感器節(jié)點(diǎn)。部署在待灌溉區(qū)域內(nèi)，這些節(jié)點(diǎn)用于測量和反饋天氣狀況，其中最重要的是：溫度、風(fēng)速和風(fēng)向以及濕度，許多傳感器可用于灌溉、土壤相關(guān)傳感器，如EC-5、VH 400、傳感器S8000 pH和TDR-3A(見表2)以及天氣相關(guān)傳感器，如SHT85、HMP35C、DS18B20(見表3)。

表2 灌溉領(lǐng)域的土壤參數(shù)傳感器舉例

(續(xù)表2)

表3 灌溉領(lǐng)域的氣象參數(shù)傳感器舉例

(3)基站?；咀鳛闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入口點(diǎn)，它是一個(gè)具有強(qiáng)大功能的節(jié)點(diǎn)，用于收集和處理傳感器節(jié)點(diǎn)檢測和測量的數(shù)據(jù)，它還允許將此數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(4)傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)與基站連接和通信，基站與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)傳輸采集和處理的數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)外有許多不同的無線通信技術(shù)，在選擇無線通信協(xié)議時(shí)，需要考慮許多參數(shù)，其中最重要的參數(shù)是：區(qū)域的范圍和大小、預(yù)算和部署的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。大多數(shù)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要低功耗和一定的數(shù)據(jù)量，正如前所述，ZigBee協(xié)議最適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用，它是實(shí)時(shí)監(jiān)控(如灌溉中的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)的最佳選擇。

(5)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行進(jìn)一步的分析，以驗(yàn)證和識別測量數(shù)據(jù)。它還可以將這些數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶更容易識別出灌溉面積狀態(tài)，從而有助于灌溉決策。此外，該節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對灌溉的正確管理。終端監(jiān)測和處理數(shù)據(jù)的開發(fā)：在對處理數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析的基礎(chǔ)上，對每個(gè)實(shí)測參數(shù)進(jìn)行閾值分析，從而做出灌溉決策。用戶灌溉區(qū)域的狀態(tài)通過在線應(yīng)用程序顯示，例如使用智能手機(jī)。

(6)灌溉系統(tǒng)。根據(jù)處理數(shù)據(jù)與閾值的比較結(jié)果，如果這些結(jié)果低于閾值，電動(dòng)閥將打開，從而啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)，反之亦然。灌溉系統(tǒng)可分為三大類：地面灌溉、噴灌和滴灌。其中滴灌系統(tǒng)最適合與灌溉領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一起使用，因?yàn)榈喂嗯c其他系統(tǒng)相比節(jié)省了大量的水，而且還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4 結(jié)論與展望

本文通過對灌溉控制方式的討論和綜述，認(rèn)為將智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與灌溉領(lǐng)域相結(jié)合，有助于改進(jìn)和加強(qiáng)灌溉系統(tǒng)，并提供高效、經(jīng)濟(jì)的灌溉解決方案。這種整合也有利于保障高效合理的灌溉用水，在一定程度上緩解我國農(nóng)業(yè)缺水的程度。

本文綜述了灌溉控制在灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用和部署，重點(diǎn)介紹了3種通信方式在灌溉領(lǐng)域的不同應(yīng)用。對于多年生作物，一旦安裝了二線制解碼器系統(tǒng)，就不會受到耕作、播種等農(nóng)業(yè)機(jī)械的影響，可連續(xù)使用多年，性能穩(wěn)定信號。相比之下，無線控制系統(tǒng)相對于二線制解碼器系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，但拆卸安裝方便，可在作物收割前輕松拆除，然后使用收割機(jī)收割和犁耕土壤，方便田間作業(yè)。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與灌溉領(lǐng)域相結(jié)合，有助于為支持、改進(jìn)和加強(qiáng)灌溉系統(tǒng)提供高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，這種整合也有利于保障高效合理的灌溉用水。本文討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用和使用，通過介紹各種無線通信技術(shù)、各種傳感器以及灌溉策略、土壤類型和作物種植類型來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在灌溉領(lǐng)域中的作用。據(jù)此本文提出了一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)灌溉智能管理自動(dòng)化系統(tǒng)的方法及其重要組件。

我國智能灌溉控制領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)日趨成熟，未來節(jié)水灌溉的發(fā)展方向?qū)@互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)田間灌溉控制器與云平臺的數(shù)據(jù)交互。但是，目前缺乏智能灌溉控制器制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)各廠家的產(chǎn)品規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)等各不相同，性能參數(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，用戶比較和選擇產(chǎn)品比較困難。這些方面都給智能灌溉控制系統(tǒng)的安裝、使用、維護(hù)以及灌溉資源的共享帶來了極大的不便。因此，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，形成一套智能灌溉控制器的性能檢測參數(shù)和測試方法，為智能灌溉控制器的生產(chǎn)、檢測和使用提供技術(shù)依據(jù)，對促進(jìn)智能灌溉控制器的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。