农业信息节水技术助力设施农业的发展

郑文刚，吴文彪，刘蔓虹

（国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097）

农业作为国民经济的基础产业和战略产业，是任何国家和地区经济发展所依赖的基础。对于我国这样一个农业大国来说，农业生产的发展对于确保社会经济长期持续发展更是具有特殊重要的意义。随着人口增长和经济社会发展，制约农业生产的因素越来越凸显，特别是作为“农业生产命脉”的水资源，其对农业制约作用越发明显，农业节水已成为很多国家农业发展的战略。农业水资源既是宝贵的自然资源又是重要的环境要素，它是经济发展的重要支撑条件，对于经济社会可持续发展具有举足轻重的作用。21世纪水资源短缺危机进一步加剧，水资源开发成本在提高，难度在加大，再加上人口数量即将达到峰值，对水的需求也将达到顶峰。预计2030年我国人口将达到16亿，需水量将到达8 000亿m3以上，届时缺水将达到上千亿m3。因此，水资源短缺将成为制约农业和农村经济持续稳定发展、危及我国粮食安全的最重要因素之一。充分利用信息技术的最新成果，发展高效节水农业将成为我国促进农业经济发展和保障粮食安全的重大技术措施。

1 信息技术与传统农业节水技术的相互融合

1.1 农业信息节水的内涵

我国总体上是一个干旱缺水的国家。随着工业化和城市化进程的加快，供水形势将更加严峻。近年来，农业灌溉用水量占农业总用水量的90%，占全国总用水量的63%，农业灌溉用水量占各行业总用水的60%以上，是名副其实的“用水大户”。 随着农产品需求的日益增长，农业用水需求不断增加，要解决农业用水日趋严重的供需矛盾，必须从根本上调整农业发展思路、转变发展方式，大力发展农业信息节水技术。

国际上信息技术在农业节水中应用十分普遍，通过信息技术将工程节水、农艺节水和管理节水进行有机集成，形成了土壤墒情监测、作物水分状态诊断、节水灌溉自动化控制、用水集中管理等比较完善的灌溉控制体系。而我国目前农业节水信息技术缺乏实用技术产品，主要产品依赖进口，成本高，难以大面积推广应用。且我国农业生产类型复杂、种植品种多样，各地社会经济条件差异很大，要将信息技术有效地应用于农业节水，必须根据我国农业生产实际，突破农业节水信息化关键技术，开发高性价比的实用技术产品，建立墒情监测、灌溉控制和节水管理系统，将信息技术与农业节水技术有机融合，提出适合我国国情的信息化、数字化的农业节水解决方案。

农业信息节水是指把先进的感知技术、数据传输技术、自动控制技术以及智能决策等现代信息技术与传统的农业节水技术相融合，用信息流调控农业用水过程，形成的一种新的农业节水技术方式。这种先进的农业节水信息技术主要包括土壤墒情自动监测技术、节水灌溉自动控制技术和用水管理技术、水质自动监测技术等。

感知技术是农业信息节水的“感觉器官”，主要完成对农田信息（土壤温湿度以及气象信息）、水资源信息以及作物生长生理信息的采集；传输技术是农业信息节水的“神经系统”，主要完成采集信息从感知部分到智能决策终端的传送，同时负责把决策终端的命令发送到农业节水信息系统的各执行设备；自动控制和智能决策是农业信息节水的“大脑”，它负责融合各种采集信息，形成相应的智能决策和下发相应的执行命令。

1.2 农业节水信息技术的研究现状

美国、日本和欧洲等发达国家在农业节水信息技术的研究应用上开展较早，在农业信息采集感知技术、传输技术、自动控制技术以及智能决策方面具备比较坚实的基础，开展了信息技术在土壤墒情自动监测预报系统、节水灌溉自动控制系统、用水管理以及水质自动监测系统中的应用研究，形成了完善的农业节水信息技术产品体系，并得到广泛应用，促进了本国节水农业和生态农业的发展。

我国从20世纪50年代就开始进行信息技术在土壤墒情监测、灌溉、用水管理以及水质监测方面的研究应用工作。通过半个多世纪的努力，农业节水信息技术取得了很大进展。但总体来说我国的墒情监测技术、智能灌溉控制技术以及水质监测技术还处于初级发展阶段，没有形成成套的系统，智能化程度较低。国内开发的土壤墒情监测系统、智能灌溉控制系统以及水质监测系统多处于研制、试用、示范阶段，功能可扩展、逻辑可编程的信息处理、运算和控制设备在节水灌溉控制系统中的应用还不多见。

2 农业信息节水关键支撑技术

2.1 土壤墒情监测技术

农田墒情信息化监测网络是建立现代高效农业、优化配置水资源、提高灌区灌排管理水平的一项重要内容，是实现农业生产、灌溉现代化的基础性工作和农业抗旱救灾的重要支撑平台。土壤墒情监测技术主要包括外界环境感知、信息获取、数据传输和数据处理等关键技术。土壤墒情监测系统是利用墒情监测关键技术构成的从土壤含水量、水质、气象等数据的采集、传输、存储到采集数据的集中管理、统计分析、预测以及发布的一套完整墒情监测方案，通常由监测中心、数据传输通道和采集终端3部分组成。

马克思《<政治经济学批判> 序言》提出，后继者加以补充的原始社会、奴隶社会、封建社会、资本主义社会、共产主义社会五形态，属于大尺度时代。政治经济学批判

国家农业信息化工程技术研究中心农业节水信息技术研发团队开发的全国土壤墒情监测管理系统，采用先进的通信、电子和计算机技术，突破墒情监测信息化中的关键技术，建立了开放式墒情监测平台，整个系统主要由3部分组成，即野外墒情数据监测站、GPRS传输系统和监控中心软件系统，其结构图如图1所示。

图1 实时墒情信息采集系统结构图

土壤墒情信息实时监测系统采用高精度传感技术、GPRS无线通信技术、数据库存储和处理等先进关键技术，系统实时采集土壤墒情等数据，通过GPRS网络传输到监控中心，然后经过校验处理后存储于数据库中，可通过网络浏览器进行查询显示。系统实现了全国土壤墒情数据的网上申报和管理。研制了土壤水分、土壤温度、空气温湿度、光照等传感器和远程墒情监测采集装置，不仅可以外接各种气象传感器和土壤信息传感器，而且可以与Davis和Campbell气象站兼容，且具有多种通讯模式实现数据的远程传输。成果在性能上达到国外同类产品水平，但成本下降了50%～70%，在系统集成性、产品多样性、软硬件配套、软件智能化程度上，达到国际同类产品水平，成果已在全国20多个省市应用。

2.1.1 墒情监测传感器

墒情监测关键在于传感器，从狭义方面来说，墒情监测传感器只包括土壤水分和土壤温度传感器；广义上讲还包括气象传感器，如空气温湿度、光照、降雨、辐射和日照时数等传感器。

2.1.2 远程墒情采集站

WS-1800远程墒情采集站是一款具有自动采集、存储和远程传输土壤温湿度、气象信息的远程自动墒情采集设备，可以采集4路土壤温度、4路土壤湿度信息以及空气温度、湿度、风速、风向、降雨、辐射、日照时数等气象信息，用户可以根据需要选择通讯方式，设置数据存储和发送时间间隔。同时，系统采用太阳能供电，并能够通过设置合理的工作模式，降低系统的功耗。如图2所示。

2.1.3 全国土壤墒情监测数据上报系统

全国土壤墒情监测数据上报系统汇集和积累了全国土壤墒情监测数据，规范墒情监测和统计数据格式，并进行集中的管理和分析，方便有关部门及时获得土壤墒情监测的统计分析数据，了解全国各地的土壤墒情状况。该系统建立了科学有效的数据管理、分析和传输模式，为土壤墒情的研究应用工作提供基础数据信息，最终服务于土壤墒情的科学管理和决策水平的提高。

2.2 节水灌溉自动控制技术

国家农业信息化工程技术研究中心在国家相关项目的支持下，开发出节水灌溉智能控制相关硬件和软件产品，主要包括ZIGBEE无线组网灌溉控制器、ASE可扩展灌溉控制器和智能灌溉控制软件等，研究成果技术先进实用，产品稳定可靠，总体上达到国际先进水平。目前，研究开发的很多技术产品已经进入市场化大规模推广应用阶段，可广泛应用于农业、公园、城市绿地、道路隔离带、体育运动场所（高尔夫球场等）的节水灌溉，实现灌溉智能控制和远程监控。

节水灌溉自动控制系统的控制对象是灌溉系统中的执行设备，一个典型的灌溉系统由水泵、施肥器、过滤器、电磁阀及出水器组成，系统如图3所示。自动控制系统通过控制系统中的水泵、施肥器、过滤器及灌水单元电磁阀实现对灌溉过程的自动控制。

系统中，控制设备获取传感器的信息，通过其内部的灌溉决策模型作出灌溉决策，控制阀门、水泵等相关设备，实现对农田作物的灌溉。远程的中央灌溉控制软件则可以通过多种通信方式与灌溉控制设备通信，实现对灌溉系统的总体监控。实际应用的灌溉控制系统可以是一个完整的控制系统，也可以只使用其中的一部分。

2.3 用水信息化管理技术

图2 WS-1800远程墒情采集站

图3 灌溉系统典型结构示意图

国家农业信息化工程技术研究中心在国家相关项目的支持下，开发了系列用水管理设备，包括IC卡水表、机井水电控制器、远程抄表采集器等设备，研制了基于GIS技术的具有信息查询、数据统计、水费征收、公文制作、报表打印等功能的机井监测与用水计量收费系统，构建了农业用水管理系统。

采用最新通信、电子和计算机技术，通过突破农业用水管理的关键技术，建立了开放式农业用水管理平台。该系统由监控中心、传输网络和不同类型监测站点共同构成，实现了农业用水情况信息的采集。系统以移动通信环境为基础，可实现远程数据采集，整套系统可以安全、高效、准确地对农业用水信息进行实时采集和数据发布，实现多点分布式用水信息的监测和发布。IC卡水表安装如图4所示。

3 农业信息节水典型应用案例

温室节水灌溉控制系统选择“大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统”为例介绍。该基地坐落在大兴区长子营镇永和庄村，园区始建于2008年，总占地面积约6.67 hm2。拥有日光温室10栋，春秋棚8栋，连栋温室2 100 m2。基地集中展示了西甜瓜、蔬菜、甘薯、花生、食用菊花等农作物新品种以及香蕉、木瓜、火龙果等南方作物。建设宗旨在于全面展现大兴种植业当前最前沿的优新品种、新技术以及科技推广手段。

“大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统”是一套集对象感测、数据采集、信息传输、分析决策、智能控制等多层次结构的现代化综合监控系统。系统在采集基地内的气象信息、温室内的环境信息、土壤含水量信息的基础上，综合分析作物生长的环境和水肥需求，通过大屏幕显示、声光报警方法，指导技术人员进行环境和水肥调控，为作物生长提供一个良好的气候小环境。

整个系统采用分层分布式结构，主要包括1个气象信息采集点、12个语音型温室环境信息采集点、10个日光温室测控点、1套连栋温室测控分中心及综合控制中心。系统配套了高清视频监控设备，实现了基地内10个日光温室、连栋温室以及园区4个关键点视频信息的24 h不间断监控。监控系统的应用有助于科研工作者及时跟踪作物生长情况，对作物生长的关键环节进行追踪，并及时发现作物的病虫害疫情。

图4 IC卡水表现场安装图

各采集点与测控点采集各类传感器数据，通过485总线和网络将数据上传到综合控制中心；综合控制中心接收到数据后，对数据进行处理分析，形成决策指令，并将指令发送到各采集点与测控点；接收到指令后，语音型环境信息采集点通过语音方式，提醒日光温室用户进行人工通风、遮阴、覆盖保温被等工作。日光温室测控点通过控制指定电磁阀，进行湿度和水分调节；连栋温室测控分中心通过配电控制柜间接控制，实现温室内通风、遮阴或者灌溉；系统可同时对数据进行对外发布，远程用户只需录入指定网址，通过密码登录，即可了解现场实时数据，并掌握整个系统的运行情况。系统整体结构框图如图5所示。

4 发展趋势与展望

农业节水信息技术是降低劳动强度、提高工作效率和农业效益的有效技术手段。自动化和半自动化运行的农业节水信息系统，如灌溉自动控制、墒情监测系统等，大大减少了人工控制和监测信息采集的工作量，降低了人工劳动强度和人为主观操作导致的灌溉盲目性。另外，水源水质的实时监测和更为精确的灌溉施肥控制，不仅可为作物提供水质安全的适宜水量，而且实现了肥水一体化管理，保证了作物营养的需求，进而提高农作物的产量、品质和经济效益。

图5 综合监控系统整体结构框图

随着水资源供需矛盾的日益突出，农业节水在促进我国农业可持续发展、保证粮食生产安全、维护社会稳定等方面具有的战略地位和重要作用将日益显现，大力发展节水型农业，是我国未来农业可持续发展的必然选择。随着农业节水需求的不断增加和信息技术成本的大幅度下降，信息技术必将更加广泛而深入地应用到农业节水的各个环节。

未来农业节水信息技术将向着监控系统无线化、控制决策智能化、设备和软件开发平台化方向发展。

4.1 监控系统无线化

农业节水信息系统是一个分布式的信息采集与控制系统，通信系统是连接各个部件的基础系统。如在农田内布置大量线缆，将影响农田的耕地、播种、施肥、打药等农事操作，这使得在实际农业生产中不可能采用有线的方式连接系统，低功耗无线网络可以有效地解决这一问题，且不需要外部供电，具有广泛的应用前景。

基于无线传感器网络的农业节水信息系统在以下几个方面具有较好的研究前景：一是基于无线传感器网络和无线移动通信技术的墒情监测系统，通过应用无线传感器网络，构建区域多点墒情监测，通过无线移动通信技术实现数据的远程传输，再借助于第三代高速移动通信网络，可以实现苗情的图像和视频监测；二是低功耗精准灌溉控制系统，通过研究和开发无线电磁阀和无线土壤水分传感器，可以构建安装极其方便的无线精准灌溉控制系统，由于无线电磁阀和传感器均不需要外部供电和通信线缆，该系统的布置具有很大的灵活性；三是网络化农业用水计量系统。农业用水计量是未来农业节水的一个必经之路，它可以为制定节水灌溉制度、推行定额灌溉、实行用水阶梯收费建立技术基础，准确的用水计量可以使研究人员获得灌溉用水信息，可以使管理者掌握农民的实际灌溉需求，为进一步研究灌溉制度、制定灌溉用水定额政策打下基础。网络化的农业用水计量技术包括远程抄表、用水定额自动控制、阶梯水价收费等功能，考虑到农业用水的特点，技术研究的难点在于如何将分散的水表通过低功耗无线的方式实现互联，并远程传输到监测中心。通过该技术体系构建的系统可以快速地获取灌溉信息，从而发现农民生产中灌溉不合理的问题，可以为推行定额用水、阶梯水价等管理制度提供技术支持。

4.2 控制决策智能化

信息节水的关键是依据采集的信息智能控制灌溉，不断完善决策模型，实现基于多元信息的智能决策。融合人工智能技术，构建高智能灌溉控制系统是信息节水的重要技术研究发展方向，这也是提高灌溉精度、降低系统能耗的关键。融合先进控制及测量技术，研究基于神经网络、模糊控制、回归模型、专家系统等多种现代控制理论方法的控制执行算法、模型，开发通用、易扩展的灌溉控制核心模块及设备将成为研究的重点。灌溉控制系统操作的人性化是另一个智能性的体现。以用户为中心的灌溉系统构造理论及技术发展迅速，灌溉控制系统的操作向着简单、实用方向发展，从原来的控制器按键及旋钮操作到计算机鼠标键盘操作，再到无线遥控方式，未来将会出现的语音等控制方式；低功耗无线通信技术在灌溉控制系统中将得到广泛应用，灌溉系统中各主要组成部分将逐渐实现无线化，灌溉节点的增加删除更加灵活自由，灌溉控制系统通信网络的智能化将进一步促进自动灌溉的推广和应用。

4.3 农业节水信息系统的标准化和平台化

农业节水信息技术经过多年的发展，相关技术及设备取得了一定的成果，但在一些关键环节缺乏相关技术和设备。由于缺乏统一的技术标准，各技术设备间难以进行系统集成，技术设备种类单一、不成系列，又不能有效集成第三方技术产品，从而限制了节水信息技术的应用发展。另外，由于缺乏成熟、可靠的农业节水信息系统软件开发平台（工具），导致灌溉控制工程通常使用工业的组态软件或针对灌溉工程单独开发，开发效率低，稳定性差，不利于大范围推广和应用。灌溉智能控制系统大范围运行需要区域气象、蒸腾量等信息支持，由于缺乏农业节水信息系统公共服务平台和信息采集发布技术设备，导致单个灌溉智能控制工程成本较高，重复建设严重。因此，研发节水信息系统的软硬件开发平台，将是未来农业节水信息技术研究的重要方向。