摘要：文章对智能灌溉系统中的关键技术问题展开研究，对智能灌溉系统的组成、多路信号采集与控制、网络通信系统以及后台应用系统进行了详细设计与开发，并实现了应用。智能灌溉系统可实时采集并存储现场各类数据和参数，如土壤温湿度、气象参数等；实现地块各温室大棚灌溉指令下发。农业智能灌溉系统的研发有助于实现精准灌溉，达到节水、增效、增产的目的，提升农业科学管理的水平。
关键词：节水灌溉；智能灌溉；应用；
近年来，智慧农业的发展如火如荼，物联网感知技术、数据传输技术、智能处理技术已经走进农业生产的各个领域。政府、企业和相关组织都希望通过农业生产领域的智能化、经营领域的差异性以及服务领域的全方位，推动农业产业链改造升级，实现农业精细化、高效化与绿色化，保障农产品安全，提升农业竞争力和可持续发展。智能灌溉是智慧农业的一种重要形式。智能灌溉是指通过布置各种传感器，对温室内部的环境参数和土壤墒情信息等进行采集、存储，通过智能化设施对环境进行自动控制和管理，实现农田灌溉的精细化、适时化、自动化、智能化，为精准化农田管理提供科学依据，使农田灌溉以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。智能灌溉既可以节约用水，提高水的利用率，又可以促进农业增产增收。
智能灌溉系统中的关键技术包括基于智能终端的多路信号采集与控制、网络通信系统。数据采集与控制依赖于现场控制终端和传感器网络，网络通信系统依赖于有效的通信协议。本文针对智能灌溉系统中的关键技术问题开展研究，对智能灌溉系统的组成、多路信号采集与控制、网络通信系统以及后台应用系统进行了详细设计与开发，实现了智能灌溉系统的应用。
1 智能灌溉系统的组成
1.1 智能灌溉系统平面图
传统的温室大棚灌溉是由人工操纵独立的灌溉机械完成的，灌溉的方式往往采用漫灌或沟灌。整个农业园区由处于不同空间地理位置上的多个地块组成，每个地块又布置多个温室大棚。温室智能节水灌溉要求无线传感器网络覆盖整个农业园，完成信息采集、传输和自动控制任务。在每个温室大棚内安装灌溉管道，管道上安装一个流量传感器和电磁阀，用于流量监测和控制；各地块的一个典型温室大棚内安装土壤墒情监测器，用于监测该地块的土壤养分等数据，如图 1所示。
图 1 农业智能灌溉系统平面布置示意
1.2 基于传感器网络的数据采集与传输
在该农业园区智能节水灌溉系统中，土壤墒情传感器网络节点安装在温室大棚中，根据监测对象的需要，为传感器节点配置不同类型的传感器。土壤墒情传感器监测大棚内的土壤含水量、土壤温度、湿度等信息，通过信号线连接到首部控制终端，实现土壤墒情数据的采集；温室大棚流量传感器监测管道水流量，并上传到终端。在各地块中间安装小型气象站，用于监测地块的气象信息。终端采集的数据通过移动 GPRS 完成远程信息传输，上传到监控中心，用于后台的综合管理。
1.3 温室内部控制
终端可以基于 GPRS 无线通信接收监控中心下发的命令，通过多路信号线连接到灌溉系统首部的触电器和地块内各温室大棚的电磁阀，实现地块灌溉和大棚流量控制。终端内还可以预先下发设置灌溉方案，即确定灌溉量、灌溉时间等参数，基于地块和大棚采集到的数据，自主判断并自动执行灌溉方案。
2 系统关键技术
该园区智能节水灌溉系统由综合监控平台、网络通信系统、多路信号采集与控制 3 个层级构成。综合监控平台实现数据的存储、综合管理与控制命令下发；多路信号采集与控制终端实现基于传感器的数据采集和对灌溉系统首部继电器与大棚电磁阀的控制；网络通信系统实现监控平台与终端之间的上下行网络通信。监控平台与各终端之间通过 GPRS 实现双向通信。监控中心可实时显示和控制整个农业园区的灌溉情况，并可制作灌溉方案下发到具体终端，由其根据具体环境条件自动执行灌溉方案。智能灌溉系统的关键技术在于基于物联网的多路信号采集与控制和网络通信系统。
2.1 基于智能监控终端的多路信号采集与控制
该园区智能监控终端实现传感器和后台监控系统之间的高精度数据采集、隔离转换、监控与传输。通过软件配置，智能监控终端可接入多种传感器类型，包括电流输出型、电压输出型等等。智能监控终端设置多路信号采集和控制，实现与现场设施的连接。终端内部包括电源隔离、信号隔离、线性化、A/D 转换和 RS-485、RS-232 串行通信等模块。通讯方式采用 ASCII 码字符通信协议。在智能监控终端内，所有用户设定的校准值、地址、波特率、数据格式、校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器 EEPROM 里。信号输入/输出之间隔离。可承受 3000VDC 隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围在-45 ℃～+80 ℃。
2.2 网络通信系统
该园区智能节水灌溉系统可靠性的关键环节在于前置机通信系统。前置机通信系统一方面负责与现场智能终端通信，实现数据采集和命令下发，另一方面要与后台监控系统连接，实现数据的存储和参数取出。与现场智能终端的通信需要制定一套数据链路层通信协议，并且要实现多种通信方式和通信设备（协议）的动态兼容。与后台监控系统的通信需要制定一套应用层通信协议。网络通信的上行数据包括：土壤温度、湿度、氮磷钾等养分含量、空气温度、湿度、电磁阀及各控制器的工作状态等信息。下行数据是指由监控平台向各控制终端发出的各种控制指令，包括指定电磁阀的开关指令、各终端的状态查询指令以及对各终端参数的下发等。
3 智能灌溉施肥控制系统的应用
3.1 系统设计架构及组成
针对当前较为常见的规模经营农业种植园区，在中国水利水电科学研究院自主研发的水肥一体化智能管控系统软件基础上，对灌溉系统进行了设计。该物联网水肥一体化智能灌溉系统主要由 8 部分组成：（1）智慧平台（信息中心）；（2）田间灌溉控制系统；（3）智能施肥系统；（4）农田气象环境监测系统；（5）远程土壤墒情测报系统；（6）远程管道压力、流量监测系统；（7）远程作物长势视频监测系统；（8）能效监测系统。其中，农田气象环境监测系统与远程作物长势视频监测系统采集田间雨量、温度、湿度及作物长势等参数信息，远程管道压力、流量监测系统与远程土壤墒情测报系统通过解码器采集管网压力、流量数据与土壤含水率及墒情状况信息，通过有线或无线传输至田间灌溉控制系统，进行信息识别与处理，并对智能施肥系统与能效监测系统进行调节，同时也可通过客户端访问智慧平台（信息中心）对灌溉控制系统进行参数调试，及时了解作物生长状况与灌溉系统运行状况，确保系统正常安全运行，促进作物稳产高产。系统架构及组成示意图如图 1 所示。
图1 水肥一体化智能灌溉系统架构及组成示意图
3.2系统主要组成部分
（1）智慧平台（信息中心）：主要完成功能包括实现多维信息存储与维护，对外精确展示每个区域的农田环境信息、水量信息、农业气象信息等，通过智能灌溉管控软件平台进行报警提示与生产指导。
（2）田间灌溉控制系统：主要通过解码器系统与田间的电磁阀、流量传感器、压力传感器、墒情传感器等进行实时通讯，采集相关数据，从而进行灌溉决策。灌溉控制器与田间设备通讯机制如图 2 所示。通过电脑、手机或 Ipad 可直接通过浏览器输入IP 地址访问灌溉控制器页面，进行灌溉参数的设置与操作。
图 2 灌溉控制器与田间设备通讯机制示意图
（3）智能施肥系统：灌溉系统内置智能施肥控制程序，采用兼容 N、P、K 及微量元素等多个施肥通道的智能施肥机，通过调控肥液的 EC 及 pH 值来确保肥液参数与作物的生长需求相适应。
（4）农田气象环境监测系统：采用自动气象站采集雨量、湿度、温度等参数信息，并传送至智慧平台，根据内置数据库，结合彭曼公式分析得出参考作物需水量 ET 0、作物系数 K c、作物实际需水量 ET c等，为
制定灌溉制度提供合理参数。
（5）远程土壤墒情测报系统：根据实时土壤含水量及气象信息自动评估土壤墒情是否正常，并设定灌水上、下限值。可实时请求田间信息，获得灌溉参数，迅速、准确、实时、高效、易用。
（6）远程管道压力、流量监测系统：通过低功耗传感器实时采集管道压力、流量数据，并传送至灌溉控制器和信息中心综合管控平台，从而保障灌溉系统安全运行。
（7）远程作物长势视频监测系统：采用数码相机或视频设备记录田间作物冠层影像信息，定期拍摄作物长势图片，并存入数据库。可实时查询作物长势变化，进行年际对比，以及时调整灌溉、施肥方案。
（8）能效监测系统：用于监测灌溉系统运行消耗的电能，可查询周、月、旬用电量，分析电能利用效率，根据电价分析投入产出比，为调整优化灌溉、充分利用能源及提高能效比给出参考建议。
4 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。
结束语：
现今社会的发展正在以前所未有的速度实现现代化，农业现代化的脚步更加大步迈进。在我国当前的水资源紧缺的情况下，实现农业节水灌溉是一项重要的工程。农业的节水灌溉既解决了水资源匮乏的问题，又能保证农民生命财产的安全。本文基于以上的现实情况设计了一套农业自动控制节水灌溉系统，实现了从农田数据自动监测与采集到灌溉自动控制的全自动化运行，减少了人为工作。本文将该系统实际运用于农田中，进行了试验，得出的结果和预期一致能够有效地进行自动化控制并实现精准地灌溉。
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论文作者:王晓玲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：智能论文; 系统论文; 终端论文; 墒情论文; 农业论文; 传感器论文; 土壤论文; 《基层建设》2019年第1期论文;