精准农业节水灌溉技术推广与应用

吕 平

（山西省水利水电科学研究院 山西太原030002）

0 引言

精准农业是将先进的工业生产方式应用在现代高效农业生产管理上，实现全过程数字化、信息化、智能化的技术，在一定的农业生产资源上，获得较高的产量、品质和经济效益，它是一种现代高效农业生产方式，其中设施环境控制依托现代工程技术和信息技术，将作物置于人为调控之下，最大程度地满足作物生长对光、热、水、气和营养物质的需要，提高生产力，实现农业绿色生产，保障农业的可持续发展[1]。

精准灌溉是实现精准农业的关键技术环节，精准灌溉在土壤特性、生长环境、种植作物、首部水源和灌溉设施等约束条件下，利用工程控制和信息化控制对节水灌溉方式、灌溉时机、速度、水量等进行精准控制，使农田水势保持在适宜作物生长的最佳状态，即农田水势的最优化控制[2]。

1 项目背景

作者参与设计《基于农业物联网技术的精准农业自适应监控方法》发明专利，专利号201310039194.1。2015年申请精准农业技术推广项目作为专利成果转化推广应用，项目实施地为山西省沁县松村乡松村的沁州绿园区。

2 精准灌溉方案设计

精准灌溉控制系统是基于无线传感器网络进行设计的，方案设计如下：首先传感器采集田间土壤墒情，其中包括环境温度、湿度、日照强度、土壤水分、土壤温度，然后将采集的作物墒情数据回传至基站，观测基站传送给灌溉专家系统，系统接收到土壤墒情信息后，综合考虑作物环境参数，及时制定出灌溉决策，向指定控制设备并发出灌溉控制指令，实施适时适量灌溉，系统中土壤墒情数据的采集和传输、灌溉控制指令的传输由无线传感器网络来实现[3]；精准灌溉控制系统设计示意图如图1所示。

图1 精准灌溉控制系统示意图

3 技术路线

3.1 灌溉方式选择

作物的生长和收获取决于灌溉方式，灌溉方式不同，灌溉水利用率不同，对于作物的生长影响也有很大的差别。对于传统的灌溉方式，膜下滴灌在低压下，主管和支管作为输配水管道，滴灌带上的滴头向土壤提供水分，这种灌溉方式节水效率高，在蔬菜、温室花卉和荒漠治理等应用广泛。与地表灌溉、喷罐等技术相比，膜下滴灌技术不仅节水效能好，也减少了土壤水分的蒸发、深层渗漏和地表径流，便于农民实施田间管理和控制灌水量，使作物能直接利用水肥。

3.2 水源净化系统

由于基地长期存在水源水质含泥沙量大，原有灌溉系统存在滴头堵塞的问题，而且膜下滴灌对水质也有要求，因此本项目对园区原有水源净化系统进行了更新和改造，去除悬浮物和颗粒进入供水管路，采用了LWY-30型过滤器即离心+网式手动过滤器，最大流量300 m3/h，灌溉面积3.3～13.2 hm2，公称压力在0.4 MPa，过滤精度在60～200目。水源经过净化后，经过PE管道Φ110主管路和PE管道Φ50支管路进入大棚，再经过施肥罐、电磁阀和田间渠首系统，进入滴灌管道，进行灌溉，从根本上解决了水源水质问题。

3.3 传感器的选择

目前，测量土壤水分方法，可依据测量原理主要分为以下六类：重量法、电测法、热学法、射线法、化学法、遥感法等

烘干称重法和TDR法（Time Domain Refleetometry简称TDR法）测量土壤水分，目前在国内具有代表性。

烘干法是测定结果用重量含水率表示。烘干法的优点是测量精度高，操作方法简单；缺点是费时费力，因此烘干法主要用于标定检验。

TDR法（又称时域反射法）是一种快速测量土壤含水量的技术，工作原理是：土壤中高频电磁脉冲传播的速度依赖于土壤的介电特性，而在一定的频率范围内，矿物质、空气和水的介电特性为常数，且水的介电常数要远远大于其他物质，因此电磁脉冲的传播速度主要跟土壤的容积含水量相关。TDR（时域反射法）是目前测量土壤含水量的主要方法之一，可对土壤进行快速、连续、准确的测量，测量范围广（0～100%）、分辨率高，且不需要标定，适合田间快速测量的要求。综合考虑精度和成本[4]；项目采用TDR（时域反射法）传感器的方式，在大棚中测量土壤水分采取代表性样本取样试验对照，保证土壤含水量采集的精度。

3.4 无线传感器网络平台

无线传感器网络平台基于Si1000系列无线平台构建，Si1000系列无线平台具有成本低、发射功率高、集成度高、链路增益预算高等特点，工作于433 MHz公共频段，无需付费。

网络平台的传输协议综合考虑网络结构、数据传输、节点部署、可靠性、低功耗等各种因素，采用国际标准结合自主开发的方式传输，能够满足精准灌溉的需求。

3.5 精准灌溉系统

精准灌溉专家系统主要有两个部分组成：无线传感网络平台和灌溉专家软件平台。首先传感器采集田间土壤墒情包括土壤含水量、土壤温度、生长环境温度、湿度、光照强度，然后将采集的数据回传至基站，再由基站传送给灌溉专家系统，软件平台在接收到土壤墒情参数后，根据天气情况和灌溉知识库，制定灌溉决策，并发出灌溉控制指令，管道上电磁阀（或水泵控制设备）接受指令，进行适量膜下滴灌，土壤墒情的采集和传输、灌溉控制指令的传输均通过无线传感器网络来实现。

温室大棚中全部是蔬菜，取公式（1）进行灌水量的理论计算：

式中：M——灌溉水量，mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

h——根系分布层土壤厚度，cm；

H1——灌水后达到土壤含水量上限，%；

H2——灌水前达到土壤含水量下限，%；

η——灌溉水有效利用系数。

蔬菜灌溉量不足达不到效果，引起蔬菜根系浅化；相反，如果灌溉水量过多，土壤透气性差，根系呼吸不利，影响蔬菜生长发育。

4 精准灌溉专家系统模块开发和应用

精准灌溉专家系统分为在线监测、数据汇总、预警记录、记录查询、追根溯源、基地管理、生产记录、农资资讯、系统管理9个大模块，每个模块下又分若干小功能模块，下面重点介绍在线监测、数据汇总、预警记录、追根溯源四个模块功能，获得国家版权局授予的软件著作权，登记号为2019SR0209246。

4.1 在线监测

在线监测模块主要功能包括视频采集系统、传感器、驱鸟控制、水泵控制、照明控制。

1）视频采集系统通过监控摄像头进行远程实时监控，节省人工现场查看作物的生长情况、墒情和病虫害。

2）传感器：实时采集土壤含水量、土壤温度、作物环境温度、光照强度等作物生长环境信息，查看各传感器采集工作状态和信息。

3）驱鸟控制：通过控制峰鸣器驱鸟，本项目进行了功能软件设计，主要适用于大田灌溉系统，本项目为大棚作物，因此并未进行设备配套，为将来项目的拓展奠定软件基础。

4）水泵控制：根据传感器采集到的土壤墒情数据，设定限值，自动或者人工控制水泵和无线电磁阀启闭时间，及时进行灌溉，保证作物的土壤水分和肥料。

5）照明控制：控制大棚内灯光，实现照明控制，同时能控制大棚夜间室内温度，保持大棚室内温度恒温，满足作物生长温度条件。

4.2 数据汇总

数据汇总模块主要功能历史数据查询、数据报表、数据分析等功能。传感器采集到作物的墒情数据远程回传至系统，建立了数据库，全部存储在模块中，可以掌握作物的生长过程和水肥条件，也能满足农业和水利科研研究对数据采集要求，观测数据如下图2和图3。

图2 一号大棚温度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

图3 一号大棚土壤湿度最高值和平均值（2018年12月1日-21日）

4.3 预警记录

软件预警记录包含种植基地预警记录和虫害预警记录，种植基地预警记录主要指基地的气象条件预警记录。虫害预警记录主要指病虫害预警记录，在预警记录配置中进行气象或虫害预警条件的触发配置，主要是包括气候条件、温度和湿度条件，依据作物叶面特征比对和专家经验，判断发生病虫害的几率。

4.4 追根溯源

项目研究中，不局限于作物墒情有关模块开发，根据经营者要求和用户的需要，同时开发了与食品安全相关的模块，当前人们关注绿色有机蔬菜、食品安全和健康饮食，当采购到商品时，就能通过软件产生的二维码，了解和掌握产品的产地、收获记录、运输记录、销售记录等相关信息。

5 实时数据采集和分析

模块提供温室内温度、光照度以及土壤温度、湿度等实时监测数据，后台储存，具有历史数据和预警事件信息查询功能。将环境和作物墒情监测数据以图表形式或曲线图形式形成统计报表，供科研人员或基地管理人员做出分析与管理决策，同时根据历史数据形成的曲线显示出各参数在不同时间段的变化情况和设定合理的系统参数值、限定值；对于农田水利科研工作，供水利科研和农业基础数据远程收集和观测，分析各参数变化对作物产生的影响，一号大棚湿度平均值如图4。

图4 一号大棚湿度平均值（2018年12月1日-21日）

6 专家灌溉软件主要功能

通过构建无线网络平台和大棚中温度、光照、湿度等无线传感器，对作物的生长环境、土壤含水量、土壤温度等参数进行实时采集，回传至灌溉专家系统，灌溉专家系统依据现场采集的数据和预警信息做出判断，进行远程控制指定设备电磁阀或水泵，进行精准灌溉，同时用户也通过电脑或4G和5G手机客户端实时视频，查看现场情况和数据。本系统以农业节水灌溉技术和远程信息技术（TDR、RFID技术、物联网、云计算等）为服务手段，实现农业生产监测管理，进一步提高农业生产过程的信息化水平，可以广泛应用于温室大棚、大田、畜牧水产。

7 系统特点：

1）系统测量的范围广、准确性和及时性高

系统监控区域大、范围广，系统布置传感器节点构建传感器网络可以覆盖一个几千平方米连栋温室，也可以覆盖大面积的园区温室群，在每个温室中可以采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度等信息。无论在农业科研和生产需要方面，要求系统对作物环境参数和生长要素的监测准确性和及时性，本次试验选取两个试验大棚作为试验点，远程观察时长达4个月，与现场随机采集的数据进行比对，传送准确率达到99.5%，能够满足准确性和及时性的要求。

2）经济实用、成本低、节省人力

无线传感器网络是由部署在监测区域内的传感器节点组成，能以无线方式实现自组网，具有低成本、低功耗、分布广等特点。本系统只需极少的管理人员，节省管理人员和田间操作人员人力和费用。

3）集成化和模块化

水源净化系统、膜下滴灌、水肥一体化和自动化灌溉系统集成系统推广，适用于规模化设施农业；对于小规模的设施农业，根据农田灌溉的实际需要，提出模块化的产品。如：膜下滴灌和水肥一体化系统、土壤墒情采集装置、水泵控制装置、精准农业控制平台等，因此本系统既可以集成化使用，也可以独立使用。

4）开放性和稳定性

系统所有模块采用标准化工业协议，建立智慧农业远程托管中心，数据云平台储存，能实现第三方的链接，开放的优势是面对市场宽，既可以是普通用户，也可以是系统集成商。由于系统建立以后，嵌入到农业生产活动中，在网络稳定前提下，系统配置的各类硬件设备具有安全、稳定、可靠，数据回传准确及时。

5）克服水质对膜下滴灌的影响

膜下滴灌是先进的节水灌溉方式，但水中杂质极易造成滴头堵塞，缩短了滴灌带的使用寿命，节水工程成本增加，因此膜下滴灌对水质中颗粒和悬浮物的含量要求严格。针对水源地的泥沙含量大的特点，本次项目采用了LWY-30型过滤器即离心+网式手动过滤器净化系统，过滤精度在60-200目，完全满足了膜下滴灌灌溉方式对水质的要求，彻底解决了沁县基地灌溉用水和生活用水的水质问题。

8 结语

本项目实现了水肥一体化和灌溉自动化控制系统集成推广，建立了灌溉专家系统，通过光照、温度、湿度等无线传感器，对农作物环境温度、光照、土壤温度、土壤含水量等环境参数进行实时采集，传输到节水灌溉专家管理系统进行实时决策，并通过无线网络传输到网络服务器进行数据储存和处理，开启或者关闭指定设备实现自动灌溉，实现无线远距离数据传输。专家实时根据最新监测数据，根据不同作物不同季节的具体生育指标，判断是否需要对温室环境进行干预（或设定限值进行干预）。比如，根据温室空气温湿度参数判断是否要对温室进行通风，依据土壤水分参数判断是否需要定时定量浇灌。

在项目实施前，农民在温室大棚内进行大水漫灌的灌溉方式，实施膜下滴灌，单位面积灌溉用水量是原有灌溉方式的28%，原有平均用水量在900～1 200 m3/hm2，采用膜下滴灌后平均用水量在270～300 m3/hm2，平均节水量在750 m3/hm2，灌溉水利用率达到0.95以上，土壤墒情采集传感器数据传送准确率达到100%，实时做出精准灌溉决策，实现了精准灌溉目的，以有机蔬菜辣椒为例，每公顷增产产量在2 250 kg左右，增产25%，增产效益7 496～8 996元/hm2；同时节约田间工程费和田间操作人员的费用，增产节支效益明显。

在项目中节水灌溉自动化技术、水肥一体化与膜下滴灌技术的结合使用，不仅起到示范带动作用，提高了农业生产经营者和管理者的节水意识，同时可为山西省贫困县沁县周边地区取得良好的社会效益，在山西实施节水农业可持续发展的战略布局下，节水农业增产增收是缺水贫困地区实现脱贫致富的必要途径，因此本系统在节水农业应用市场推广前景广阔。