智能分区农业滴灌系统的研究—以丘陵山地为例

彭炜峰，李光林

0 引言

伴随着我国“精准农业”概念的深入，精准农业的实现取决于农业精准灌溉技术[1-3]。传统农业灌溉过程中灌溉控制系统依赖于人为劳动操作，系统能源消耗高，且管理困难[4-8]。近年来，国内对土壤含水率监控的研究有所突破，多数停留在对土地大面积土壤含水率的监测，对影响种植物生长发育的实时土壤含水率的监控和西南地区山地土壤含水率监测研究很少[9-11]。若对大面积复杂山地实施有线实时监控，存在布线成本急剧增加的问题，也不利于山地作业[12-13]。

重庆几乎每年夏季都要遭受1个月左右的伏旱天气，对山地种植物进行有效灌溉，是保证种植物产量和品质的前提。目前，山地灌溉方式介于补充灌溉和统一灌溉范畴，存在着人力资源浪费、灌溉控制系统能源消耗高及水资源无法实现高效率灌溉等不足，导致山地农作物种植减产[14-15]。

本系统研究设计了一套具有复杂山地分区实时精准灌溉及数据信息处理功能的灌溉控制系统。该系统实现分区精准滴灌的自动化和智能化，对复杂山地土壤含水率实施实时监控，提高水资源灌溉效率，降低人力资源需求，对西南地区进一步走向精准农业及智能节水灌溉有一定的现实意义。

1 系统总体设计

本文设计的山地分区精准滴灌及数据信息处理系统设计思路：在农业灌溉控制系统中引入分区灌溉概念，针对高差、坡度不同的复杂山地，进行区域的划分；四面形山地可分为东南西北4个区域，每个区域设置不同的灌溉压力和流量，可根据各个区域实时土壤含水率进行分别滴灌。区别传统统一灌溉，自动滴灌系统将土壤水分传感器、水源工程、电磁阀、控制器及滴灌管网等部分集成一起，提高水资源灌溉效率。系统采用太阳能电池及蓄电池作为主要电能供给平台，引入ZigBee无线传感网络技术和GSM无线传输技术，通过ZigBee无线传感网络实现各个区域的土壤水分实时数据收集；利用GSM无线传输技术将土壤实时数据信息进行远程传输至终端，终端对数据分析处理，决策土壤当前实时区域操作，达到在节省人力资源的同时实现滴灌控制系统的自动化和智能化的目的。

该系统主要由太阳能电源子系统、自动滴灌子系统及数据信息传输子系统3部分组成。太阳能电源子系统作为系统主要电能供给平台，在控制器的作用下将太阳能电源输出电压转换为其他子系统所需求的电压，实现按需供压。自动滴灌子系统以自来水作为水源，首部枢纽主要包括施肥装置、过滤器、控制阀、截止阀、止回阀及压力表等部分；输配水管网主要包括主干管、干管、滴灌管、支管及毛管等3级管道部分，还包括相应的三通、直通及弯头等部件，以实现对土壤含水率的实时监测并管理电磁阀进行自动按需滴灌。数据信息传输子系统对山地土壤含水率进行检测及自动无线传输，实现检测模块与终端之间的数据传输。

1.1 太阳能电源子系统

太阳能电源子系统作为整个系统的电能供应平台，主要由太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器、逆变器及变换器等组成。其充分发挥太阳能逆控一体机的市电互补功能(太阳能充足时，通过逆控一体机对蓄电池进行电能的存储；反之，太阳能不足时，则由市电对蓄电池进行电能的存储)，为蓄电池提供稳定平滑的充电电压。经蓄电池的输出电压一部分输出到变换器，为系统其他直流模块进行供电，另一部分逆变为交流电，为负载水泵(如电磁阀供需电压为12V)供电。本系统采用双蓄电池构造，通过减少对蓄电池充放电次数的方法来实现太阳能与蓄电池之间的电能高效传输及延长电源的使用寿命的目的。即将蓄电池的充电过程和放电过程分开进行，一块蓄电池处于充电过程时，另一块蓄电池处于放电过程，当放电的蓄电池电压降到供压下限值时，对放电和充电的蓄电池工作过程进行切换，保持一块充电，一块放电，完全分离工作，确保系统正常稳定的运行。其结构示意图如图1所示。

1.2 自动滴灌子系统

根据试验场地的气候参数、种植物生长必需条件等因数来设定自动滴灌子系统的参数。利用水利计算方法来选定滴灌管径的大小、灌水器的类型、滴灌管网铺设长度及出水量等参数。在西南地区复杂的山地滴灌过程中，由于山地高差、坡度不一致，对土壤水分保持率也不一致，故对试验场地进行分区滴灌试验，具体分为东区滴灌区域、西区滴灌区域、南区滴灌区域及北区滴灌区域。自动滴灌子系统主要由电源模块、水源工程、土壤水分传感器、控制模块、滴灌管网及电磁阀等构成。

电源模块由太阳能电源子系统提供所需电压，土壤水分传感器选用型号为ARN-100水分传感器，实现山地土壤的含水率实时监测。为降低系统电能消耗，电磁阀选用久诺阀门有限公司研发生产的型号ZCZP-25自保持式电磁阀，管径25mm，工作电压为12V，具有两个独立的线圈，分别实现电磁阀的关闭与打开，并保持通断状态；状态不变换的情况下，不需要电能供应，且状态切换反应时间在1s左右，电磁阀线圈接收到12V的升压信号，可实现电磁阀当前状态的改变。

在自动滴灌子系统设计中，选择4m×6m为一个滴灌单元。考虑到实验场地具体面积及精准滴灌的要求设计，该试验基地地形复杂，坡度不均，除了管道正常的水头损失外，还有很多不能预计的原因使压力发生变化，所以要对系统进行全面的优化设计，为了防止水压或流量的波动，需要在系统中配置一定的稳定装置。一个滴灌单元共同使用一套土壤水分传感器和电磁阀。滴灌系统管网主水管采用管径为25mm的PVC管(聚氯乙烯管，参照确定的管道材料以及相应的管道规格标准，同时考虑到西南地区夏季温度高，选取PVC管，其特点是管壁光滑、耐腐蚀、耐高温、耐压强度高等)，滴管采用管径为16mm的PVC管，滴孔直径设计为0.9mm，数量为4个，对称的分布在滴管下方。在滴灌过程中，当土壤水分传感器实时监测土壤含水率，根据监测到的数据信息进行实时按需灌溉，从而实现系统实时自动滴灌的目的。本系统设计的滴灌结构以具体面积为滴灌单元，能有效地节约土壤水分传感器及电磁阀的投入，降低电源能量损耗，从而降低整个系统的前期建设成本及后期设备维护成本。

1.3 数据信息传输子系统

数据信息传输子系统主要功能是将土壤含水率及相关数据信息通过GSM无线传输方式发送到终端，实现监测端与终端之间的监测数据信息实时传输。数据信息传输子系统由3层阶级构成：土壤含水率检测模块看作底层阶级；中间阶级是数据收集阶级，也即GSM阶级；顶层阶级为终端处理阶级。通过土壤水分传感器检测土壤含水率，利用ZigBee无线传感网络向GSM阶级传输底层阶级的数据信息，GSM阶级再统一发送汇集数据到顶层阶级，即终端。其中，系统中ZigBee无线传感网络模块选用的是型号为MRF24G40MA器件，使用规定的无线传感网络协议，能实现数据的有效汇聚与传输。选用型号为SIM900A的GSM无线传输模块作为系统中数据信息传输的核心器件，使用AT指令实现双向通信，支持短信互通，如图2所示。

图2 数据信息子系统结构图Fig.2 Structure of data information subsystem

2 硬件结构设计

2.1 电源稳压模块

系统采用太阳能逆控一体机作为电池主要控制器件，保证蓄电池有稳定的输出电压。其中，选用的太阳能电池板是广州兆天有限公司研发生产的多晶太阳能电池板(额定电压9V，上限电流0.34A)，通过金属杆树立支撑，树立高度以高于种植物30cm为准；选用的蓄电池为新能源科技公司研发生产的聚合物锂电池(单节锂电池的标称电压3.7V，单节锂电池的容量3.5A·h)。由于系统其他模块需求电压不一致，故系统设计了稳定的升压稳定电路和降压稳定电路，当锂电池随着时间推移，输出电压出现波动时，仍能为系统提供稳定电压。升压电路和降压电路如图3和图4所示。

2.2 电磁阀模块

为了实现系统低功耗，故本系统的中央处理器选用了一款低电压、低功耗及适用范围广等特点的单片机—STM32F103单片机。该单片机属于Cortex-M3系列芯片，其正常工作频率f为72MHz，正常工作电压为2.0～3.6V，在系统中作为核心控制器。图5为单个电磁阀的驱动电路图，图6为整个山地分区的电磁阀控制电路图。

图3 升压电路Fig.3 Circuit of boost

图4 降压电路Fig.4 Circuit of step-down

图5 电磁阀驱动电路Fig.5 The circuit of solenoid drivers

图6 电磁阀分区控制电路Fig.6 The circuit of solenoid valve control diagram partition

系统试验场地分为东、西、南、北4个滴灌区域，每两个滴灌区域的山地高差和坡度不同，所以电磁阀的设置参数也不同，各个区域的滴灌参数也不同。图5中，利用水分传感器监测得出土壤含水率参数值，与系统设定值作对比，得出对比结果，通过对比结果决定出单片机输出高电平或低电平，从而控制电磁阀的工作状态。图6中，电路中A11、A12为电磁阀A11、电磁阀A12接口，J1为土壤水分传感器检测输入接口，J2为ZigBee无线传感网络模块接口,J3为GSM无线传输接口，电路图中A、B、C、D4个I/O口分别指东区、南区、西区、北区4个区域的电磁阀控制端口。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为主程序、土壤含水率检测程序、ZigBee无线传感网络程序和GSM无线传输程序等4个部分，如图7所示。

图7 系统主程序图Fig.7 System main program diagram

土壤含水率检测程序图如图8所示。ZigBee无线传感网络程序设计图如图9所示。GSM无线传输程序设计图如图10所示。

4 系统参数设计

4.1 土壤水分传感器的标定

选取适量的实验场地土壤，用烘干装置将其烘干至恒定质量，加入适量水搅拌配制成已知含水率的实验土壤，拌匀之后放置于密闭容器中存放，存放时间为24h，然后获得土壤含水率；与此同时，测量土壤水分传感器的输出电压，形成数据；重复上述过程，收集数据，进而得到传感器的标定结果。

4.2 滴灌系统压力分布

工程实际案例中，所有管道系统几乎都是由很多等直管段和一些管道附件连接在一起组成的，因此在一个管道系统中，存在沿程损失和局部损失。

图8 土壤含水率检测程序图Fig.8 The soil moisture content test diagram

图9 ZigBee无线传感网络程序图Fig.9 ZigBee wireless sensor network application diagram

图10 GSM无线传输程序图Fig.10 GSM wireless transmission diagram

分支管道压力分布计算：

1)通过选取水头损失最大的管道的末端作为测量点，得出最小工作压力；

2)在最小工作压力的基础上，分段加上该管段的水头损失即上一节点的压力水头；

3)依次类推，计算到管道进口需要的压力水头。

为了保证各个分流点的灌水均匀度，沿最大水头损失分支上的总水头损失不超过进口压力水头损失的20%。在均匀坡度情况下，最大压力出水口是最后一个出水口。

4.3 系统灌水定额设计

系统灌水定额的设计是为了在滴灌过程中做到充分灌溉，同时不浪费水资源，实现水资源灌溉最大效率化。灌水定额是指单位面积土壤一次灌水的用水量(m3/hm2)或者一次灌水过程中水能够达到的水层深度(mm)。灌水定额设计是指最大灌水定额，以该参数作为灌溉设计依据。搜集并查阅土壤有效持水量的相关资料，分析得出本系统的灌水定额公式，即

m=0.1yzp(θmax-θmin)/η

(1)

其中，m为灌溉的灌水定额值(mm)；y为实验土壤的容重(g/cm3)，本系统y取1.2；z为计划湿润土层深度(m)，山地种植管理过程中，既有新种植的幼苗，又有成熟的种植物，查询相关规定，种植物根系的生长深度在0.1～1m范围，综合考虑，本系统中取z=0.5m；p为土壤湿润比，本系统中p取值为40%；θmax为土壤的适宜持水率上限，重庆地区的土壤持水率一般为15%，土壤的适宜持水率上限一般在80%～100%范围，故本系统中θmax取90%；θmin为土壤的适宜持水率下限，适宜土壤的持水率下限一般为55%～70%，故本系统中取60%；η为滴灌灌溉水的利用系数，参考SL103-95《微灌工程技术规范》中部分的规定和要求来确定滴灌灌水的利用系数，即滴灌灌水的利用系数≥0.9，查询资料并作对比，综合考虑，取本系统滴灌灌溉水的利用系数η取0.9。将具体参数带入式(1)，得出m=12mm。

4.4 系统单次滴灌时间的确定

系统单次滴灌时间主要针对两个方面，一方面是滴灌的时间选择，另一方面是滴灌时间的长短。在西南地区夏季时，存在着1个月左右的旱季，滴灌的时机选择显得尤为重要，系统的具体灌溉时间节点根据土壤作物类型及土壤质地来设置，本系统中设置了远程实时监控功能，能实时控制灌溉时间，从而实现实时远程控制。

4.5 GSM无线传输网络丢包率测试

数据传输网络的丢包率，采用多次测量求平均值的方法进行检验。根据试验场地的实际情况，试验时在东、西、南、北4个区域分别布署1个传感器节点(实际应用中需根据山地面积大小确定传感器数量)，布署1个汇聚节点。为了保证试验精度，设定传感器节点每隔20min进行一次采集和发送数据，计算无线传输过程中网络丢包率，连续进行试验，以测定系统通信稳定性能。试验得出的测试结果如表1所示。该系统的无线传输过程中网络平均丢包率为0.49%，系统通信稳定。

表1 网络丢包率统计Table 1 PLR values of nodes

5 系统效果及创新点

本农业滴灌系统经过调试安装完毕后，对试验场地进行完整的效果检验：系统可实现自动滴灌控制，实现了分区的精准滴灌。

系统的创新点主要表现在以下两点：

1)根据复杂山地的不同区域，高差及坡度不同，系统设计了流量和压力不同的滴灌系统。分区农业滴灌区别于传统滴灌方式，不再采用统一滴灌，实现了精准滴灌，提高了水资源的灌溉效率，为山地滴灌技术发展提供借鉴作用。

2)系统优化了农业滴灌系统中太阳能作为主要能源供给的能源损耗、远程传输数据的丢包率，提高了土壤含水率检测技术的精确性。

6 结论与讨论

1)系统针对复杂山地的高差及坡度不同，将山地进行区域划分，各个区域进行土壤水分实时监测，利用ZigBee无线传感网络进行信息收集，通过GSM无线传输技术进行数据信息远程传输至终端，终端决策对各个区域实行按需分别滴灌，实现节约水资源的目的。

2)研究构成自动农业滴灌系统，将土壤水分传感器、控制器、电磁阀等模块集成化，实现自动滴灌，提高水资源灌溉效率。

3)采用市电互补功能的太阳能电源作为整个系统的电能供应平台。太阳能充足时，通过太阳能对蓄电池进行电能的存储；太阳能不足时，则由市电对蓄电池进行电能的存储。

本系统实现了按需精准农业灌溉和实时监控的效果，达到了设计的目的，促进了西南地区山地农业灌溉系统的发展，很大程度地解决了节水灌溉工程中的能耗高、劳动力以及水资源浪费问题。系统试验选用小范围复杂山地效果可行，大面积复杂山地试验效果及系统材料选型有待作进一步研究。