基于土壤墒情的精准自动化灌溉系统研究

王 炜，晋 华

（1.太原市水利技术推广服务站， 山西 太原 030002；2.太原理工大学，山西 太原 030002）

我国是一个水资源匮乏的国家[1，2]，农业灌溉用水利用率仅为45%[3，4]。因此，提高农业灌溉利用率是缓解水资源紧缺的必由之路。灌溉系统自动化程度的提高，省时省力，提高农业水资源利用效率[5]。

自动灌溉控制技术在大型灌区或微灌技术迅速发展的地区得到了广泛的应用[6，7]。徐征和等[8]利用计算机远程控制，构筑了作物生长资料及土壤资料集成收集利用的途径，形成了一套优越的技术体系。陈天华等[9]利用ARM和GPRS系统，研制了一种土壤墒情监测和预报系统，提高了水资源利用效率。岳学军等[10]设计了一种自动化灌溉系统，可根据土壤湿度变化自动调节灌溉水量。微灌等先进的灌溉技术若不能和自动化灌溉系统有机结合，就无法实现精准的自动化灌溉。李伟[11]利用PLC 技术研制了自动灌溉施肥系统，可根据作物肥料需求进行水肥一体化自动灌溉。朱焕立[12]等利用通信技术、传感器和自动控制设备，实现了自动化灌溉。目前，依托微灌等先进的技术手段已可实现局部的自动化控制。然而，能够依据作物需水特性对土壤墒情进行实时监测、预报，进行完全自动化灌溉的系统还较少。

结合中央系统、无线数据传输网络、现场气象环境监测系统、远程测控终端（RTU）、泵站管网测控系统等部分研发了一种精准自动化灌溉系统。该系统可实现灌溉、降水数据的定时采集，实时监测水泵、管网和阀门的工作状态，经智能灌溉专家系统分析后，可依据土壤墒情和作物的需水特性，进行精准的自动化灌溉。

1 自动化系统设计

精准自动化灌溉系统主要由计量仪表、IC 卡和数据库服务器等监控设备，软件平台和水资源测控管理系统等构成。精准自动化灌溉系统总体构成示意，如图1所示。精准自动化灌溉系统工作流程，如图2所示。研究在井房和灌溉小区出口处布设水表计量仪器，实时采集各单元用水量，并通过信号线发送至井房水资源控制器。计量仪表主要包括压力式水位计、电磁流量计及上旋翼水表等。

IC 卡安装于井房内，用于控制预先设置的水量，并控制水泵的启闭。IC 卡与监控中心通过GPRS/GSM 方式无线通信，将监控信息上传至监控中心，保存至数据库。IC 卡主要有水流量采集功能、多用户非接触卡控功能、剩余水量下限报警功能、反写卡功能、历史数据保存功能、水表线路故障监测功能、水泵运行故障监测功能、异常数据保护功能、数据通信功能和水表线路故障事件记录功能。

水资源测控管理系统是对水资源利用的综合管理软件，其主要包括系统管理、基本信息管理、系统参数设置、IC 卡及售水管理、数据查询统计和业务报表打印模块。

图1 精准自动化灌溉系统总体构成示意

图2 精准自动化灌溉系统工作流程

2 自动灌溉控制系统总体构成

自动灌溉控制系统由中央控制系统、无线数据传输网络、现场气象环境监测系统、远程测控终端（RTU）、泵站管网测控系统、电磁流量计及电磁阀和水泵等部分组成。中央控制器是自动灌溉控制系统的核心机器，由多台PC机及机柜组成。中央控制器主要对采集的信号进行分析、决策和发出控制命令，其主要包括智能灌溉专家系统、实时监控系统、数据报表系统和人机交互界面等。

监测控制命令由计算机串口发出，通过高速工业以太网络和无线传输网络传送至现场自动气象环境站、泵站管网和远程测控终端的采集变送设备。现场自动气象环境站用来监测环境温度、降水和土壤墒情等信息，并回传送给中央控制器。泵站管网测控系统用来检测机泵运行情况、管道水压等信号，并接受执行中央控制器的控制指令，进行机泵的开启和停机，以保持灌溉管网的水压维持在合适的压力。自动气象环境站和泵站系统的控制中心采用电缆线以串行通信方式交换信息。不同作物的需水特性和不同生育阶段的作物需水要求有所差异。远程测控终端可依据土壤墒情的变化实时采集，上报土壤水分含量，接受控制指令，进而控制灌溉进程。

远程测控终端分布在田间，距控制中心相对较远。控制中心的信息通过无线数据传输网络实现双向传递，可将每个灌溉泵视为一个独立的单元。每个独立的灌溉泵设置一个无线传输设备3G DTU，用于和中心控制室连接。

3 系统工作原理

精准自动化灌溉系统结合现代计算机和自动控制及通信技术，利用集成电路实现数据的采集、传输和控制。通过采集不同区域内土壤墒情数据，实现不同形式的自动灌溉，从而保持适宜的土壤墒情。通过RS 485 总线连接的控制中心与灌溉控制器通信，实现数据的上传和控制指令的执行。另外，无线通信模块则为精准自动化灌溉系统提供了通过遥控进行远程控制的途径。

4 系统主要功能

（1）信息自动采集及自动监测功能。作物生长与温度、降雨等气象因素和灌溉、蒸发导致的土壤墒情变化密切相关[13]。自动灌溉系统可通过自动气象站中的温度传感器、湿度传感器、雨量传感器及埋设于作物根区的土壤墒情传感器对作物生长的相关因子进行实时采集和保存，并通过无线网络传输至中央控制器。研究中自动传感器可依据控制终端预先设定的时间进行土壤基础数据的采集，并且发送至中央控制器。另外，精准自动化灌溉系统可依据需求，及时向相关传感器发送指令，进行相关土壤和气候数据的采集。精准自动化灌溉系统可实时监测管网运行状态和气象数据。

（2）灌溉决策支持功能。系统的智能灌溉专家系统可根据采集传输的信息，按照相关知识库和规则库，综合分析推理，实现土壤墒情的实时预报。不同作物对水分耐受的上、下限有所差异[14]。自动灌溉控制系统中储备了相关作物适宜的水分需求上下限。在灌溉过程中，自动灌溉控制系统可依据土壤墒情的实时传输和作物生长所需适宜含水量的上、下限比较情况，确定灌溉制度。另外，精准自动化灌溉系统可依据灌溉智能决策结果发出机泵自动开启指令，按照制定的灌溉制度进行灌溉。

（3）预置修改功能。在自动灌溉控制系统运行阶段，可依据不同作物或同一作物不同的生长阶段，针对不同土壤水分需求及时修改相关参数。

（4）数据库管理功能及报表和图形打印功能。精准自动化灌溉系统可提供原始监测值，并对测定数据进行自动处理和转换。为了方便对土壤墒情和气象数据进行系统分析，自动灌溉控制系统可按选定的日期、时段和传感器类型，生成各种压力、土壤含水量等过程线，并可自动打印报表。

（5）预警保护功能和防雷抗干扰功能。当机泵电流过限、管道工作压力异常时，精准自动化灌溉系统会进行预警保护，直至恢复正常。精准自动化灌溉系统的发射天线处均接有避雷器，可有效预防雷电。

5 系统工作方式

（1）自动专家控制方式。在精准自动化灌溉系统工作过程中，空气温度、湿度、风速和降雨等气象数据、土壤水分含量和蒸发数据以计算机识别信号进入中央控制器。其次，智能灌溉专家系统对所接受的信号进行分析推理，并向远程测控终端发出指令。最后，远程测控终端根据中央控制器的指令开启相关的电磁阀进行灌溉。中央控制器连续采集泵站、管网的信息，发出相关指令，控制水泵的运转速度来维持管道压力的恒定，维持额定的供水压力，保障灌溉管道和水泵的安全运行。精准自动化灌溉系统可实时收集管网信息、土壤墒情及气象数据，储存于数据库，以供查询。另外，精准自动化灌溉系统可依据降雨、蒸发和土壤墒情等资料，综合分析监测土壤水分短暂的动态变化，以实行短期灌溉精准预报。

（2）半自动方式。管理人员可在控制室内，通过微机对3G DTU 上传的流量、压力和水位等管道运行数据，土壤湿度及空气温度和风速等气象数据进行实时监测，利用专家会议讨论制定相关灌溉方案。通过人工调用不同的控制模块，实现精准自动化节水灌溉。另外，管理人员可对每个小区进行灌溉控制、调度、计量和计费。

（3）手动方式。该系统可针对零散用户和单片区域的灌溉请求，在控制室手动起动相应的泵站，进行计量收费控制。在这个过程中，可随时参考现场自动气象环境站、泵站管网测控系统发回的各种数据，做到较合理的用水灌溉。

6 结论

针对我国自动化灌溉水平较低的突出问题，基于土壤墒情和作物需水特性，研发了一种精准自动化灌溉系统，该系统的研制对我国水资源利用效率的提高、农业生产成本的降低有重要的意义。

（1）精准自动化灌溉系统由中央控制系统、无线数据传输网络、现场气象环境监测系统、远程测控终端（RTU）、泵站管网测控系统、电磁流量计及电磁阀和水泵等部分组成。

（2）精准自动化灌溉系统可实现信息自动采集、自动监控、灌溉决策支持、预置修改、报表图形自动打印、数据库管理、预警保护、防雷保护和抗干扰能力等功能。

（3）精准自动化灌溉系统可依据管理人员灵活选择操作模式。