设施农业高效用水信息化发展 及其技术体系探讨

杭程光，韩文霆,2，黄玉祥

(1. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

提高农业用水的信息化水平是解决我国水资源供需矛盾的重要途径之一[1,2]。设施农业是现代农业的重要组成部分，提高其用水的信息化水平是改善设施农业用水效率和效益的有效措施[3]。

设施农业高效用水的信息化过程是指在利用各种自动化设备对输配水、水文、气象、土壤墒情等信息进行采集的基础上，通过网络传输系统传递信息，并借助计算机技术对各类信息进行存储、加工和处理，为实现水资源的精量配置与高效利用提供决策支持[4,5]。

本研究在分析国内外发展现状的基础上，探讨了我国设施农业用水信息化发展存在的问题，结合其发展需求，提出促进我国设施农业用水信息化发展的措施和建议，旨在为提高我国设施农业用水信息化水平提供依据。

1 设施农业用水信息化发展现状

1.1 国外设施农业用水信息化发展现状

20世纪70年代以来，发达国家在设施农业高效用水信息化技术研究与应用方面取得了重要进展，已形成了较为完善的技术体系。他们可以根据作物对环境的需求，通过计算机对设施内的温度、光照、水分等因子进行检测和调控，并根据检测结果对作物实施精量灌溉，其管理与作业方式在实现机械化的同时，部分环节已实现了自动化与智能化管理[6]。

例如，以色列能够通过传感系统对土壤墒情以及植物的茎、果实直径的变化进行检测，从而根据检测到的信息确定对植物的灌溉间隔，并采用灌溉管理程序控制多路电磁阀，实现对滴灌次数、水量的自动控制，其水资源的利用效率可达到90%以上[7]，且该系统能够将土壤的盐渍化程度控制在很低的水平[8]。另外，以色列的部分农场主可以在家里通过信息化网络系统实现对设施作物灌溉过程的全自动控制。美国将机器视觉技术大量应用于设施农业研究中，把图像、电子显微镜以及计算机技术相结合，实现对作物生长、营养、水分以及病虫害等状况进行综合判断，然后通过电子邮件将信息传输给决策支持系统进行分析、决策，实现了设施作物用水过程的信息化与智能化管理[9]；美国加利福尼亚大学和康奈尔大学研制出了温室生产SPA(Speak Plant Approach to Environment Control)智能化技术系统，目前已进入实际应用阶段[10]，大大提高了温室生产的自动化与信息化水平。在设施环境控制技术方面，美国开发的加湿系统以及湿帘降温系统通过对设施作物生长环境信息的采集与分析，实现了水资源的高效利用[11,12]。荷兰的玻璃温室处于世界领先水平，目前已经研发出技术较成熟的设施环境智能控制系统，可根据作物对生长环境的需求，采用计算机对温室内温、光、水、气、肥等信息进行自动检测与调控[13]，例如荷兰开发的Tomsim、Hotsim等模型，对作物栽培密度、不同生长阶段的水肥管理指标、气象与作物生长环境等进行了量化，实现了作物需水、需肥的信息化，并进行了广泛的应用[14]。日本的温室配套设施及综合环境调控技术处于世界前列，其温室设施可以通过计算机将温度、水分、二氧化碳浓度等控制在最适合植物生长的范围，例如日本的千叶大学将机器视觉技术与遥感技术相结合对作物生长信息进行检测，根据检测信息对作物的需水、需肥量进行配比，采用信息化手段实现了水资源的高效利用与优化配置。

1.2 国内设施农业用水信息化发展现状

我国设施农业用水信息化的研究始于20世纪80年代后期，经过几十年的发展，在灌溉方式的信息化、智能化方面取得了较大进展，但与发达国家之间还存在一定的差距。

(1)在输、配水信息获取方面。目前，我国灌溉水利用系数仅为0.3～0.4，与发达国家的0.7～0.9之间还存在着较大的差距[15]。提高输、配水过程的信息化水平，有助于减少输、配水的损失，是提高灌溉用水利用系数的重要途径。输、配水过程中获取的信息主要包括输配水量、输配水损失、水文信息等。水文信息的获取主要依靠各类传感器(温度、压力传感器等)，输、配水量与输、配水损失的获取主要通过智能流量计(智能水表、超声波流量计等)。目前，我国输配水信息获取的设备较为完善，但其在设施农业输、配水信息获取方面的应用范围还比较小，且部分设施农业不能有效的采用智能流量计对用水过程的输、配水损失等信息进行检测，多数温室未将水温、水压等信息的检测融入到输、配水过程管理中，这在一定程度上降低了水资源的利用效率以及影响了作物的产量。因此，采用智能流量检测设备获取输、配水各个环节水资源的利用状况，提高输、配水过程的信息化程度，可以为实现精量灌溉奠定基础。

实时获取输、配水信息是实现设施农业灌溉自动化控制的基础；同时，完善的灌溉自动化设备配套系统对信息化的发展也具有重要的影响。目前，滴灌、渗灌等高效用水技术在我国的应用范围越来越广泛，但与之相配套的先进、实用的输、配水自动控制设备还比较缺乏，这在很大程度上制约了设施农业输、配水过程的自动化与信息化发展。

(2)在作物需水信息评价与检测方面。目前，我国设施作物需水信息的评价指标主要通过土壤墒情、温室温湿度、光照强度等间接信息作为评价依据[16]；而在以作物生长器官的形态变化或作物的生理变化等直接信息作为作物需水信息评价指标的研究方面，我国学者虽然做了大量的研究[17,18]，但研究成果却在实际生产中鲜有应用。因此，需要加强设施作物需水信息评价指标的研究。随着科学技术的不断进步，将作物蒸腾系数、机器视觉技术、遥感技术等结合是开展作物需水信息评价研究的重要内容。

作物需水信息感知设备是作物需水信息获取的载体。我国学者开发了多种作物需水信息监测设备。彭胜民等以嵌入式系统为核心配以土壤含水率传感器及其外围电路和GPRS无线数据传输模拟，实现了土壤含水率的自动获取与传输；而基于作物生长形态、生理变化等特征以及温室作物蒸腾量进行作物需水信息检测的设备或装置还比较缺乏。

2 设施农业高效用水信息化技术体系研究

2.1 设施农业高效用水信息化需求

明确设施农业高效用水信息化发展的需求，是构建科学、完善的信息化技术体系的前提。设施农业高效用水的信息化过程贯穿农业用水基础数据传输网络与共享平台搭建、设施作物精量灌溉智能控制技术、作物需水信息评价与检测技术等多个方面，其需求主要体现在以下几个方面：①获取土壤墒情、温室温湿度以及作物生长信息，为作物需水信息的评价及输、配水决策提供依据；②获取水压、水温、流速等水文信息，并对其进行调节，以满足作物生长及信息化设备运行的需要；③获取输、配水过程中的输、配水量以及输、配水损失等信息，为输、配水过程的自动控制及输、配水管线布置的优化提供依据；④可以利用计算机技术在可视化的条件下，对水管理活动作出科学的分析与预测，并依据水资源工程状况和水资源配置计划进行模拟、分析和研究，为决策者提供科学、准确的信息支持。

2.2 设施农业高效用水信息化技术体系构建

设施农业高效用水信息化技术系统以基础数据传输及共享平台为支撑，以作物需水信息评价与检测技术为核心，采用精量灌溉智能控制技术实现水资源的高效利用与过程的自动化控制。本研究在综合分析设施农业高效用水信息化需求及技术系统的基础上，构建了一种设施农业高效用水信息化系统，该系统主要由基础数据传输网络及共享平台(包括信息传输网络、数据中心与控制终端)、作物需水信息评价与检测模块、输配水系统(包括水量自动控制模块、流量监测模块、水质检测模块、水肥一体化模块)等部分构成，其工作流程如图1所示(图中虚线部分代表信息传输网络)。

图1 设施农业高效用水信息化技术系统工作流程Fig.1 The working process of the high efficiency and informatization technology system of protected agriculture water

如图1所示，首先作物需水信息评价与检测系统通过各类传感器对作物生长状况、土壤墒情、空气温湿度等信息进行检测，并通过基础数据传输网络及共享平台将信息传输到数据中心进行分析，确定系统的输、配水量；其次，输配水模块通过离心泵获取水资源，通过水质检测模块对水温、水压、流速等信息进行采集与传输，并根据检测结果采用调压阀、过滤器等设备对水质进行调节，使水温、水压等满足系统要求；最后，采用安装在各级管路两端的智能流量设备对输、配水量进行监测，并将其传输到数据中心，决策者根据水量监测模块对输配水量的计量结果，通过电磁阀等灌溉自动化设备实现对输、配水过程的反馈控制。另外，决策者可根据作物的生长状况，采用水肥一体化模块对可溶性肥进行配比，通过输配水过程完成肥料的施加，以满足作物生长的需求。

2.3 系统各模块组成、功能及工作流程

2.3.1基础数据传输网络与共享平台

基础数据传输网络与共享平台的主要功能实现设施农业灌溉过程中输配水、水文、气象、土壤墒情等信息的传递、存储、分析与利用，为水资源的优化配置提供科学依据。完善的基础数据传输网络与共享平台能够有效地提高数据传输的稳定性以及数据利用的高效性，因此构建完善的数据传输网络与共享平台是信息化系统不断发展的基础条件。基础数据传输网络与共享平台主要由信息传输网络、数据中心以及信息化系统控制终端等部分组成。

(1)信息传输网络是设施农业高效用水信息化系统构成的重要基础，它是作物生长信息、需水信息、输配水信息、气象信息、土壤墒情等信息进行稳定传输的基本保障。信息传输网络一般采用GSM/GPRS 无线网络模块，该传输方式的网络覆盖率高，传输速率及稳定性良好，能够保证信息传输的时效性及安全性。在小范围内(田间传输)可采用WIFI或者Zigbee技术。

(2)数据中心的主要功能是实现信息的实时更新、存储和分析等。它能够提供作物、气象、土壤等方面的实时信息、历史信息以及其他业务数据，并通过对数据的综合分析与利用，为作物输、配水等决策模型提供数据支持。

(3)在信息化系统发展的初期，控制终端一般为控制中心的计算机或授权手机，由用户进行操作。用户根据数据中心反馈的实时信息，参考不同作物在不同生长阶段的需水标准，通过信息传输网络向系统发送相应的指令，实现设施作物输、配水的远程控制与自动化控制。随着设施农业用水信息化发展水平的提高，专家系统将取代用户对系统施加输、配水指令，实现该系统的自动化运行。

2.3.2作物需水信息检测模块

作物需水信息检测为建立科学的输、配水模型提供了数据支撑，科学、合理地作物需水信息检测方法是实现设施农业高效用水的关键。目前，设施作物的需水状况主要通过土壤(基质)墒情、综合气象以及作物生长等信息进行评价[16]，其中基于土壤墒情和综合气象信息的检测方法在设备开发与应用水平方面均较为成熟。

(1)土壤墒情信息的监测主要是通过土壤墒情测试仪，如TDR[20](时域反射型仪器)，加入供电单元及信息传输装置组成。通过信息传输网络将采集到的土壤墒情信息传输到数据中心，为灌溉决策模型应用提供基础数据。例如，赵青松等研究表明，黄瓜穴盘苗控制下限为基质相对含水率为45%～55%时，有利于黄瓜苗的生长[21]，因此通过对设施作物土壤(基质)墒情信息进行监测，合理的控制土壤(基质)含水率，能够有效地提高水资源的利用效率，促进作物生长。

(2)基于气象综合信息的作物需水信息评价是以温室内的温度、空气湿度、光照等为输入变量，通过计算温室内的蒸腾量，对作物的需水情况进行判断，例如Dogan等的研究表明[22]，地下滴灌和地表滴灌甜瓜的蒸发皿系数分别为83%和92%时可获得最大产量。以DTH11(温-湿度传感器)为基础的大棚温-湿度检测系统如图2所示，其检测的温度范围为0～50 ℃，湿度范围为30%～90%。该系统的单片机与数据中心/数据传输装置相连接，将DTH11检测到的大棚温-湿度信息实时传输到数据中心，数据中心对获取的信息进行分析、计算，得到温室的蒸腾量及作物的需水信息，并与作物的需水标准进行对比分析，从而为设施农业的输、配水决策提供依据。

图2 基于DTH11的大棚温-湿度检测系统Fig.2 Temperature and humidity detection system based on DTH11

2.3.3输、配水信息化系统

输、配水信息化模块的主要功能是通过对基础信息的综合利用，采用灌溉自动控制设备实现精量灌溉与输、配水过程的自动化。在综合分析设施农业水源特质[23]、设施作物对水质、肥料需求的基础上，构建了设施农业的输、配水系统，该系统主要由水量自动控制模块、流量监测模块、水质监测模块、水肥一体化模块等部分构成。

(1)水量自动控制模块是输、配水信息化系统的重要组成部分，它的主要功能是实现农业用水的智能控制、远程控制。水量自动控制模块主要由控制终端(包括中心计算机、首部控制器、授权手机等)、阀门控制器、电磁阀等组成，该模块系统构成如图3所示。

图3 水量自动控制模块构成Fig.3 The constitution of automatic control module of water

如图3所示，专家系统或用户根据数据中心提供的作物生长实时信息、气象信息、土壤墒情信息等，依据输、配水决策标准，控制终端通过信息传输网络向阀门控制器发送指令，从而控制电磁阀的开关，实现输、配水的自动控制。水量自动控制模块通过在工作过程中获取的作物、土壤、气象以及输配水量等信息对输配水过程进行实时反馈控制。

(2)流量监测模块。提高水资源的利用效率，降低设施农业用水过程中的输、配水损失是信息化系统构建的主要目的之一。因此，需要在信息化系统中加入流量监测模块对设施农业用水的各个环节进行监测，并将流量信息实时反馈到数据中心，实现对输、配水过程的反馈控制，同时根据各环节水量的损失情况，对输、配水管路网络进行优化。另外，记录不同作物的输、配水信息，并将其与作物的生长状况、气象信息、产量等进行综合分析，可以为优化输、配水决策模型提供依据。流量监测模块主要由流量计与水量信息监测终端组成，该模块与数据中心相结合，通过信息传输网络将流量信息传输至数据中心，为输、配水决策提供数据支持，其工作流程如图4所示。

图4 流量监测模块工作流程Fig.4 The working process of flow monitoring module

流量监测模块的主要硬件设施为流量计，一般可选用智能水表、电磁流量计、超声波流量计等，其安装位置一般为各级管路的入口与出口，以便计算输、配水过程中的输配水量及输配水损失。

(3)水质检测模块。由于设施农业用水多为渠系水与地下水，水源中杂质较多，而滴灌带的内径一般为16 mm，滴孔直径为1～1.2 mm，直接进行水资源的分配容易造成滴灌带的堵塞；同时，由于滴灌管线对工作压力有一定要求，一般滴灌管的工作压力为0.4 MPa、滴灌带为50～100 kPa，因此需要在整个系统中加入水质检测模块。

水质监测模块的主要功能是实现对输、配水过程中水压、水温、流量等信息的检测与控制，该系统主要由温度传感器、压力传感器、智能流量传感器、调压阀以及过滤设备等组成。其中，传感器的选用一般结合实际需求，根据各类型传感器的国标进行选择；过滤设备一般采用双级以上的过滤设备，以保证水质达到使用要求。离心泵取水后，首先通过水质检测系统对其压力、温度、流量等信息进行检测，并将信息传递至数据中心；用户根据数据中心的分析结果对系统进行控制，通过三级过滤设备对水中的泥沙等杂质进行过滤，并通过调压阀对水压进行调节，使水质和水量满足作物生长以及灌水设备的需要。该模块的工作流程如图5所示。

图5 水质检测模块工作流程Fig.5 The working process of water quality inspecting module

(4)水肥一体化模块。传统设施农业中，农技人员通常建造水池与肥池，采用先灌水、后灌肥、再灌水的灌溉方式，这就使得工作效率相对较低且造成了人工的浪费，而水肥一体化系统是解决这一问题的有效途径[24]。

水肥一体化模块主要由施肥决策系统及灌溉施肥自动控制装置组成。该模块工作时，首先需要对基质有效养分进行测定，根据作物需肥规律、土壤供肥性能及肥料效应，在合理用肥的基础上，确定肥料的施用数量、施用时期以及施用方法；其次，通过对作物生长状态进行判断，确定作物需肥量，并采用灌溉施肥自动控制装置完成对可溶性肥的配比；最后，通过输配水系统完成对设施作物的施肥过程。目前，国内外学者对施肥决策系统及灌溉施肥自动控制装置进行了大量的研究[25-27]，例如，任周桥等[27]研究的基于知识库的施肥决策系统能够有效的对作物需肥状况进行评价，目前已经在30多个县市区进行了应用。

3 结论及建议

通过对国内外设施农业用水信息化发展的现状以及信息化系统发展需求进行分析，探讨了适用于我国设施农业高效用水信息化发展的技术体系，分析了基础数据传输网络与共享平台、作物需水信息评价与检测模块、输配水信息化系统的功能、构成与工作过程，可以为我国设施农业高效用水信息化的发展提供依据。

结合设施农业用水信息化的发展需求，提出以下建议：①随着物联网技术、“3S”技术、机器视觉技术等新技术的不断发展，其在信息传输网络的构建以及作物需水信息检测方面具有很大的应用潜力，迫切需要加大应用和推广的力度，以提高设施农业用水信息化的发展水平；②目前我国设施农业规模化和产业化程度较低[28]，这在很大程度上增加了信息化系统构建的成本，制约了信息化水平的提升，因此提高设施农业的产业化、规模化将是我国设施农业发展的一个重要方向；③作物需水信息检测设备及灌溉自动化设备是实现信息化的媒介，而目前我国针对作物生长状态进行需水信息检测的设备以及与滴灌带、滴灌管线等配套的自动控制设备还比较缺乏，因此需要加大相关设备的开发力度，从而提高设施农业用水的利用效率及信息化水平。

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