董启兴　吴萍　姚菲

【摘要】我国是一个农业大国，又是水资源严重短缺的国家，利用有限的水资源发展高效农业是现代农业发展的一个目标和主题，而智能化精准灌溉是实现这一目标的有效途径。该系统将田间监测传感器、控制器与互联网相结合，使其与人之间的互动不再局限于空间，变得更为方便，且有利于实现高产高效。其可靠性高、灵活性强、易于操作，有广泛的推广和使用价值，发展前景良好。

【关键词】智能化；精准灌溉；远程控制；探索；应用

【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 基本情况

1.1国内水资源状况及用水情况。

我国是一个水资源严重短缺的国家。淡水资源总量为28000亿m3，人均只有2200m3，仅为世界平均水平的1/4，扣除汛期的排洪泄流和其他难以利用水资源后，实际可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿m3左右，人均可利用水资源量不足900m3。在农业、人类生活、工业、生态和服务行业等用水类型中，农业用水约占总用水量的65%左右。

1.2国内现有的灌溉方式及存在的一些问题。

中国是一个农业大国，人口众多，农业问题是关系到国计民生的大问题。目前，国内的灌溉主要有畦田灌、沟灌、喷灌、微灌、滴灌等多种节水灌溉方式，有些虽已采用了自动化管理模式，大大提高了农业生产效率，但是还缺乏智能化灌溉管理系统，没有将作物生育期的生理需水要求与供水管理智能化地结合起来，有时会出现作物在需水时不能及时灌水，而在作物不需水时仍然灌水的情形，一方面会造成水资源的不必要的浪费，另一方面还降低了灌溉的工作效率。

2. 智能化灌溉系统的发展前景

信息化、智能化农业是推动农业经济与科技发展的主要动力，也是世界农业发展的趋势。我国的现代农业也正向可持续的信息化、智能化方向发展。而精准农业是伴随着农业信息化的发展而提出的一种全新的农业经营管理思维，是信息农业发展到一定程度的必然产物。智能化精准灌溉系统就是基于现代农业技术的发展趋势，是高效节水农业迈向更高台阶的一个目标，有着广阔的发展前景。

3. 智能化灌溉系统工作原理及其组成

本系统包括自动化灌溉系统和田间参数监测模块系统两部分。它整合了电容器检测土壤含水量、手机APP远程控制、定点定位定量灌溉等技术。

3.1智能化精准灌溉的工作原理。

该系统采用AT89C52单片机作为主控芯片，主要由信号处理电路、电容器、驱动电路、灌溉控制器等组成。土壤电容器模块检测土壤的湿度，模块在土壤湿度达不到设定临界值时，DO输出高电平，当土壤湿度超过设定临界值时，模块D0输出低电平；小板数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，进而通过单片机来驱动电路。检测土壤湿度电容器通过模数转换器输出数字信号，由自动控制台按田间每个灌区实际面积利用汇编语言对系统软件进行编程，并根据编程来控制相应灌区的供水量。

3.2自动化灌溉系统。

本系统在田间定点定位设置电容器，使其检测面积恰好能覆盖整块田地。电容器会将采集到的信息及时通过无线网将数据传送到云端实时存储，用户可以通过云端或手机客户端查看田间实时数据，了解作物生育情况。当土壤温、湿度超过警戒值时，系统向用户发送信息通知，提醒人工干预控制。用户可以通过手机上的虚拟开关远程控制田间的灌溉，来改变作物的土壤湿度与环境温度，如果在报警一定时间内未完成人工控制，系统会自行启动浇灌系统，以确保对作物的及时灌溉。

3.3田间参数监测模块系统。

该系统通过数据编程软件、开关控制面板、电容器、供电模块及间水层和作物根系层土壤含水量的变化来获得作物生长的盈亏水状况，并反馈给中央处理器（这里主要是和预定值进行比较，将电容器传来的土壤含水量值与当初设置的湿度临界值进行比较。如果湿度临界值小于当前土壤含水量值，则说明当前土壤水分含量满足系统设定要求，不需要灌溉；如果湿度临界值大于当前土壤水分含量，则说明土壤干涸，需要灌溉。）。关于供电模块和田间开关控制面板，可在田间安装太阳能电池板以实现供能，这样既可以节约电能，又能实现环保。智能化灌溉系統适用于喷灌、微灌、滴灌等灌溉方式。其设计流程图如下（设计流程图见图1）：

3.4管道排布：在实验田分布漫灌，摇臂喷头，微灌，滴灌等多种灌溉系统，实现全方位，无死角灌溉田地。现列举各种灌溉优缺点如下①漫灌：在田中以小水流灌溉，略省水，可育旱作物，但是费水。②喷灌：以喷嘴拟人工降雨，省水，但是不利于喜水作物。③滴灌：田间以软管纵横其中，中开小口，水自口出，以滴流的方式进行灌溉，节水，但是应用范围有局限。我们可以根据具体时段，具体植物选择合适的灌溉方式。本设计中灌溉管路部分包括首部单元及铺设于作物行间的分支毛管，所述首部单元又包括首部干管及两至三个首部支管，首部干管通过三通或者四通与各首部支管连接，首部干管及首部支管上均设有电磁阀，各首部支管分别连接有分支毛管。在材料方面，该装置管路部分的水管、三通、四通等配件均选用PPR管，它具有节能节材、环保、轻质高强、耐腐蚀、内壁光滑不结垢、施工和维修简便、使用寿命长等优点。这样的管路设置不仅有利于植物更好吸收水分，而且节水环保。endprint

3.5信息采集装置：本装置采集器主要采用RB-02S047型号的水分传感器，分别插入田地内监测田间水层和植物根系层土壤含水量，并将水分情况通过模拟量输出传入信息操作控制部分XCKB中，完成信息采集工作。

3.6信息处理中心：该系统选用中央控制模式，由数据编程软件、开关控制面板、电容器、供电模块及其附件组成。本装置信息处理中心是信息操作控制部分XCKB。水分传感器将数据采集到后传输到XCKB中，XCKB再通过无线连接将土壤水分信息传送到处理装置中，再传输到云端实施储存。这里主要是和预定值进行比较，模块在土壤湿度达不到设定阈值时，DO输出高电平，当土壤湿度超过设定阈值时，模块D0输出低电平；小板数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，进而通过单片机来驱动电路。把检测土壤湿度电容器通过模数转换器输出数字信号，由自动控制台按田间每组灌区实际面积利用汇编语言对系统软件进行编程，对每一组支流灌溉出水流量多少控制各支流电磁阀为每组灌溉区依次供水（根据植物需水量，可以自动或者人为开启某一支路的电磁阀，开启较合适的灌溉系统）实现灌溉再节水和技术自动化。

3.7电路控制部分：本装置的具体控制电路图如图所示，我们设计在田间安装太阳能电池板以实现供能（既可以节约电能，也可以实现环保），通过无线网络，连接手机APP终端与灌溉实体装置两个部分进行远距离控制灌溉。

3.8反馈控制机制：本装置的反馈系统可分为手动控制系统和自动控制系统两种方式。手动控制系统：手机APP界面窗口上，用户可以直观的观测到田间的水分含量，根据作物的需水量，可以人为地手动操作打开“OFF-ON”来控制灌溉。待到土壤水分常数达到正常值后再次执行“ON-OFF”转换，完成浇灌过程。（XCKB中主要由Seeeduino Cloud开发板和Relay Shield扩展板叠加组成。一方面，Seeeduino Cloud开发板的主要特点在于支持以太网和WiFi，是我们无线传输的关键介质所在。通过手机无线搜索连接Seeeduino Cloud开发板所发出的Wi Fi信号可以实现实时控制。另一方面，Relay Shield 扩展板通过继电器可以实现不同路电磁阀的控制，达到进一步的灌溉效果）。自动控制系统：本装置可以根据传感器的感应，設定相应的水分饱和值来自动控制水流的通断。

4. 结论

（1）该系统将田间监测传感器、控制器与互联网相结合，使其与人之间的互动不再局限于空间，变得更加方便。

（2）手机客户端实时监测田间温度、土壤湿度、作物生长、空气湿度，直观方便。

（3）灌溉方式多样化，合理有效，节约环保。

（4）采用自动化与精准化的节水灌溉系统，不仅能有效节约水资源，而且还能达到省工省时的作用，从而大大提高了劳动生产效率。 此系统可靠性高、灵活性强、易于操作，有广泛的推广和使用价值。

参考文献

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[2]杨万龙，刘春来，李娟.设施农业滴灌施肥智能化控制系统[J].农业科技通讯，2009（4）：103～106.

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