智能化设施农业节水灌溉控制系统探析——以丘陵地带稻田为例

吕崇贵，李 龙

（中南林业科技大学，湖南长沙 410000）

0 引言

进入21世纪，我国作为农业大国在农业生产领域中投入了大量的现代科技，促进了农业产业的快速发展。在农业生产管理中，灌溉是很重要的内容，科学灌溉对提升农作物产量和质量至关重要。随着现代科技的发展，信息化、数字化等技术在农业生产管理领域中逐步得到广泛应用，其中智能化设施农业节水灌溉控制系统就是突出的代表。在我国广袤的土地上，不同地区农作物生长环境存在巨大差异，意味着需要对智能化设施农业节水灌溉控制系统的设计应用方式进行针对性研究，以进一步提升其实用性。

1 智能化设施农业节水灌溉控制系统概述

1.1 系统概念

智能化灌溉系统主要是指能够根据农作物种类、生长状态以及环境特征对灌溉量、灌溉方式等进行智能化控制的系统，该系统主要由中央控制器、灌溉装置、传感器、数据传输系统等构成。在新形势下，智慧化农业生产成为相关领域研究的重点，而针对灌溉环节所设计、研发、应用的智能装置，能够进一步实现科学灌溉和水稻种植，提高农业生产质量和产量[1]。目前，在智能化设施农业节水灌溉控制系统研究领域中，智能化技术主要包括以下几种：

第一，专家系统。专家系统是一种基于知识库、模拟人脑思维方式的计算机软件系统，其通过计算机软件和数据库将人们生产活动中积累的经验和研究的成果，制定相应的规则和运行逻辑。当系统获得原始数据后，会进行一系列的运算和分析，做出专家级的判断和决定。在智能化设施农业节水灌溉控制系统中，专家系统主要是基于多个维度的农业专家知识，通过模拟农业专家的种植管理方式，对农作物进行科学灌溉。例如，基于当下的农业科技研究成果及经验，专家系统对各种水稻不同生长阶段需水量的分析，再结合各类传感器获取的当下气候环境信息，自动控制灌溉系统的灌溉量和灌溉时间，可以更大程度上提升种植质量[2]。

第二，微机测控。微机测控技术主要是利用计算机软件、传感器、监测装置和通信技术，对农作物及土壤、空气、温度等方面条件进行实时监测分析，再通过通信系统对灌溉装置进行精准控制的综合性智能技术。在现代农业科技领域中，微机测控技术除了更讲究科学种植以外，其最大的优势在于能够实现对水资源的合理利用，减少水资源浪费。例如，在以色列这样科技发达，但自然条件较差的国家，在农业领域就大量应用了微机测控灌溉技术。通过在种植区域布置大量的传感器检测矩阵，实时采集水稻植株、土壤及空气的湿度、温度、光照、蒸腾量等参数，上传至微机系统进行处理，再将处理结果上传至上位机，通过中央控制系统或技术人员进行判断，精准控制灌溉时机和数量[3]。

总体来讲，现代智能化设施农业节水灌溉控制系统的基础是计算机、数据库、通信系统等，而专家系统、微机测控系统则是其实现智能化灌溉的关键所在。

1.2 应用价值

如今，我国社会经济发展迅速，构建高质量发展模式是党中央对各行各业提出的新要求，而技术创新优化，则是实现产业高质量发展的关键。在农业种植领域，得益于现代农业、生物科技的发展，农业种植质量及产量都达到了较高水平。在此背景下，如何在保证农业种植产量、质量的基础上，减少环境污染、节约水资源，是农业种植及管理者需要思考的重点问题。相较于传统依靠人工或大面积铺设节水设施的方式，利用智能化控制系统，可以减少人员专业水平、经验储备、职业素质、工作状态对节水效果的影响。关于智能化设施农业节水灌溉控制系统的研发，是一个从自动化、信息化、数字化向智能化方向发展的过程，在探索和实践过程中，农业种植管理人员也能够在技术模式的影响下，不断创新思路、优化工作模式。显然，智能化设施农业节水灌溉控制系统的应用，不仅能够更精准地根据农作物需水量进行灌溉，减少浪费，同时还能减轻农业种植管理者的工作压力。从一个地区乃至全国的农业发展角度来看，智能化节水灌溉控制系统将是智慧农业系统的重要组成部分，无论是实际应用中通过精准控制带来的种植水平提升，还是采集的各类关键数据信息，都将为农业种植管理技术及相关研究学科的进一步发展提供重要依据。例如，一个地区的水稻种植产业全面配置了智能化农业节水灌溉控制系统，将会给当地农业农村部门提供实时的灌溉及作物生长情况信息。基于此，管理部门可以联合当地农业推广、农产品销售等部门或企业，做好相应的工作准备，以便打造更为科学、准确、有效的水稻产业链。

2 智能化设施农业节水灌溉控制系统的设计思路

2.1 稻田土壤水分测量

2.1.1 测量方法。土壤是水稻获取营养及水分的主要来源，土壤水分含量将直接影响水稻的生长发育。因此，在设计智能化农业节水灌溉控制系统时，关于土壤水分的测量很重要。目前业界关于土壤水分检测的方法主要分为直接检测法和间接检测法两大类，前者是通过干燥处理或化学方法直接测出土壤的绝对含水量，而后者则是通过测量土壤水分变化有关的物理量来判断其含水量情况。具体来讲，在智能化农业节水灌溉控制系统中，可以用到的土壤水分测量方法有中子仪法、电阻法、频域反射仪法、烘干法等，其中中子仪法、电阻法等方法可以通过相关仪器快速测量土壤的水分情况，满足智能化监测控制系统的功能需求[8]。例如，中子仪通过快中子辐射源和热中子探测器，在土壤水中的氢元素的作用下，慢中子云密度增大，装置通过对这种函数关系的变化情况来得出土壤水分含量。电阻法则是利用不同含水量情况下土壤电阻率不同的基本原理，对土壤含水量进行检测。这类检测技术基本上不会破坏土壤结构及状态，能够快速、动态化地获取相对准确的土壤水分数值，具有简单好用、持续性强的特点[4]。

2.1.2 传感器改进。传感器是智能化农业节水灌溉控制系统采集作物及环境信息的关键所在，在设计系统时，需要根据信息采集需求对传感器进行合理布局和优化改造。目前，在农业灌溉领域中用到的传感器一般为负压式土壤水分传感器，其主要由集气管、陶土头和压阻式传感器构成。通过将陶土头插入土壤，土壤中的水分和陶土头中的水膜连接，在传感器内部产生负压，再由压阻式传感器对负压信息进行信号转化，再由计算机计算分析得出土壤水分情况。在大量实践应用中，技术人员发现传统传感器具有以下几方面不足：一是输出信号是电压，而电压在远距离传输过程中很容易受到干扰或出现损耗；二是传统传感器使用的是四线制传输信号，而能够满足这种机制的导线材料成本较高，后期维护管理难度也比较大；三是压阻传感器具有离散性，在设计安装中需要对控制系统中的输出电压信号电路进行调整，并当某一个传感器出现故障时，将影响整个系统的运行。

针对传统传感器存在的问题，可以采取以下方式进行改进：一是改进电路。重点改变输出信号方式，采用就地处理转换的方式，将传感器输出信号的处理电路放在负压式土壤水分传感器上，如此一来，就可以通过调整传感器信号处理电路，让输出信号和压力值关系保持恒定，免去了调节自动控制系统电路的麻烦。同时，可以将传感器电路改进为两线制，降低系统布置及运行维护成本。二是改进结构。考虑到负压式传感器陶土头容易松动和损坏的问题，针对陶土头设计一个细钢条保护结构，避免其频繁受到外部因素的影响。然后，为集气管配置一个额外的蓄水装置，需水量根据农作物实际情况进行设定和补充，可以有效解决充水过于频繁的问题。

2.2 控制仪器设计

在智能化农业节水灌溉控制系统中，除了测量水分以外，还应当使用半导体集成精密温度传感器进行测量。在此基础上，由控制仪器对灌溉龙头进行控制，科学调节灌溉时机和灌溉量。显然，不同作物在不同时间、生长状态以及环境条件下的需水量是不同的，为了有效实现智能化精准控制，应当对控制仪器进行科学设计[5]。为此，可以建立计算机软件自动化分析和人工设定结合的控制仪器功能模块，在满足按需灌溉基本要求的同时提升系统的通用性。在智能化农业节水灌溉控制系统中，灌溉方式将会很大程度上影响智能化灌溉控制的效果。目前，业界主流的灌溉方式包括上下限灌溉、延时灌溉及综合灌溉等，需要根据现场环境及技术条件进行合理选择。

2.3 测控仪器功能设计

智能化农业节水灌溉控制系统中测控仪主要是对各类信号进行处理，将其转化为单片机可以识别分析的数字信号。当前技术条件下，信号转换通常采用的是A/D转换器，但是其成本较高，并且数据转换计算方面的复杂性也比较高。在测控仪器的功能设计中，需要考虑到在农业规模化种植中，如果依靠大量铺设传感器、通信装置来满足通信及控制需求，将极大增加项目成本及运维难度。为此，需要通过集成化技术、网络化技术及神经网络技术，利用局域网或集成系统对信号监测、传递系统进行简化，构建更为精准、高效、智能的测控系统。为此，可以采用LM331这类V/F转换芯片，其不仅具有精度高、成本低的优点，计算转换关系也比较简单，所以在智能化农业节水灌溉控制系统中可以采用这种信号转换方式[6]。随着相关技术的进一步发展，可以通过神经网络技术，对测控仪器功能进行智能化调控和优化，进而提升系统的适用性。

2.4 软件设计

在智能化农业节水灌溉控制系统中，软件的作用包括数据分析、控制指令下达等，是实现智能化控制的关键。针对软件的设计，需要做到因地制宜、按需设计。例如，针对测控仪的设计，主要根据监测达到的土壤温度、水分情况，根据设定的灌溉方式及专家系统规则，确定是否要进行灌溉，并下达控制信号。另外，还可以实时采集灌溉之后的土壤水分、温度及其他参数，以便判断灌溉控制效果是否符合预期[7]。在农业节水灌溉系统中应用智能化技术，软件控制的基本逻辑是通过现有专业知识及控制模块，针对某种作物不同生长阶段及环境条件实施科学灌溉，同时采集灌溉量、作物生长情况等关键信息，再通过对该类信息的不断积累、整合、分析，得出更为精准的科学灌溉模式。这个过程，实际上也是节水灌溉系统“自我学习”的过程，其中对神经网络技术、专家系统的应用非常关键。

3 结语

综上所述，在社会经济快速发展、科技不断进步的背景下，农业生产中用到的现代科技也越来越多。针对水稻种植管理中的灌溉工作，可以充分结合农业种植需求及环境，科学设计智能化农业节水灌溉控制系统。通过利用专家系统、微机测控装置，在传感器及其他监测仪器的支持下，实现对水稻生长状态以及外部环境条件的精确监测，进而对灌溉时机和灌溉量进行科学、精准控制，提升农业生产质量。