果树容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究与应用

王海松,王 越

(山西农业大学果树研究所，山西 太谷 030815)

20世纪80年代起，空气修根容器栽培以其育苗周期短、栽植季节长、成活率高等优点开始广泛用于林业育苗。果树容器育苗利用空气修根原理不仅解决了根系缠绕问题，大幅提高了成活率、果园建园快且不需缓苗，还可以广泛应用于工厂化、智能化育苗。近年来随着我国城市化进程的加快，果树种植面积的大幅增长，果树容器培育苗木必将成为果树育苗、果园快速更新的主要栽培方式之一。

果树容器育苗因其自身栽培特点，在实际生产中较大田育苗有其显著优点，而水肥管理是需要攻克的关键技术环节。充分利用栽培方式的工厂化、设施化，智能化可以有效节约人工及材料成本，推动实现苗圃的标准化管理。

随着智能农业的发展，将信息化技术应用于生产区环境监控及生产过程管理，已在栽培管理领域发挥了巨大的作用。但大多应用都是基于大田土壤环境下，对于特定树种的果树容器育苗模式很少涉及。基于物联网技术的容器节水灌溉起步不久，从硬件的成熟性、应用的局限性来说，还存在着如下问题和不足。

1)不能整合多媒体信息(视频、图片)。果树育苗园区灌溉需要配合视频监控，现有的人工方式费时费力。

2)缺少一体化完整解决方案。多数监测方法单一数据模式，不能适应快速发展的需要。

3)对传感器接入类型太多限制，不便部署。当前大多数果园监测设备要求使用指定的传感器，不具备通用性。

4)工业级产品缺乏，部署地域受限。在我国南北气候差异很大，南方夏季炎热，而北方冬季十分寒冷，只有工业级产品才能广泛适用于各种复杂的地理和气象环境。

为了解决这些问题，山西省农业科学院果树研究所和相关企业联合设计研制了新一代物联网农业智能监控终端设备。该设备采用一体化、工业标准、低功耗设计，具备高性能、高可靠性及高稳定性，可以对灌溉设施进行智能控制，整个系统能够进行自动维护、智能管理和远程升级。此系统可同时兼顾室外容器栽培和设施容器栽培。

1 整体设计

通过将传感器网络布设于葡萄、樱桃、柿子等容器育苗和生长区域，网络节点大量收集温度、湿度、光照、气体浓度等物理量，精准地获取容器内土壤水分、pH值等信息[1]。采集到的各种数据传送到管理平台，然后进行综合分析，结合不同果树在不同生长阶段对水分的需求，研究建立并逐步改进节水模型，实现对灌溉系统的智能化控制，摆脱以往仅凭经验灌溉的灌溉模式，使容器灌溉决策建立在科学的基础之上，达到节水灌溉的目的。通过信息技术与农业技术的深度融合，进一步提高生产管理水平，增加经济效益。

2 系统架构

2.1 基于工业级一体化设计架构

按照工业级标准进行智能控制设备的架构设计(见图1)。采用如下设计理念。

平台化设计：充分利用现有平台，如ARM硬件平台、嵌入式Linux软件平台、通用传感器接入平台、H.264视频编码平台等，可缩短开发周期，降低开发成本，提高产品可靠性及稳定性。

模块化设计：采用模块化设计，产品可根据用户需求进行定制，如WiFi模块和4G模块用户可以选装其中一种。

可扩展性设计：系统预留了可扩展余地，当前数据采集模块支持16路传感器接入，根据项目需求，可进行扩展设计，支持更多数量的传感器。

2.2 硬件和软件架构

2.2.1 核心主板硬件平台

采用三星公司的S3C6410 ARM芯片，研制ARM-Core-Board核心板，从该板引出320个管脚，把ARM芯片的管脚全部通过接插件引出，满足各类扩展需求，作为ARM应用平台。

2.2.2 传感器通用接入平台

增加ZigBee无线传感器接入模式[2]。传感器支持：电压型采集模式、电流型采集模式、开关量采集模式、RS-232/RS485采集模式。从而实现广泛的传感器接入，使系统能够具有良好的扩展性和兼容性。

2.2.3 视频算法平台

基于嵌入式平台的视频编码模块支持一路高清编码，支持拍照模式工作。优化H.264视频压缩算法，支持H.264 High Profile(高端类模式)、Main Profile(主要类模式)、Baseline Profile(基线类模式)，能够实现720P实时编码。

2.2.4 嵌入式Linux软件平台

基于μC-Linux内核优化的Linux软件平台创建结构小巧，具有可剥夺实时内核的实时操作系统。可剥夺型的实时内核是在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。

2.2.5 4G移动互联网开发平台

监测设备可以使用4G无线模块直接连接到internet，通过IP地址访问监控中心，上传数据。

通过上述平台进行开发设计，可实时采集空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、风速、风向、光照强度、降雨量等环境参数和视频图像信息，支持同时16路传感器输入和1024路无线传感器输入，有效精度高达16 bit；支持ZigBee任意组网，实现远程无线接入无线模块传感器和开关量数据的采集控制，提供丰富扩展接口，包括RS485、RS232、以太网、USB、CAN等；设备通过以太网、WiFi、3G、4G网络实现与远程服务器数据通信，交互全部数据带有AES加密安全通信保障功能，保证产品通信和传输的数据安全；设备同时配有视频采集、广播级的H.264视频编码和JPEG2000图片压缩，可在采集信号的同时为用户提供现场高质量的视频图像和图片信息。

3 基于传感数据及模型分析技术的节水灌溉系统

根据室外空气温湿度传感器或温室大棚内空气和土壤温湿度传感器监测到的数据，结合不同果树在不同生长阶段对水分的需求施行精准灌溉，改善管理措施，降低水资源消耗，降低生产成本。

3.1 果树需水量的影响因素研究

果树容器苗精准灌溉所需水量的影响因素主要包括：气象条件、育苗基质水分状况以及基质物理性质、生物学特性等几个方面。首先，从育苗基质水分供水状况因素考虑，采用水量平衡方法，通过埋设于容器中不同深度的传感器所实时地不间断地采集到的数据，建立水量平衡模型，分析容器不同深度水势和含水量的分布。在此基础上，对平衡模型进行数值离散化，建立估算模型计算需水量。其次，从气象条件和果树生物学特性角度研究需水量，利用联合国粮农组织 FAO 最新推荐的Penman-Monteith公式计算所在区域参考需水量，再结合果树品种在不同生长阶段的系数，计算出需水量。最后，比较对照不同计算方法的计算结果，进一步对果树容器苗需水量的计算方法进行评价。

3.2 监测数据综合分析，总结及改进灌溉模型

管理平台通过一段时期的数据积累，总结并制定不同果树容器苗在不同时间段内的灌溉模型，根据模型计算出容器苗所需灌溉量及灌溉时间，制定节水灌溉方案，并在实施过程中对灌溉模型不断加以修正与改进。

依据所制定的灌溉方案，管理平台可以按照用户需要设定灌溉设施的自动控制和手动控制。在自动控制的情况下，系统可在规定的时间或根据育苗基质的湿度监测值，判断容器内的缺水情况，自动计算出供水量，将控制指令发送给电磁阀控制器，自动调节输水管道的开关阀门进行节水灌溉。[3]

3.3 育苗区域灌溉水量统计与分析

管理平台能够对容器栽培区的气象状况、基质墒情等相关数据进行记录，统计不同季节不同气候条件下的容器栽培区灌溉量，并根据果树容器苗的生长及收获情况，经过一定时期的数据积累，归纳总结出节水灌溉投入与产出的关系，用极值法确定合理节水用水的灌溉定额，由此计算出产值最大时的灌溉用水量，即经济效益最大时的灌溉用水量。

4 总结

我国是一个果品生产和消费大国，北方广大地区水资源短缺严重，水危机已成为制约果业发展的重要因素。果树容器栽培技术相对于传统的田间栽培具有成活率高、建园快，早花早果，有效节约人力成本等优势。因此开展果树育苗容器栽培的智能化管理是未来实现果树控根容器育苗发展工厂化、集约化的有益探索，而建设容器智能灌溉管理系统是解决问题的最佳方案，具有显著的社会效应和经济效益。