“互联网+微喷滴灌”技术集成应用与思考

陈骏

为探索行之有效的节水途径和措施，近年来，我国相关部门和科研机构开始研究推广节水灌溉以及精量施肥技术。2016年江苏省现代农业装备科技示范中心承担“互联网+微喷滴灌”技术集成示范平台建设项目，依托江苏现代农机科技示范园区内的物联网平台，开展“互联网+微喷滴灌”技术集成研究。现结合项目实施情况，就该技术集成应用推广提出思考。

1 项目实施情况

1.1 “互联网+微喷滴灌”技术集成内容

该技术通过硬件设备控制、云端服务器的软件处理，将以环境传感器技术为代表的智能感知系统、以ZigBee协议技术为代表的网络传输系统、以数据库技术为代表的运维管理系统、以软件与终端远程控制为代表的物联网控制系统、以电路控制系统为代表的取水系统、以7种各具特点的微喷滴灌终端部为代表的灌溉系统，集成为一套具有自动感知、自动动作、自动维护的灌溉系统，实现了自动化远程灌溉管理。图1为“互联网+微喷滴灌”技术集成平台组成。

图1 “互联网+微喷滴灌”技术集成平台组成

1.1.1 环境感知系统

在环境感知系统设置土壤和大气环境信息检测系统，检测土壤湿度和大气温度等环境参数。系统预留了备用数据接口，可供拓展传感器数据接入，以便更加细致地感知环境数据。此外，还设置了视频监视点，实时传输现场画面，实时监控工作状态。

1.1.1.1 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器又名土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器，主要用来测量土壤容积含水量，监测土壤墒情及灌溉湿度，具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。

1.1.1.2 光照传感器

光传感器是LUX-485环境光传感器，它采用modbus协议，器件工作电流小，功耗低，测量范围宽。片上光电二极管的光谱响应针对人眼对环境光的响应进行优化，集成红外线及紫外线屏蔽。自适应增益电路可自动选择正确的流明范围优化测试。

1.1.1.3 温度传感器

该项目采用MF53系列NTC热敏电阻温度传感器，将高精度的NTC热敏电阻器与PVC导线、铁氟龙导线等导线连接，用绝缘、导热、防水材料封装成所需要的形状，便于安装和远距离测控温。

1.1.1.4 CO2传感器

采用MH-Z14A二氧化碳气体传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测。该传感器是将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计技术、精良电路设计技术紧密结合而制作出的高性能传感器。

1.1.1.5 雨量传感器

雨量传感器用于防洪、供水调度及电站水库水情管理。

1.1.2 网络传输系统

该项目采用Zigbee、WiFi、3G/4G/5G公网三种无线通信技术。

1.1.2.1 ZigBee无线通信技术

ZigBee是一种新兴的网络传输技术。它通过标准化通讯协议，能够实现近距离(10～100 m)的多设备自动组网功能，具有低功耗、低复杂度、低成本、超视距、高可靠性、高保密度的特点，可以灵活地嵌入各种设备，适用于自动控制和远程控制领域，是一种便宜、低功耗、自组网的近程无线通信技术。图2为ZigBee组网形式。

1.1.2.2 Wi-Fi无线通信技术

Wi-Fi俗称无线宽带，是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号，具有设备兼容性高、传输数据快、数据保密性强、覆盖范围广、功耗低的优点，适用于物联网数据的传输。

1.1.2.3 3G/4G/5G移动空中公网

移动无线通信技术发展到现在，移动终端已经可以直接接入到互联网世界。依托移动通信运营商基站的建设和升级，移动无线传输覆盖范围不断扩大，传输速率、抗干扰性能及数据保密性正在逐步提升，非常适合用于物联网控制的数据传输。

1.1.3 运维管理系统

运维管理系统主要通过计算机信息终端、移动终端（如手机）实现接收信息、修改设置灌溉设备的自动控制参数、远程控制灌溉设备、查看视屏监控等功能。

1.1.3.1 终端查看信息

通过计算机信息终端或移动终端（手机）接入运维管理系统，可查看示范点内土壤湿度、光照、二氧化碳浓度、环境温度、近期降水、设备实施状态等信息，以供用户决策参考。

1.1.3.2 终端修改设置参数

通过计算机信息终端或移动终端（手机）接入运维管理系统，可设置自动控制参数。根据设定的温度值，自动开启或闭合湿帘风机、雾化喷淋等设备，达到干预环境条件的目的。

1.1.3.3 手动控制各项设备

通过计算机信息终端或移动终端（手机）接入运维管理系统，可最大程度地实现用户对设备及环境条件的自主控制。

1.1.4 物联网控制系统

图2 ZigBee的组网形式

通过电气控制柜实现对灌溉系统的本地操作以及自动远程控制。控制柜内的CPU处理模块会根据用户设定的各项参数，对比感应系统内各传感器设备反馈的环境数据。当环境数据超过或低于设定值时，相应设备会进行自动化控制。

1.1.5 取水过滤加工系统

为了更好地满足灌溉用水需求，该系统设置了水体处理系统、自动维护系统和水路转换系统。

1.1.5.1 水体处理系统

取自自然水体的原水虽然富含养分，但难免掺杂水藻、砂石等杂质。水体处理系统可将原水送入自动反冲洗砂石滤罐，过滤杂质颗粒。经过滤处理后的水经过泵房进出水转换装置直接送达喷滴灌首部。在水泵和自动反冲洗砂石滤罐之间还安装了比例施肥器（含施肥桶、搅拌泵），能确保富含养分的水体可以顺利通过微喷滴灌设备布洒到农作物上。

1.1.5.2 自动维护系统

为有效过滤自然水体中的杂质，砂石过滤器设置为2个1组。在过滤状态下，当过滤器前后压力差大于0.1 Mpa时,反冲洗控制器会给出信号，启动三通阀工作，实现对过滤器的反冲洗，确保过滤器不被堵塞，正常工作。图3为反冲洗自动控制示意图。

1.1.5.3 泵房水路转换

考虑到旱季缺水及取水地因维修清理无法正常取水等极端情况，以及系统覆盖范围内温室、湿帘池、喷滴灌、绿化等不同水质需求，泵房在设计时预留了自来水供水路径，建有水路转换装置。通过该套控制装置，可以实现模式切换功能。

1.1.6 微喷滴灌终端部

在园区内共布置了7种各具代表性的微喷滴灌首部，包括倒悬微喷（吊挂式微喷头）、地插微喷（半径1 m全圆喷洒微喷头）、射线喷灌（散射喷头）、滴灌（压力补偿式滴头）、微喷带、滴箭（压力补偿式滴箭）及摇臂喷头固定喷灌（半径5 m）。

1.1.6.1 倒悬微喷

倒悬微喷又称吊挂式微喷、悬挂式吊喷或悬吊式微喷。这种微喷具有倒置安装的特点，具有防滴器（也称止漏阀），可有效防止停喷后管道中充水滴漏伤苗现象，适用于温室大棚中的花卉、蔬菜的灌溉。

1.1.6.2 地插微喷

地插微喷也称插杆式微喷，微喷头可任意设置和拆卸，喷头喷洒稳定，可360°全圆喷洒，水量分布均匀。它与悬吊式微喷是同一类喷头，只不过是安装方式不一样。

1.1.6.3 射线微喷

射线微喷是固定微喷的一种，多使用进口或国产专用地埋喷头。固定时，与草坪地面平齐；工作时，在水压作用下，喷头伸出草坪进行喷灌；停止喷灌时，由于水压降低，喷头又缩回草坪中。可依据草坪面积和地形选用不同的喷射半径。

1.1.6.4 滴箭滴灌

滴箭是一种稳流集束式滴箭组，由分水器、发丝管和滴箭组成。分水器的出水口与发丝管一端连接，发丝管另一端连接配有箭套的滴箭。滴箭流道采用迷宫型紊流流道，能有效减压，确保下水均匀，使水沿着插杆的流道流动，避免冲刷土壤或基质。滴箭常与压力补偿式滴头联用。

图3 反冲洗自动控制示意图

1.1.6.5 微喷带喷灌

微喷带是一种新型微灌设备，又称“喷灌带”“微喷带”“喷水带”“喷水管”“多孔软管”等。微喷带作业原理是用压力将水经过输水管和微喷管带送到田间，经过微喷带上的出水孔，在重力和空气阻力的作用下，形成细雨般的喷洒。

1.1.6.6 滴灌

滴灌是按照作物需水要求，通过低压管道系统与安装在毛管上的灌水器，将水和作物需要的养分一滴一滴、均匀而又缓慢地滴入作物根区土壤中的灌水方法。滴灌的主要特点是灌水量小（灌水器每小时流量为2～12 L），一次灌水延续时间较长，灌水的周期短，可以做到小水勤灌；同时，需要的工作压力低，能够较准确地控制灌水量，可减少无效的棵间蒸发，不会造成水的浪费；另外，滴灌还能自动化管理。

1.1.6.7 固定式摇臂喷灌

固定式喷灌除喷头外，其余设施均固定不动，干、支管道常埋设在土层内，喷头可作圆形或扇形射线微喷，喷灌操作简便，作业效率高，便于自动控制。

2 项目实施的成效

2.1 实际使用效果

设备投入使用后，江苏省现代农业装备科技示范中心白马基地示范点的农作物灌溉已基本实现自动化远程控制；同时，对于灌溉用水的要求也大大降低。通过实时监测土壤环境，配合使用喷滴灌设备，基本能够做到按作物生长需要补充水分。设置在灌溉系统中的比例施肥器能够有效防止农田过度施肥现象。通过天气检测系统提供的数据，结合当地气象部门的气象预报，可适时调整施肥时间，避免因降水导致的肥水流失，减少水体污染。

2.2 示范宣传效果

该套系统投入使用后，产生了较好的农机化示范宣传效果。自项目建设开始至投入运行的近三年时间里，江苏省现代农业装备科技示范中心通过组织周边农户观摩、合作院校实地教学、友邻单位参观交流等形式，积极宣传“互联网+微喷滴灌”集成技术，对推进设施农业发展产生了示范带动作用。

3 技术推广应用思考

3.1 技术应用中存在的问题

“互联网+微喷滴灌”集成技术自动化程度高、操控便捷，但技术应用条件较高。

3.1.1 建设成本高

该技术平台依赖于系统的科学设计、优质建设。这样一套完善的系统对建设工艺以及系统内各设备的质量水平和工作稳定性要求较高，投入成本也较高。这是制约该技术推广的首要问题。

3.1.2 使用技术要求高

“互联网+微喷滴灌”系统集成了大量电器控制设备和网络传输设备，操作使用主要是通过电脑终端、移动终端（手机）、控制柜进行，对使用者技术水平要求较高。

3.1.3 智能化水平有待进一步提高

目前的“互联网+微喷滴灌”系统尚处于环境感知、通过网络控制手段实施自动化工作的水平，尚不能对感知的数据加以分析。

3.2 对策与建议

3.2.1 细化建设标准

可以根据“互联网+微喷滴灌”技术的适用范围，按照不同技术应用需求，制定相应的喷滴灌系统建设标准。例如：在研究制定适用于经济价值高、需要精细化管理作物的喷滴灌系统建设标准时，要着力于实现精细化控制，提高农产品品质；在研究制定适用于低价值、大面积生产作物的喷滴灌系统建设标准时，要在满足农作物生长需要的同时，侧重于节约种植管理成本。

3.2.2 注重社会生态效益

在“互联网+微喷滴灌”技术推广应用过程中，应进一步规范农业生产中的肥料、农药使用，使农户生产的农产品能够达到有机食品的标准，把社会生态效益转变成实实在在的经济效益。

3.2.3 加强政策引导

由于“互联网+微喷滴灌”系统建设成本高，推广难度比较大，建议政府相关部门给予政策扶持和资金补助，调动农机企业和用户的积极性，形成多方合力，促进新技术新机具的推广应用。

3.2.4 做好智能化的技术准备

应尽早谋划农业大数据的采集、存储与处理，为技术的智能化发展做好准备。