农业智能灌溉系统关键控制要件分析

方程关法春李晓峰郭永刚王超王明明解娇魏天娇赵新颖

(1.西藏农牧学院，西藏 林芝 860000；2.吉林省农业科学院，吉林 长春 130033；3.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 131012；)

引言

我国是农业大国，农业技术的发展至关重要。2020年我国耕地面积约为1.35亿hm2，其中灌溉面积为0.68亿hm2，水资源有效利用率仅为0.565[1]。在此形势下，亟需研发一种能提高水资源利用效率的灌溉系统，来减缓水资源的浪费情况。近年来，我国开始着力研发各种节水灌溉技术，有喷灌、滴管、微灌等，都在不同农业领域中提高了水资源的利用效率，但由于依然是靠人的经验推测灌溉水量，导致灌溉精度提高缓慢。随着我国对农业发展效率的重视程度提高和智慧农业理念的提出，各种农业自动化设备也在逐步完善，如给传统灌溉设备赋能的智能灌溉系统。智能灌溉系统是基于物联网和计算机技术一种自动化灌溉系统，相比于传统灌溉模式，更加节省水资源，节省人力物力，是未来灌溉技术的主要发展方向，在国内和国际上都是国家重点的研究内容，当今主流的智能灌溉系统主要利用传感设备收集作物的生长信息构建灌溉模型。通过分析土壤含水量等其他作物生长情况来精确灌水量，进一步提高了水资源的利用效率，达到增加农作物生产种植效益的目的。本文从智能灌溉技术，以及智能灌溉所需不同技术之间的差别进行分析和对比。同时分析对比不同智能灌溉技术之间的优势及劣势，最后对智能灌溉系统如何更好地契合农户使用提出展望。

1 国内外智能灌溉技术研究

一些发达国家在20世纪初就开始了对灌溉设备自动化控制的研究，从过去主要由人工完成的机械控制，到现在以计算机设备为主的智能灌溉系统，关键技术已经相当成熟，研究领域也处在世界先进水平。目前国外顶级智能灌溉技术已经在农业灌溉中实现了系统信息化、精准化、多能化的目标[2]。虽然我国起步较晚，但随着国内对于农业现代化、信息化重视程度的逐步提升，以及我国国力的逐步增强，对农业灌溉系统智能化的研究也在逐步加深，但与世界先进水平相比，仍有很大的努力空间。

1.1 国外智能灌溉控制系统

发达国家比较重视将各种现代化技术与现有的农业模式相结合并实践于农业生产，其中控制自动化、数据信息管理、农田状态监控等模块所需技术都处于世界先进水平。20世纪80年代，Benami和Offen研发了一套农田监控系统，在田间布置传感设备，通过搜集的环境参数来判断作物是否需要灌溉，经过多次试验对比得出，系统数据的准确性与传感器的精准度等因素密切相关的结论[3]。

国外在智能灌溉系统的耗电问题上也做了诸多研究，Raul Morais等[4]针对系统网络传输的能耗需求问题，选择利用太阳能、风能等新型能源作为电力支撑，解决了系统电能供应短缺的问题。Raul Morais等[5]创新性地将GIS地理信息技术融合到智能灌溉系统中，通过电脑终端实时监控作物及生长环境的动态变化。K Srinivasa Raju[6]针对遗传算法在灌溉预测上的作用进行了研究，经过多次计算推导，证实了该算法在灌溉预测方面的有效性，并得到了最优水量预测及当前作物的灌溉模型。Xiuqing Wang等[7]通过对传感器收集到的数据信号分析、模拟、利用多层BP神经网络算法进行计算预测，设计出了新型控制算法，并在对灌溉水量的控制预测方面取得了不错的效果。总体来说，国外在灌溉系统的智能化方面已经发展到了相当完善的地步。

1.2 国内智能灌溉控制系统

近年来，国内才逐步开展对智能灌溉系统研发，随着国家对农业生产技术的高度重视，以及智慧农业理念的提出，我国在智能灌溉系统设计方面也取得了不错的进展。崔天时等[8]利用LABVIEW图形化编辑语言开发了一套智能灌溉系统，系统采用模糊推理理论，对田间传感器搜集的各项环境参数进行数据分析，最终得出所需灌水量，使得整个系统更加高效、精准。

随着国内物联网技术的发展，通过无线传输技术实现智能灌溉系统远程控制的发明也在逐步完善。关林芳等[9]研发了在手机端控制的智能灌溉系统，采用手机4G网络实现数据传输，能对农田各项环境参数进行实时监测和灌溉控制。系统相比于传统的作物灌溉模式更加便捷，提高了灌溉设备的工作效率，也减少了农户的人力成本。

2 智能灌溉所需技术及应用

2.1 无线传感网络

目前智能灌溉系统主要通过田间布置的各种传感器来获取作物生长环境各项参数，有线传感器由于布线等操作繁琐复杂，且易断裂影响数据监测，相比之下无线传输更加安全便捷。近年来，国内也将无线传输技术融入智能灌溉系统进行研究，张增林等[10]采用Citect组态软件，无线传感网络和GPRS模块设计，设计了一套农田远程数据采集与监视控制系统，系统通过前端监控及传感设备将生长环境数据与环境视图传送至电脑终端，可实时观测田间作物的生长情况，系统相较于普通灌溉节水20%左右，实现了灌溉的在线自动监控和作物的精量灌溉。

Lora通信技术是一种短距离无线通信技术，具有功耗低、传输距离远、部署简单、通信节点布置灵活等优势，能适用于作物生长环境较为复杂的场所。孟祥等[11]开发了基于Lora无线通信技术的农田智能化灌溉系统，系统采用同步唤醒技术的无线作物感知网络，数据传输稳定，通过智能决策单元依据实时作物信息和数据库计算出灌溉量和灌溉时间，远程控制灌溉输出模块，精确控制作物在不同生长期的土壤含水率，在蓝莓试验田和玉米试验田试验测试得到含水率均方差分别为1.80和4.83，均低于传统灌溉方式。顾飞龙[12]结合传感器、远距离无线传输等技术等设计了一款基于LoRa的智能农业灌溉系统，通过对田间搜集数据进行分析处理，结合算法分析，预测出灌溉水量，实现了作物灌溉水量的精准控制。

2.2 神经网络智能算法

神经网络智能算法是近年来新兴的一种人工智能算法，随着研究的不断深入，在模式识别、自动控制、预测估计等领域已经有了完整的知识体系，解决了很多过去难以解决的世纪问题，表现出了良好的智能特性。随着智能灌溉预测算法的发展，将神经网络技术运用于灌溉预测的例子也层出不穷。孙博瑞等[13]基于LSTM神经网络算法，设计了一种在智能灌溉系统，利用灰色关联分析法确定平均气温、太阳辐射、气压与作物需水量间的关联度系数等关键数据，构建LSTM神经网络预测模型，实现灌溉水量预测。实验的平均绝对误差为3.02%，预测精度较高，提升了水资源的利用效率。由此可见，神经网络算法对智能灌溉系统灌溉水量预测的精度提升巨大，发展前景光明。

2.3 模糊控制理论

智能灌溉系统主要通过将田间各种收集数据与本地数据库中数据进行分析对比，作出灌溉控制决策，模糊控制理论较符合当前灌溉决策的判断机理。系统以田间作物的长期生长参数为基础数据，采用模糊性控制规则构建灌溉模型，计算预测水量，通过计算机等智能化控制灌溉。近年来国内对模糊控制理论在智能灌溉系统的可行性做了诸多研究。黄淼等[14]基于天气预测装置，设计一种智能灌溉模糊控制系统，系统根据土壤湿度数值及天气预测数据，采用模糊规则推理法预测灌溉水量，完成智能灌溉控制，提高水资源利用率，有较好的实用性。

2.4 专家系统控制

专家系统是将不同专家在某一领域的处理经验整理存储到系统的数据库中，通过指导计算机进行练习、判断，实现专家级的智能决策，帮助普通用户解决当前问题[15]。朱焕立等[16]以专家系统为数据支撑，研发了一种智能灌溉控制系统，系统可以根据气候条件、作物生长环境信息、土壤温湿度变化等参数，作出水量预测及灌溉决策，为农田智能灌溉系统提供了一种新思路。陈健等[17]研发设计了基于网络与农村物联网技术的苹果精准管理专家管理系统，系统通过传感设备完成对生长环境的光照、温度、墒情、肥料、二氧化碳浓度等5大环境因子的数据监测，通过当前搜集数据计算苹果的未来需水量，并设计了果园日志、病虫害查询等模块，实现对果园的精准管理。

智能灌溉系统也可用于优化山区内作物的传统灌溉方式，山区内的柑橘不易人工浇灌，浪费了大量的人力物力，工艺技术也存在问题，导致水资源使用率较低，柑橘生长状况一般等问题。杨伟志等[18]设计了基于物联网和人工智能技术的山区柑橘智能灌溉系统。该系统通过布置监控装置，传感装置，实时监控作物生长画面及环境参数，并根据作物不同生长时段需水量和天然降水状况，把控土壤湿度在适宜作物的生长区间内，保证作物健康生长。实验结果证明系统的运行良好，水量预测精准度提高，作物生长率提升。

3 智能灌溉系统当前问题及未来前景

3.1 面临的问题

智能灌溉系统虽然使用便捷，自动化程度高，但后期管理及维护等成本较高且前期投资巨大，软件硬件价格昂贵，远远超出普通农户的预算，想要进行大面积推广使用，需要降低生产成本，尽量购置物美价廉的设备来降低实用成本，同时也要当地政府等部门出台相关政策帮助扶持。

目前大部分的智能灌溉系统功能相对简单，灌溉预测算法的研究不够深入，考虑因素不够全面，环境数据单一，直接影响系统水量预测的准确性。

系统中负责采集数据的传感器埋于地下，随着时间的增长，土壤的温度、盐分等因素会影响传感器的精度，导致其数据误差增高，数据的有效性降低。直接影响数据的准确传输，导致系统控制、决策执行的准确性、可靠性降低。

3.2 未来发展前景

智能灌溉系统由于有复杂的数据处理及算法预测导致其有较强的专业性，对普通用户并不友好，若能将智能灌溉系统化繁为简，将预测算法、数据处理等复杂功能封装到数据存储库，使用户只需通过手机等移动端简单直观地根据关键数据控制系统决策，减少用户操作的复杂度，将对系统推广有很大帮助。

农业现代化是未来农业发展的主要方向，实现灌溉设施智能化、自动化是我国农田灌溉未来发展的重点内容。如何综合全面地考量作物环境各项参数指标，更加全面地分析作物生长状态，运用算法、模型等智能思想，实现灌溉系统的精准化、科学化，将是未来系统优化研究的主要方向。

我国未来的农业发展将逐渐从粗放管理型转为精准调控型，在提高系统精准度的同时降低能源消耗，如利用太阳能、风能等新能源实现系统正常运作，将大大提高灌溉系统的普适性，利用系统推广和可持续发展。随着科技的进步，智能环保、高效精准、低耗节能的标准现代化智能灌溉系统必将成为主流的现代化灌溉模式，为我国建设美好生态文明的农业强国提供重要支撑。