王晓丽， 安胜鑫， 张国峰， 饶晨曦

（1. 河北润农节水科技股份有限公司，河北 唐山 064100；2. 河北省节水灌溉装备产业技术研究院，河北 唐山 064100）

0 引言

随着水资源供需矛盾日益突出，推广高效节水灌溉技术已成为我国农业健康稳定可持续发展的战略选择，滴灌作为目前节水效果和灌水质量较好的灌水方式之一，在我国已得到大面积推广应用，但目前滴灌技术推广应用中配套设备大多采用手动控制，在水肥管理过程中需专人值守，灌水和施肥量的确定仍依赖传统经验判定，难以达到精细化管理的要求。近年来，随着土地流转和规模化种植的不断发展，对田间管理模式提出了自动化、精准化、智能化的发展要求，但由于土壤水分动态系统（SPAC 系统）中某些均衡要素（如降雨、蒸发和蒸腾）不仅在时间上是随机变化的，而且在空间上也是随机分布的，同时由于土壤本身的空间变异性及不同作物在不同生长时期需水量各异，使得灌溉决策系统变为一个复杂的随机系统，在缺少大数据支撑条件下，难以建立起与作物水肥需求特点相耦合的灌溉决策模型及精准化灌溉实施方案。目前已有的智能灌溉控制系统大多采用时序控制：达到设定的开启时间，设备自动开启进行灌溉，达到设定灌溉时长设备自动停止，完成灌溉，这种控制方式在一定程度上实现了灌溉过程的自动化控制，但灌溉决策模型的制定仍依赖于传统经验，制定的决策模型与作物需求特点难以匹配，不但浪费水肥资源还会影响灌水效果。本研究针对目前滴灌水肥一体化技术推广应用中普遍存在的管理模式粗放、自动化程度低、水肥浪费严重等问题，以灌溉决策模型建立及配套硬件设备的控制方法研究为重点，计划开发出一套可以对灌水过程进行自动控制的智能灌溉控制系统，以期提高田间管理的自动化程度和精细化水平，以适应现代农业的发展需求。

1 智能灌溉控制系统结构设计

1.1 智能灌溉控制系统简介

智能灌溉控制系统是借助于云服务平台、无线通信技术及传感器技术等现代技术开发出的一套可以根据土壤墒情信息对田间灌溉过程进行远程自动控制的灌溉管理系统[1]。该系统由软件系统和配套的硬件设备两大部分组成，其中配套硬件设备主要包括LoRa 网关、LoRa 终端、DTU 模块等数据传输设备，水泵、变频器、过滤器、智能水肥一体机等首部系统，支持RS-485 通讯的压力表和流量计等量测设备，以及脉冲电磁阀和土壤墒情传感器等田间设备。系统工作时土壤墒情传感器将采集到的土壤墒情信息实时传输到云服务器，经云服务器分析处理后根据设定的灌溉决策模型转变为相应的控制命令，控制首部系统及田间电磁阀的启闭，从而对田间灌溉过程进行控制，有效提高水肥利用率及田间管理的自动化程度和精细化水平[2]。智能灌溉控制系统工作原理如图1 所示。

图1 智能灌溉控制系统工作原理Fig. 1 Working principle of intelligent irrigation control system

1.2 系统硬件配置

智能灌溉控制系统分为云服务器、通信模块、下位机和执行机构4 层结构，其中云服务器主要进行数据存储和管理决策，是控制系统的核心。

通讯模块是智能灌溉控制系统的信息传递中枢，其性能直接影响系统的功能和稳定性，由于田间环境因素复杂，涉及到的田间设备较多，若采用有线传输，不但影响田间耕作，设备故障或需要增加新设备时可能需重新布设电路，增加施工成本，因此，采用无线通讯的设计方案，同时考虑到田间环境的复杂性，通讯模块应满足低能耗、精度高、信息传输稳定等要求，经对比分析，无线传输系统配套的LoRa 网关、LoRa终端及DTU 模块分别选用山东有人信息技术有限公司的USR-LG220、USR-G780 和USR-LG206 系 列 产 品，其中，云服务器和DTU 模块之间可实现数据透传，LoRa 网关和解码器之间采用LoRa 通讯协议+自组网的方式通讯，DTU 模块和LoRa 网关之间以PLC 为中继，采用485 通讯方式进行信息传输，该通讯方式稳定性好且设备数据传输覆盖面广，满足田间应用需求[3-4]。

下位机主要是PLC、STM32 单片机等设备，上位机控制面板通过RS-485 通信协议与下位机完成通讯。执行机构主要包括水泵、过滤器、施肥机及田间电磁阀等设备，主要负责执行各项决策命令，系统执行机构配套的过滤器和施肥机选用自主研发的设备，设备均配套具有RS-485 通讯功能的PLC 控制模块，PLC 与DTU 模块之间通过RS-485 通讯协议进行通讯，完成相关信息及决策命令的传输。

电磁阀作为田间灌溉主要执行元件，其性能直接关系到灌溉系统的稳定性。为满足田间应用需求，田间电磁阀应满足低功耗的基本需求，经对比分析，选定了自保持式脉冲电磁阀，工作时输入正向控制信号，电磁阀打开，执行灌溉命令，此时停止输入正向控制信号，电磁阀将继续保持当前动作状态，直到输入反向控制信号，电磁阀复位，停止灌溉，满足低功耗要求[5]。智能灌溉控制系统架构及配套通讯模块分别如图2、图3 所示。

图2 智能灌溉控制系统架构Fig. 2 Architecture of intelligent irrigation control system

图3 无线通讯模块Fig. 3 Wireless communication module

1.3 系统软件设计

项目研发的智能灌溉控制系统是将信息采集技术和自动控制技术相结合的自动化管理平台，用户借助于云控制平台，通过PC 端或手机APP 可实现对灌水施肥过程的远程自动控制，有效提高水肥管理的自动化程度和智能化水平。系统运行过程中，系统配套传感器采集的土壤墒情及设备状态信息及时上传，经处理分析后根据设定的灌溉管理决策模型，发出相应控制指令，通过控制水源水泵、智能水肥一体机及田间电磁阀等设备的启闭实现对灌水过程的控制。项目的智能灌溉控制平台采用PHP 语言开发，B/S 架构体系，区域环境可视化展示采用ECharts 可视化工具，并配有MySQL 数据库与应用程序，便于管理和快速访问平台数据。其控制程序如图4 所示。

图4 智能灌溉控制系统主程序架构Fig. 4 Main program architecture of intelligent irrigation control system

智能滴灌控制系统可通过自动控制和手动控制两种相对独立的模式实现对灌溉过程的控制。手动控制即通过命令按钮直接控制系统启闭，或通过系统预先设定好设备启闭时间和灌溉周期，达到设定灌溉时间后，水源水泵、过滤器、施肥机及田间电磁阀自动打开，按设定好的施肥配方和轮灌编组进行灌溉，达到设定灌水时间/灌水量后，系统配套设备自动关闭，完成灌溉。自动控制则是根据设定好的灌溉决策模型及采集的土壤墒情和设备运行状态信息，自动对灌溉过程进行控制，并对设备运行状态、田间信息及设备运行参数等进行实时采集和反馈，便于用户及时掌握灌水施肥状况，有效提高田间管理的精细化水平，其控制流程如图5 所示[6-7]。

图5 智能灌溉系统控制流程Fig. 5 Intelligent irrigation system control flow chart

2 智能灌溉决策模型

智能灌溉控制系统主要由土壤墒情采集系统、决策系统及灌溉系统3 个部分组成，主要可实现以下3 个功能[8]。①信息采集：主要采集土壤墒情及配套设备的参数信息，为灌溉决策提供数据支撑。②控制决策：对采集的土壤墒情及配套设备运行状态信息进行分析处理，根据制定的灌溉决策模型，确定灌水方案。③设备远程控制及状态监测：根据灌溉决策，远程控制系统配套过滤器、施肥机及田间电磁阀的启闭，进行水肥一体化配施，并对设备运行状态及轮灌区状况进行实时监测。其中，控制决策是智能滴灌水肥一体化控制系统的核心，决策模型的科学合理性将直接影响系统的灌水质量，主要包括灌溉系统控制、过滤系统控制及施肥系统控制等。

作物只有在适宜土壤含水率条件下才能获得优质高产[9]。灌水量过多不但造成深层渗漏和无效蒸发，浪费水资源，而且还会导致根系无氧呼吸，影响作物的产量和品质；当土壤含水量过低时，会对作物生长产生胁迫，甚至因过度缺水而造成枯萎，所以需制定合理的灌水上下限。本项目提出了一种基于土壤ET 墒的灌溉决策模型，其中，ET 墒用于表征不同土层深度的土壤含水量的动态变化情况。田间灌溉时，当灌水量足够多时会产生深层渗漏或地表径流，随着地表蒸发和深层渗漏土壤中含水量会逐渐下降。充分灌溉后利用土壤墒情传感器采集的土壤墒情实测值的历史数据会形成一条平滑下降的曲线，曲线的拐点处即为田间持水率（θc），即土壤不产生深层渗漏的最大含水率。随着灌溉水深层渗漏和蒸发，土壤含水量持续降低到一定值时，由于缺水会对作物生长产生胁迫甚至凋萎，因此，灌溉决策模型设定灌溉上限为θc，灌水下限为70%θc，系统处于自动控制模式时，当采集的土壤墒情值θ0≤70%θc时开始进行灌溉，土壤含水量达到θc时灌溉停止。由于不同土层深度的蒸发和渗漏的速率不同，不同土层深度的ET 墒曲线趋势大致相同，但又互不交叉重合，因此，在进行灌溉决策时，应根据不同作物根系分布特点，选用根系主要分布区深度的曲线为决策依据。不同土层深度的实测土壤ET 墒曲线如图6 所示。

图6 实测土壤ET 墒曲线Fig. 6 Measured ET soil moisture curve

3 系统测试与分析

本项目研发的智能灌溉控制系统属于公司自主研发的智慧农业物联网管理系统的灌溉控制模块，为测试系统的功能和稳定性，于2021 年5 月在平顶山市宝丰县2 000 hm2（3 万亩）高标准农田建设项目（二期）（智慧农业物联网系统）中进行了示范性推广应用。实验示范基地667 hm2（1 万亩），涉及赵庄镇和商酒务镇赵官营、吴庄等8 个村，项目核心区334 hm2（5 000亩）土地全部实现灌溉输水管道化、灌溉管理信息化、灌溉控制智能化。系统测试过程中设置了手动控制和自动控制两个处理，并分别针对不同处理控制指令的有效性进行测试，其结果如表1 所示。

表1 智能灌溉控制指令有效性测试Tab. 1 Effectiveness test of intelligent irrigation control instruction

实测表明，测试过程中有少数命令已下发，但设备未响应，经分析认为主要是由于户外应用造成个别通信数据丢包，对指令有效性造成了一定影响，但系统配套的状态反馈功能可及时识别出未响应的指令，反馈准确率达到97%以上，基本可确保设备稳定、有效运行。

通过智能灌溉控制系统（图7）进行灌溉管理时，仅需通过电脑、手机等客户端或灌溉系统配套水肥一体机控制界面即可对灌溉过程进行控制，相较传统水肥管理模式节省人工80%以上，有效提高田间灌溉管理的自动化程度。另外，通过科学合理的灌溉决策模型，可有效提高灌溉水利用率和作物产量，符合现代农业自动化、精细化、智能化的发展需求。目前，该系统已在河北、河南、山西、内蒙等地推广应用2 000 hm2（3 万亩），接入智能水肥一体机200 余台，土壤墒情传感器20 余个，截至目前系统运行状态良好。

图7 智能灌溉控制系统Fig. 7 Intelligent irrigation control system

4 结论

针对目前高效节水灌溉技术推广应用中普遍存在的自动化程度低、管理模式粗放、水肥浪费严重等问题，借助于无线通讯技术、自动控制技术及传感器技术等现代技术开发了基于云平台的智能灌溉控制系统，主要可实现以下功能。

（1）智能灌溉控制系统可通过手动和自动两种相对独立的模式，实现对灌溉系统配套设备自动控制及设备运行状态监测，有效提高了田间灌溉管理的自动化程度。

（2）建立了基于土壤ET 墒的灌溉决策模型，可有效提高灌溉水利用率和田间灌溉管理的精细化程度。

（3）应用结果表明，智能灌溉控制系统自动化程度高，系统运行稳定性好，具有节水节肥、节省劳工、增产增收等显著优势，符合现代农业的发展需求。