农田智能灌溉技术发展现状及展望

周安鹂，陈昌文，陈敏敏

（汕尾职业技术学院新能源材料与催化工程研究中心，广东 汕尾 516600）

0 引言

中国是农业大国，灌溉对于保障我国粮食安全具有重要的作用，也是影响农业增产的重要因素之一。目前在农业灌溉中，大多仍是采用手动控制的灌溉方式，浇灌人员利用个人经验判断是否需要对农田进行灌溉及确定灌溉量的多少，或采用半自动灌溉控制系统，主要是采用控制时间的方式，浇灌人员同样是依靠灌溉经验来设定灌溉时间。上述2种灌溉方式都较为粗糙，没有定量监测，可能会出现灌溉不足或过度灌溉的问题，不能达到精准灌溉和节水的目的，且对人力的依赖程度较高，不适用于大规模的农业生产。

目前，农业灌溉用水大约占全国供水量的60%，并且水利用率不高，如传统的沟灌、漫灌等方式的水利用率仅在45%左右[1-3]。发展智能节水灌溉技术在促进农作物增收的同时，还能有效缓解水资源匮乏的压力。因此，改变农业灌溉方式，提高水资源利用率，降低农民劳动强度，加强农田智能灌溉技术的运用至关重要，是我国建设现代化农业的必然选择。本文通过研究农田智能灌溉技术的发展现状，并对未来智能灌溉技术的发展趋势进行了展望，旨在为农田智能灌溉技术的推广应用研究提供参考。

1 农田智能灌溉技术发展现状

为提升农业的智能化发展，智能灌溉逐步进入农业生产中。智能灌溉技术将智能控制技术、计算机信息技术、传感技术、网络传输技术等与现代农业生产相结合，实现对农田的智能、科学及精准灌溉。

1.1 控制方式

智能灌溉系统在研究初期主要以计算机控制为主，朱焕立等[4]利用一台计算机作为中央控制器，根据中央控制器上安装的智能灌溉专家系统、实时监控系统等决策灌溉过程的启停，实现对11 个果树园区的自动化灌溉。

随着控制器逐渐向着小型化、集成化发展，智能灌溉系统控制器主要为单片机控制或采用PLC 控制。谢家兴等[5]针对荔枝园的灌溉问题设计了以TI公司的Zigbee CC2530为核心处理器的智能灌溉系统。张阳阳等[6]设计了基于STM32 的智能灌溉控制器，可根据作物的生长需求、环境条件及灌溉经验等因素对作物进行自动浇灌。吴迪等[2]研究设计了一种以C8051 系列单片机为核心处理器，并结合模糊控制的智能节水灌溉系统，以实现对农作物的精准灌溉。郭锋[7]设计了以STC89C52 单片机为控制芯片的智能灌溉系统。赖俊桂等[8]针对山地柑橘园的灌溉问题设计了一种以STM32C8T6 单片机为主控单元，基于Zigbee 协议的无线传感器网络的智能灌溉控制系统。黄翠[9]针对山地环境研究设计了基于西门子PLC 控制的智能节水灌溉系统，可通过GPRS 无线模块进行远程控制。

随着人工智能以及大数据分析的快速发展，基于算法控制的智能灌溉系统研究也越来越多。农田土壤具有惯性及非线性的特点，因此难以靠一个数学模型进行准确判断，模糊控制则是根据灌溉经验及长期环境条件分析整合出的灌溉规律，可以在距离工作点较远的区域里仍具有较好的动态控制性能，但若仅使用模糊控制其精度相对较低，因此需与其它智能算法结合使用以达到更好的控制效果。刘慧敏[10]针对果园灌溉建立了Attention-LSTM 模型，对果树的蒸腾量进行预测，再通过搭建的模糊控制模型，输入蒸腾量和土壤湿度偏差来确定准确的灌溉时间。张伶鳦等[11]针对寒地水稻研究了基于调亏理论和模糊控制的智能灌溉策略，包含了模糊控制灌溉以及预测灌溉。冯兆宇等[1]针对寒地水稻灌溉问题研究了基于灰色神经网络与模糊控制的智能灌溉制度，可以预先决策寒地水稻的灌溉水量并建立适当的灌溉管理方式。李学军等[12]研究了一种基于长短时记忆神经网络（LSTM）的农业灌溉预测模型。张瀚中等[13]针对温室大棚作物设计了一种基于WSNs，将模糊控制器与PID 控制器自适应切换的智能灌溉控制系统，采用Fuzzy-PID 复合控制的动态及稳态性能更好。

1.2 灌溉方式

目前较为常见的农田灌溉方式主要有漫灌、喷灌、滴灌等。传统的漫灌方式不仅浪费大量的水资源，同时容易造成土壤板结。喷灌技术通过动力设备将水喷洒至田间，虽会造成一定的水分蒸发，但可以调节农田小区域气候，并且安装布置不受地形限制。滴灌技术通过预先布置的管网将水直接输送至农作物根部，因而减少了在水在地面上输送时的蒸发和流失。魏子涵等[14]以内蒙古通辽市为例分析了不同灌溉方式下的节水量，64 万hm2灌溉面积，采用低压管灌可节约水量0.38 亿m3；喷灌节约水量0.83 亿m3；膜下滴灌节约水量1.09 亿m3。喷灌、滴灌等方式在一定程度上可以节约水资源，但目前应用的自动化程度较低，结合智能灌溉系统则可以实现农田灌溉的自动化与智能化。

1.3 通讯方式

利用无线通讯技术进行数据及指令传输，更利于智能灌溉系统未来的扩展和升级。张锐英等[15]设计研究了基于单片无线收发器芯片nRF24L01 无线传输的智能大棚灌溉系统。潘晓贝等[16]设计研究了基于ZigBee 网络技术的农田智能灌溉系统，可靠性高且成本、功耗低，但进行数据及控制指令通讯的控制距离相对较短。杨全丽等[17]设计的南疆小麦智能灌溉系统采用了ZigBee 技术进行数据的传输，通过增加控制节点的数量来增加控制面积。无线传感网络（即WSN 技术）的容量相对更大，传输距离更远，采用WSN 技术进行通讯可以扩大智能灌溉系统的使用范围，更适合于大规模农田中的应用。张瀚中等[13]研究发现采用ZigBee 与WiFi 双协议融合的无线传感器网络（WSNs）技术具有更高的传输速率以及更远的传输距离。刘宇[18]研究分析了智能灌溉系统网络传输过程中的网络路由算法，发现该传输方式在800 m 的距离内都具有较高的数据传输可靠性。顾飞龙[19]设计了基于LoRa 远距离无线传输技术的农业智能灌溉系统，其通讯距离完全满足系统的需要求。

2 存在的问题及应对措施

2.1 前期投入大，推广应用难

农田智能灌溉系统因其前期投入大、相对于农民群体而言技术难度高，目前仍处于试验阶段，大规模推广应用还存在一定难度。可以通过先试点、后推广的模式，根据当地环境条件及土壤状态由专家系统推荐合适种植的农作物，通过增收减少投入比例；再按农作物品种分区科学规划农田，便于灌溉系统的联用，减少技术成本。同时结合政府相关政策，加强对农田的科学规划与布局，按照智能灌溉系统的要求做好农田面积、类别、道路、管网等整体的规划建设，逐步改善农田的基础设施现状，创造适合大规模应用智能灌溉系统的基础条件。通过长远规划，提高农田的基础设施建设，为农田作物自动化收割与运输、智能管理与培育创造条件，为实现智能化农业打下基础。

2.2 农民对智能控制技术掌握不够

农民一方面对科学的作物培育技术掌握程度不够，另一方面对智能控制技术的了解程度较低。要积极鼓励成立农田智能化管理培训团队、农田智能化控制技术培训团队等社会组织，使一部分农民先掌握相关科学技术，再进行推广普及。同时配合智慧管理平台的咨询服务，依托专家平台获取相关的科学知识及培训建议；通过机械化管理平台，进行机械报修，保证机械的正常维护保养。

3 农田智能灌溉技术展望

未来的农田智能灌溉技术发展要依托智慧化、绿色化、平台化、互动化等理念，遵循“可实施、可复制、可推广”的建设思路建立智能灌溉系统。

3.1 农田管理智慧化

农田灌溉将由传统的人工灌溉转变为结合智能化、数字化技术手段，依托移动设备等管理平台以及无线通讯技术实现对农田的智慧化管理。对农田土壤状态及农作物生长状态进行可视化监控，实时收集土壤墒情、太阳能光照强度、雨水量等数据并进行分析，实现科学、动态管理及自动化灌溉。疫情的来临凸显了发展自动化农业生产的必要性，特殊时期人员不得外出，但农时不可误。通过农田智能灌溉技术在特殊时期自动灌溉或远程遥控农田灌溉过程，可降低对人力的依赖，克服空间距离和疫情的影响，增强农业生产的防灾减灾能力。

与自动控制技术、物联网技术、5G 技术等结合的智慧农业是未来农业的发展趋势，农田智能灌溉系统的建立需为后续智慧农业整体系统的建立提供拓展空间，如水肥一体化、作物产量预估、虫害及天气预警等技术，均有利于推动农业的规模化发展。

3.2 能源利用绿色化

在建立农田智能灌溉系统时应注重绿色能源的应用，因地制宜，如日照充足地区建立太阳能供电系统为智能灌溉系统供能，雨水充足地区可将雨水作为灌溉水源，建立雨水回收利用系统。通常，土壤缺水时的太阳能充足，因此农作物需要浇灌的需求程度与太阳能充足程度呈间接正相关关系，利用清洁无污染的太阳能给系统供能，节能环保，可以减少二氧化碳的排放，有利于碳中和目标的达成，推动绿色农业建设。

3.3 平台操作简单化

基于农民群体的普遍特征，农田智能灌溉系统的管理平台开发要遵循“科学、明了、易操作”的原则，使农民对系统的管理简易且智能。平台设计要简单、明了、易上手、使用技术难度小，让农民手机一点便能实现自动灌溉及土壤信息的收集，让浇灌过程智能化、科学化，从而解放劳动力，为农田粮食生产增添科技色彩。

3.4 融入“互联网+”

《广东省实施乡村振兴战略规划》中提出，要加快农业技术推广，提高“互联网+”农技推广服务信息化水平，建立农技推广应用服务云平台，引导社会资源积极参与农技推广工作[20]。在智能灌溉系统中加入“互联网+”元素，建立云管理平台，除反馈土地状态外，还可以建设匹配的知识库以及结合智能算法的专家库，提供智能灌溉系统运维咨询、知识获取等，包括农作物品种选择、节水灌溉措施、施肥灌溉建议等。农民只需通过手机，将实时收集的数据或问题输入到专家库，就能得到灌溉、施肥、防灾减灾预警等个性化指导，更利于农作物的生长，利于农民增收，有效助力乡村振兴。

4 结语

积极采用农田智能灌溉技术可以实现农田灌溉过程的智能化、科学化。当前，农田智能灌溉技术从最初的由计算机控制逐渐演变到单片机控制、PLC控制或是基于人工智能算法控制；传统漫灌会造成一定程度的水资源浪费，在智能灌溉系统中采用喷灌、滴灌技术更节水；利用无线通讯技术进行智能灌溉系统的数据及指令传输，更利于智能灌溉系统的规模化应用。目前智能灌溉技术由于其前期投入大、相对农民群体技术难度高，因此大规模应用还存在一定难度，可以通过科学规划、政策支持等措施，进行先试点后普及。同时需要加强农作物培育技术和智能控制技术的培训，未来农田智能灌溉技术的发展将更注重智慧化、能源利用绿色化、平台操作简单化以及互动化，融于“互联网+”元素，适应当前现代化农业、绿色农业发展趋势，有效服务乡村振兴。