盛 会，郭 辉，张学军，陈恒峰

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆　乌鲁木齐　830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室）



浅谈智能灌溉技术应用现状

盛 会1，郭 辉2※，张学军1，陈恒峰1

（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室）

摘要：随着水资源的匮乏和农业机械化的推广，农业对灌溉的要求日益提高，智能灌溉也随之产生。智能灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、ZigBee无线通信技术等多种高新技术，将土壤湿度、温度、气象、水文、以及各种不同作物的特性等因素进行融合最终做出灌溉决策。该系统在加快农业生产数字化、信息化的同时，也提高了农业灌溉的生产效率，可以更好的实现节约水资源和按需灌溉的要求。

关键词：智能灌溉；传感器；ZigBee；节约水资源

0　引言

我国是一个水资源紧缺的国家。据统计，我国人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4。专家预测，我国人口在2030年将达到16亿，届时人均水资源占有量仅有1 760 m3，中国将成为严重缺水的国家［1］。21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，将对国家经济和社会可持续发展产生重要影响。节水、节能型的智能灌溉技术已经成为灌溉发展的总趋势，也为缓解水资源压力和实现农业现代化提供了可能。目前发达国家如：美国、以色列等，利用先进的节水智能灌溉技术使水资源的利用效率得到了显著提高。在我国，农业用水约

修回日期：2016-3-2

智能灌溉模式与传统人工控制相比，具有节省水肥、人工等显著特点，并可消除人为因素对灌溉的不利影响，更有利于灌溉的科学管理和先进灌溉技术的推广。智能灌溉模式对提高农作物产量以及我国家庭牧场的建设具有促进作用，推动了我国劳动力转移和农村经济结构的调整，同时也有利于环境保护。

1　节水灌溉及智能灌溉技术

1.1节水灌溉

目前常用的节水灌溉方式有喷灌、滴灌等。喷灌是通过管道将水输送到田间的喷头，再经喷头喷射到空中散成细小的水滴，均匀地散布在农田上，达到灌溉的目的，通常有高压和低压之分，根据其是否可移动分为固定式和移动式［3］。固定式的喷头安装在固定的地方，移动式喷灌便于机组的转移。

滴灌是利用低压管道系统将水成滴、均匀而又缓慢地滴入植物根系发达区域土壤中的灌溉形式，使作物主要根系活动区的土壤始终保持在最优含水状态［4］。由于滴水的流量小且入土缓慢，可最大限度地减少水份蒸发，如果再有地膜覆盖，蒸发损失将进一步减少。在滴灌条件下紧靠滴头的土壤水分处于饱和状态，其它部位的土壤水分均处于非饱和状态，土壤水分的入渗和扩散主要借助于毛管张力进行。

1.2智能灌溉技术

智能灌溉，是指系统能够自动感测作物的温度、湿度等生长环境，并结合光照、气象等多种因素进行分析判断，最终做出是否灌溉执行的一种灌溉方式。智能灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，基本使用喷灌和滴灌等节水灌溉方式。其系统主要由五个部分组成：数据采集站，一般有温湿度传感器、光照传感器、以及气象资料的获取等组成；传输基站，主要由无线传输模块组成；数据处理中心，主要通过软件编程实现；远程监测站，通过上位机组态画面进行实时监控；电磁阀控制站，主要通过继电器接收信号进行控制。下面以我国常用的智能灌溉系统进行分析阐述。系统以STC89C52单片机为核心来控制继电器实现对农田自动灌溉，系统结构框图如图1。

图1　系统结构框图Fig.1 The block diagram of system structure

1.2.1首先要做的是通过温湿度传感器对作物土壤温度和湿度进行检测。温度和湿度是农业生产的重要因素，也是影响植物生长的关键环境因素。对其进行适时准确的检测可以帮助我们及时了解作物的生长情况，以便于及时对作物采取措施，这对于提高农作物的产量和质量，以及对农作物的管理和灌溉都具有十分重要的意义。其实现方式主要通过温湿度传感器进行。

1.2.2其次是对光照和气象资料的获取。通过光敏电阻进行光照强度的检测，如果中午光线较强烈，无论土壤干燥与否均不对其进行灌溉。因为中午光照强烈时温度较高，作物土壤温度也很高，而水温一般较低，此时灌溉，可使土壤温度骤然下降，使根部细胞代谢减弱，作物根的吸水能力明显降低。同时，外界气温较高，叶片为了散热气孔大开，作物的叶面蒸腾量增加，植物中的水份将会出现“入不敷出”的现象，产生生理性缺水，部分细胞发生质壁分离而萎蔫，严重的可导致作物死亡。

通过对气象资料的获取可以使灌溉更加的智能化和节约用水，当获得的气象资料显示未来几天将有降雨的情况下，系统将会自动调节灌溉量。

1.2.3再次就是将感测和获取的信息经过无线传输的方式发送给控制器。目前，智能节水灌溉系统对信息的传输方式大体分为两种。一种是充分利用现有的移动通信网络，将GSM或者GPRS模块与单片机、传感器进行结合，将采集到的土壤墒情信息通过移动通信网络进行远程传输。将移动通信网络作为信号传输媒介的不足之处：

（1）移动通信网络属于商用通信网络，每次通讯都会产生一定的费用，因此在一次性的安装投入后，还需要相应的维护费用。

（2）方案所采用的GSM或者GPRS模块费用也较昂贵。通过传感器采集的大量数据，还需人工处理和判断，配套的软件工具与算法还不够完善，从一定角度来讲，还不能算是真正意义上的智能控制系统。

另一种是采用ZigBee技术。ZigBee是一种无线自组网，由ZDO所定义的Coordinater发起网络，其他设备会自动搜寻网络并加入其中，同时ZigBee网络还具有较强的自愈能力，抗击毁能力，具有较高的系统稳定性［5］；同时避免了布线的巨大工程量，并且布设灵活。基于上述分析，可以将ZigBee技术的特点归纳如下：

（1）低功耗。ZigBee技术主要应用于近距离通信，因此收发信息的功率不高，再加上网络设备节点使用的是休眠唤醒工作模式，最终使得其功耗较低。

（2）低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，而且ZigBee免协议专利费。

（3）无线自组网。由ZDO所定义的Coordinater发起网络，其他设备会自动搜寻网络并加入其中，同时具有较高的系统稳定性。

1.2.4最后控制器接收到田间信息后经过不同的算法对其进行处理，获得是否灌溉和灌溉量的多少，再通过ZigBee网络将灌溉信息传送给继电器，由继电器控制电磁阀进行灌溉执行。对于不同的灌溉区域可以通过控制不同的电磁阀实施针对性灌溉，避免了过量灌溉的风险。

2　国内外智能灌溉的研究现状

2.1国外现状

灌溉自动化始于20世纪30年代，首先由法国提出一套较为完整的自动化灌溉理论，并研制可以实用的自动化水力沟渠闸门系统。50年代以来，由于电子科技与计算机技术的快速发展，使灌排工程自动化变成可能。自动灌溉控制模式由早期的现场分项分散控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式，并在西方发达国家得到先行应用和发展［6～11］。

Phena和Howell（1984年）、Phene（1989年）将土壤湿度传感器引入到灌溉系统的控制中，通过传感器获得土壤湿度数据，并传给控制系统进行灌溉决策，使作物根部水分总能满足自身生长需求。1990 年Fangmerier等人研制了将红外线热电偶与空气湿度器、土壤湿度传感器进行整合的自动化灌溉控制器。Phene等人于1992年将作物蒸腾量引入滴灌系统计算。Ismail和Alshooshan（1996年）将电子张力计测量土壤湿度引入到灌溉反馈系统。同期澳大利亚的HARDIE IRRIGATION公司研发出为控制大面积灌概使用的MICRO-RGATIONTM系统。该系统采用主分机的双向通信技术，使用微机对其进行编程控制，并能对灌概系统的工作状态进行随时监控［12］。ZigBee无线通信技术的应用可以及时准确的对生态环境、城市交通以及工业控制等进行监测。在农业方面，2002年英特尔公司率先在俄勒丙州葡萄园中建立了第一个无线传感系统。该系统通过传感器节点间歇性的对土壤温度、湿度及该区域有害物的数量进行检测，以确保葡萄生长品质，进而获得最优的经济效益［13］；2008年葡萄牙UTAD的Raur等人研究了将ZigBee技术用于葡萄园的精密栽培，并将太阳能、水动能和风能引入到电源管理中解决了ZigBee网络的电能供应问题［14，15］；同年西班牙的Ruiz等人对水果的冷藏运输进行改进引入ZigBee实时监控系统［16］；2009年西班牙Riquelme等人结合802.15.4协议和GIS技术研究了适用于设施环境精准农业的无线传感网络远程控制技术，通过INTERNET使用笔记本电脑或PDA可随时随地了解作物环境情况。

国外智能灌溉技术起步较早，发展较为完善。随着传感器和计算机技术的日趋成熟以及灌溉用水管理软件的开发和应用，使得智能灌溉得到较大程度的发展。基本上已经达到了信息化、自动化、多功能化的水平［17］。总体来讲，国外智能节水灌溉技术具有以下特点：

（1）根据实时气象数据按需灌溉。气象条件的波动及植株的不同生长阶段，作物的蒸散量会发生变化。智能灌溉可以根据采集的气象数据和不同作物系数确定作物的需水量，然后调整灌溉量以达到按需灌溉的目的。

（2）避免过量灌溉。土壤对水的保持能力是有限的，超过此上限时植物根区以下水份会渗透流失。智能控制可以通过调解设定量，使灌溉深度控制在植物根系周围，同时为了避免径流损失，还可进行间歇灌溉。

（3）系统流量管理和分区灌溉。首先根据不同作物需水量的不同，将灌溉分成若干区域，再根据每个主管或干管的流量设定开启阀门的数量，以保持正常工作压力和泵站的高效运行。

（4）合理利用天然降水。灌溉中央控制系统可根据季节和气象变化调整灌溉制度，使渗入到土壤中的有效降雨充分利用。

2.2国内现状

20世纪80年代，特别是90年代以后，节水灌溉在我国得到了迅速推广，并从国外引进了大量灌概设备。同时也存在着较为突出的问题，首先是国外引进设备没有考虑到我国的气候、土壤条件、作物类型等因素，并不符合我国的农业发展的实际情况；其次就是引进的设备价格太过昂贵［18］。目前农业节水灌溉装备应用（指农业方面的节水灌溉的利用）总体呈现西快东慢、中部迟缓的状况，如新疆、甘肃、宁夏、内蒙、山西等省已经把节水灌溉成功应用在棉花、玉米、马铃薯等大田作物上，而中东部节水灌溉应用只限于目前的蔬菜、瓜果等设施农业种植方面［19］。北方地区如北京、天津、山东和河南低压输水灌溉技术应用的较好，主要在山区重点发展喷灌技术［20］。近年来黑龙江省对节水灌溉的投入不断增加，但问题也十分明显。选择的灌溉方式没能和农村单家独户的耕作现状进行有效结合，又加上运行费用高和种植结构调整不到位，使得灌溉设备基本上处于闲置状态［21］。宁夏通过对引黄灌区水费的调节，使其在2000年基本杜绝了“大水漫灌”、“洪水入沟”、“漫滩漫流”的传统灌溉方式，实施了如小洼灌、水稻控制灌、喷灌、滴灌等节水灌溉［22］。新疆属于世界上著名的干旱地区，具有典型的大陆干旱性气候。全疆灌溉面积占耕地面积的90%以上。新疆地区的膜下滴灌施肥技术处于世界领先水平［23］。南疆地区降水少，主要应用渠道防渗、喷灌技术以及低成本的滴灌技术等［24］。福建省不断引进推广国内外先进节水灌溉技术和设备，在渠道防渗、低压管道输水、喷灌技术和微灌技术等方面不断引进新技术、新设备、新材料［25］。甘肃农垦区土地资源丰富，地形平坦，土壤肥沃，农业经济相对较发达，但农业生产长期受到干旱、风沙、盐碱三大自然灾害的威胁，灌溉大部分依靠渠道，地下水的开采过量，造成防护林带和地下水位的破坏。经过多年努力，甘肃农垦现已成为全国最大的滴灌工程示范基地［26］。

虽然节水灌溉技术得到大面积的推广和应用，但针对精准农业的智能节水灌溉控制技术起步较晚。方旭杰等，针对丽水黑木耳的种植模式，研究设计了基于ZigBee技术的无线智能灌概系统。系统运行的可靠性良好［27］。王益祥等研制了由嵌入式测控终端和中央监控计算机组成，采用ZigBee和GPRS技术进行通信的微灌监控系统。该系统实现了办公室内对灌溉现场的控制［28］。何龙等在杭州美人紫葡萄培养基地安装了无线传感网络的监控系统，通过对土壤水分、养分、温度、湿度和光照等信息的实时采集分析，并根据葡萄不同生长阶段的供水需求进行自动控制灌溉，取得较好灌溉效果［29］。高峰等利用无线传感网络技术对作物水分监测系统进行研究。实现了信息采集节点的自动部署以及数据自组织传输，能够实现对远程作物需水信息的监测［30］。韩华峰等针对温室环境数据信息监控特点，进行了基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发，并在此基础上组成现场监控无线传感器网络，通过网络汇聚节点与无线移动网络（GPRS/CDMA）和INTERNET的无缝连接，实现数据远程传输至指定数据库服务器［31］。

3　结论

3.1实现智能灌溉的难点

3.1.1作为通信协议的一种，ZigBee无线网络同样存在通信的有效性与可靠性问题。如何通过网络拓扑结构以及冗余的路由方式来提高ZigBee节点的链接可靠性是ZigBee技术的一个难点。

3.1.2当农场面积较大时，工程布线将成为一个繁琐的问题，因此应用中采用干电池或者太阳能板对无线传感器节点进行供电。ZigBee技术无线射频信号的收发对于能耗的要求较为严格，因此如何在保证通信的基础上，尽可能的减少通讯次数实现网络生命周期的最大化，也是ZigBee技术的一个难点。

3.1.3如何利用ZigBee网络节点的运算处理能力对传感器采集的数据进行滤波与自适应加权运算，并在数据的最终汇集点通过先进的数据融合方法对土壤湿度、温度、气象、水文、以及各种不同作物的特性等因素进行融合，进而做出灌溉决策，以达到真正意义上的智能灌溉控制，同样是智能灌溉的一个难点。

3.2智能灌溉的发展趋势

随着计算机技术和通信技术的迅速发展，以及各类传感器的系统化。再加上我国农业产业结构调整要坚持以经济效益、社会效益、生态效益相统一的原则。使得我国智能灌溉的发展趋势为：

（1）集成化及智能化程度越来越高。

（2）新的控制理论和多功能传感器逐步得到应用。

（3）走规模化生产经营的道路以及精准灌溉。

多功能、低能耗、低成本、智能化、精准化、绿色化的节水灌溉装备，以及农业工艺和生物节约水措施将逐步应用于灌溉农业［32］。

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doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.008

中图分类号:S275

文献标识码：A

文章编号：1007-7782（2016）01-0023-05

基金项目：新疆维吾尔自治区农机局新机具研发项目（2015011）

通讯作者：郭 辉占用水总量的63%，由于渠道渗漏、大水漫灌等多种原因，使得我国农业用水的有效利用率仅为45%左右，远低于美国等发达国家70%～80%的水平［2］。

The application status of Intelligent Irrigation Technology

Sheng-hui1，Guo-hui2※，ZHANGXue-jun1，CHENGHen-feng1
（1.Mechanical and Traffic College，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，XinJiang China；2.Key Laboratory of Xinjiang Agricultural Equipment Innovation Design Laboratory）

Abstract:With the shortage of water resourcesand the promotion of agricultural mechanization，the requirementsof agricultural irrigation are increasingly improved.The intelligent irrigation is produced.Intelligent irrigation system involves many new technologies，such as sensor technology，automatic control technology，ZigBee wireless communication technology，etc. It makes the soil moisture，temperature，weather，hydrology，and the characteristics of different crops and other factors for the integration of the final decision to make irrigation.In accelerating the agricultural production digitization，informationization，it also improvesthe production efficiency of agricultural irrigation to better realize the saving water resourcesand the demand for irrigation.

Key words:Intelligent irrigation；Sensor；ZigBee；Water-saving