區(qū)域農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測與精量灌溉技術研究

隨著我國節(jié)水灌溉規(guī)劃任務不斷深入,從國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的角度來考慮,當前進行的節(jié)水灌溉規(guī)劃任務是研究技術先進、經(jīng)濟合理的各種工程措施、控制途徑和方法,減少灌溉水的無益損耗;在時間和空間上合理地分配水資源,并在田間推行科學的灌水決策與精量灌溉調(diào)控手段,以達到合理利用水資源,促進農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術可持續(xù)發(fā)展。

作為新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水科技領域,在作物生長期對農(nóng)田墑情的監(jiān)測（農(nóng)田墑情可以用土壤墑情與旱情監(jiān)測儀或者無線墑情與旱情管理系統(tǒng)，這兩款儀器都能夠測定土壤水分的含量，當然如需要，還可以測定土壤溫度、水勢和電導率等等參數(shù)。）越來越受到重視。它綜合集成了專家知識和經(jīng)驗,并通過計算機解決問題。農(nóng)田土壤水分信息采集傳感器的GSM( Global System for Mobile Communications) 無線發(fā)射傳輸裝置和GSM 無線中心接收傳輸裝置結(jié)合系統(tǒng)灌溉決策支持軟件,完成對農(nóng)田土壤進行墑情監(jiān)測與精量灌溉決策,使農(nóng)田灌溉達到高效率用水有了合理的科學依據(jù)。充分體現(xiàn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)領域區(qū)域農(nóng)田土壤墑情GSM 網(wǎng)絡監(jiān)測技術的創(chuàng)新優(yōu)勢,尤其在區(qū)域化環(huán)境農(nóng)田精量灌溉控制技術等方面,充分利用計算機自動控制技術深化節(jié)水農(nóng)業(yè)各領域的研究,使相關學科之間相互滲透互相促進日趨明顯。

節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉環(huán)境控制系統(tǒng)工程是眾多技術綜合和配套成體的系統(tǒng)技術成果,與國內(nèi)外先進發(fā)達國家相比,我國在綜合技術系統(tǒng)方面存在著一定的差距和不足,應根據(jù)我國各地區(qū)不同的生態(tài)氣候條件和經(jīng)濟發(fā)展水平,因地制宜地制定和發(fā)展我國的節(jié)水農(nóng)業(yè)規(guī)劃和相應技術。其技術路線、系統(tǒng)軟件、應用軟件和硬件裝置盡量做到符合高通用性和兼容性,以適應不同類型的節(jié)水農(nóng)業(yè)栽培環(huán)境控制系統(tǒng)使用。

1 　區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測意義

我國水資源時空分布嚴重不平衡,81 %的水資源集中分布在長江流域及以南地區(qū),長江以北地區(qū)人口和耕地分別占我國的45. 3 %和64. 1 % ,而水資源卻僅占全國的19 % ,人均占有量為517 m3 ,相當于全國人均量的1/5 和世界人均量的1/20 ,水資源與生產(chǎn)發(fā)展不相適應的程度突出,土地沙漠化趨勢日趨嚴重。尤其是西北干旱地區(qū)的新疆、青海等地的大面積戈壁灘,因無灌溉,也就沒有農(nóng)業(yè)。降水年內(nèi)分配不均,冬春少雨、夏秋多雨,汛期雨量過于集中,常以暴雨形式出現(xiàn),利用難度很大,非汛期又水量缺乏。降水量年際變化大,豐水年與枯水年相差懸殊,使水旱災害頻頻發(fā)生,甚至同一地區(qū)有時旱澇接踵而至,交替成災。

從全國對水資源量總的需求來看,在出現(xiàn)中等干旱的情況下,全國總需水量為5 500 億m3 左右,缺水量約為250 億m3 。若考慮供水中的地下水超采和超標準污水直灌等不合理供水因素,則全國實際缺水量300～400 億m3 。農(nóng)業(yè)是我國的用水大戶,約占全國總用水量的73 % ,但有效性很差,水資源浪費十分嚴重,渠灌區(qū)水的有效利用率40 % ,井灌區(qū)60 % ,每1 m3 水生產(chǎn)糧食不足1 kg。而一些發(fā)達國家水的有效利用率可達80 %以上,每1 m3 水生產(chǎn)糧食可達2 kg 以上,其中以色列達2. 32 kg。由此說明,我國各種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術的綜合應用程度低,與發(fā)達國家相比還存在著很大的差距。同時,也看到了在中國發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的巨大潛力和廣闊前景。

隨著土壤水分傳感器技術、GSM 通訊技術、GIS( Geograp hic information system) 技術等迅速發(fā)展和區(qū)域環(huán)境要素監(jiān)測的需求增長,人們對移動目標監(jiān)控的要求越來越高,不僅需要知道移動目標的位置,還需要對移動目標的反饋參數(shù)、報警信息、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和處理。利用傳感器采集包括土壤水分,空氣溫度適度等環(huán)境要素,通過局域性的無線網(wǎng)絡將采集信息傳送到控制中心,作為中心控制系統(tǒng)實施大田作物自動灌溉的依據(jù)。上述區(qū)域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡技術集成在其自動灌溉控制系統(tǒng)中有著極其重要的作用。研發(fā)的技術與產(chǎn)品在示范區(qū)應用后,在維持產(chǎn)量不變或提高的前提下,作物生育期內(nèi)的灌溉定額比常規(guī)灌水條件下減少20 % ,水分利用效率提高25 %～30 %。

2 　精量灌溉系統(tǒng)技術

利用GSM 網(wǎng)絡載體在田間采集土壤動態(tài)水分信息是田間采集的重要手段。信息收發(fā)裝置按內(nèi)部設定的時間規(guī)律將采集到的土壤水勢動態(tài)參數(shù)通過GSM 網(wǎng)絡載體發(fā)送出去。上位巡測無線收發(fā)裝置(可以多個) 通過GSM 網(wǎng)絡載體將接收到的土壤水勢動態(tài)參數(shù)加工后傳給中心計算機。計算機將采集的信息處理后歸入計算機軟件監(jiān)測與決策系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)土壤特征物理參數(shù)及相對種植作物,計算現(xiàn)場各灌溉區(qū)域的土壤含水量狀態(tài)、需灌溉水量。按灌溉面積和泵出水量計算出現(xiàn)場灌溉時間及灌溉水量時間周期預測。系統(tǒng)同時也對各灌溉區(qū)域的田間土壤水分信息采集收發(fā)裝置和上位巡測無線收發(fā)裝置的互動工作狀態(tài)進行同步監(jiān)測 。如出現(xiàn)問題,計算機控制中心系統(tǒng)將及時對現(xiàn)場水勢傳感變送器、無線收發(fā)裝置的微處理器、上位巡測無線收發(fā)裝置,作出時間和系統(tǒng)糾正,形成一個穩(wěn)定的土壤墑情監(jiān)控遙測系統(tǒng)。農(nóng)田墑情GSM 網(wǎng)絡監(jiān)測與精量灌溉控制技術軟件系統(tǒng)能實現(xiàn)無線雙向數(shù)據(jù)通訊,灌溉決策和進行大面積多道灌溉程序控制,提高均勻度,實現(xiàn)生產(chǎn)過程量化控制 。

3 　系統(tǒng)軟件

整個農(nóng)田墑情GSM 監(jiān)控系統(tǒng)中,軟件系統(tǒng)不僅能提供區(qū)域灌溉決策數(shù)據(jù)和相對應的精量自動控制模式,還預設了常用的控制模式。在一些對灌溉環(huán)境控制可靠性要求很高的應用中,還包括了軟件模塊熱備份,一些關鍵模塊在設計上有一個或多個備份,軟件或硬件系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,可以通過特殊的軟件模塊自動切換到備份,從而保證了系統(tǒng)不間斷工作。系統(tǒng)包括七個部分: 平臺操作模塊; GSM 雙向通訊模塊;信息采集模塊;數(shù)據(jù)分析模塊;控制決策模塊;數(shù)據(jù)處理模塊;接口驅(qū)動模塊(圖1) 。

4 　系統(tǒng)硬件

在精量灌溉系統(tǒng)控制硬件開發(fā)過程中,系統(tǒng)可控的范圍大,硬件的通用性、標準性和可擴展性是關鍵。研究開發(fā)先進的無線通訊收發(fā)裝置為大范圍區(qū)域灌溉群控提供了硬件基礎。由于灌溉區(qū)域遼闊,在中央控制室設有無線巡測中心通訊收發(fā)裝置,完成現(xiàn)場眾多土壤采集動態(tài)數(shù)據(jù)的空間傳輸 。整個硬件系統(tǒng)不僅做到無線網(wǎng)絡載體下的信息處理加工、安全信息管理,且系統(tǒng)各部分控制相對獨立�？刂茀�數(shù)修改無線與在線便攜化,無太多的管線需要敷設和維護,系統(tǒng)具有一定程度上的容錯性能,局部的損壞不會影響整個系統(tǒng)的工作。

4. 1 　系統(tǒng)硬件重要部件之一(埋入式土壤水分信息采集GSM 無線收發(fā)傳感變送裝置)

上位機通過串口連接無線巡測中心接收傳輸裝置,以GSM 網(wǎng)絡為載體的無線通信控制方式完成設計所要求的以雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)形式的區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)控。田間土壤水分采集傳感器通過微處理器完成底層區(qū)域灌溉的水分監(jiān)測和無線通信控制。系統(tǒng)不僅做到在GSM 網(wǎng)絡載體下的信息處理加工、安全信息管理、安全碼檢測與調(diào)制、傳感器檢測、電源監(jiān)測與雷擊保護,且系統(tǒng)各部分控制相對獨立。

水分采集模塊主要由DPA 轉(zhuǎn)換、電池管理和運算放大器組成。通訊控制主要器件是SIM 卡,E5111芯片內(nèi)集成了TCPPIP 協(xié)議,通過專用接口與微處理器連接。每個土壤水分采集GSM 收發(fā)裝置均由獨立電池供電,正常工作時間大于3 年。

微處理器采用美國A TMEL 公司的A TMEGA128 器件。備用IPO 主要用于鍵盤、顯示接口,可作簡單的人機交流。顯示驅(qū)動電路主要用來顯示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。埋入式土壤水分信息采集GSM 無線收發(fā)裝置由以下部分組成,傳感器采集部分:供電(高穩(wěn)定電壓) 、恒流控制、物理傳感器,主要是將土壤的含水量轉(zhuǎn)換成對應的電量;模數(shù)轉(zhuǎn)換部分:主要是低通濾波器、10 位數(shù)轉(zhuǎn)換以及基準電源組成;中央控制部分:微處理器用于對數(shù)據(jù)的處理及控制收發(fā)數(shù)據(jù)(包括發(fā)射單元內(nèi)部信息:電池電量、校正時間) ;存儲器部分:主要是用于微處理器數(shù)據(jù)緩沖和存儲;電源部分:主要有高性能容量電池,充放電控制電路和電池檢測;通訊模塊部分: GSM 信號調(diào)制,天線;通訊擴展及串口部分:主要提供IPO 擴展和與上位機485 串口連接;雷擊保護部分:主要由專用快速吸收器件組成;外殼:主要作用是將傳感器信號發(fā)送出去(圖2) 。

4. 2 　系統(tǒng)硬件重要部件之二

利用在山東禹城試驗站和河南封丘試驗站進行的土壤水分傳感器適應性分析得出以下分析數(shù)據(jù):假設傳感器測量頻率的量程為0～50 kHz。在該量程范圍內(nèi),依據(jù)土壤水分傳感器的標定曲線,繪制各個傳感器的水勢2頻率曲線,按率定公式計算的水勢隨頻率的增加而增大(圖3) 。

分別利用禹城站土壤、封丘站土壤的水分特征曲線,將水勢轉(zhuǎn)換成土壤體積含水量。

禹城站壤土的水分特征曲線:

其中θ為體積含水率(cm3/cm3 ) ,ψ為水勢(kPa) 。

封丘站土壤水分特征曲線:

θ= 0. 45p - 0. 2611

其中θ為體積含水率(cm3Pcm3 ) ,P 為土壤水勢(kPa) 。

繪制禹城站、封丘站土壤水勢-土壤含水量曲線(圖4) 。

5 　系統(tǒng)通訊與精量灌溉驅(qū)動

根據(jù)區(qū)域農(nóng)田土壤不同的土質(zhì)和作物,采取合理分布埋入土壤中進行水分信息監(jiān)測點采樣,由收發(fā)過程控制級和中心計算機控制決策級組成的一個以GSM 網(wǎng)絡為紐帶的集中監(jiān)控而灌溉現(xiàn)場監(jiān)測相對分散、配置靈活、組態(tài)方便、現(xiàn)場設備裝置隱蔽性強的具有高可靠性的實用系統(tǒng)。

SMS(Short Messaging Service) 短消息業(yè)務是GSM 網(wǎng)的一項增值業(yè)務,通過控制信道傳輸數(shù)據(jù),支持點對點消息業(yè)務及消息廣播業(yè)務等多種方式。水分采集的數(shù)據(jù)通過GSM 網(wǎng)全部發(fā)送到短消息業(yè)務中心,監(jiān)控中心通過中繼線路DDN (Digital Data Network) 從短消息業(yè)務中心獲取數(shù)據(jù) 。

利用GSM 進行的土壤墑情監(jiān)測SMS 傳輸數(shù)據(jù)的設計方法(圖5) ,系統(tǒng)設置以無線網(wǎng)絡為載體的通訊驅(qū)動控制DDC(Digital Data Converter) ,將分布在灌溉監(jiān)測現(xiàn)場的各種相關硬件設備驅(qū)動控制器通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)無線驅(qū)動,完全實現(xiàn)了對區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測的無線操作雙向信息傳輸和灌溉驅(qū)動。

以無線網(wǎng)絡為載體的通訊驅(qū)動控制能掃描和監(jiān)視指定設備并自動決定需要的控制功能。根據(jù)編好的應用程序要求獨立完成各系統(tǒng)部件的操作,并與任何指定的終端和電動執(zhí)行器進行通訊和操作,并進行數(shù)據(jù)交換及雙向遠動,由于現(xiàn)場控制器是相對獨立的,所以提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)場控制器作為一個DDC 通用控制器,執(zhí)行(DDC) 操作指令完成整個灌溉區(qū)域電動執(zhí)行器過程驅(qū)動和直接控制,并負責對整個控制過程的工藝參數(shù)進行監(jiān)視、調(diào)整,適用于大田、設施栽培環(huán)境等應用比較復雜的子系統(tǒng)。本系統(tǒng)的大部分接口設計是滿足兼容要求的。模擬量輸入(AI) 與數(shù)字量輸入(DI) 兼容,并可用多種擴展板來滿足現(xiàn)場控制的需要,具備擴展性和變更性。

6 　用戶操作系統(tǒng)

在整個農(nóng)田、設施土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)中,系統(tǒng)不僅能提供區(qū)域灌溉決策數(shù)據(jù)和相對應的精量自動控制模式,還預設了常用的控制模式,用戶可以方便地選擇所需的模式。用戶在操作過程中還可根據(jù)自己的需要自由地設置控制流程,將若干灌溉組設置成一個或若干個組工作,實現(xiàn)農(nóng)田、設施系統(tǒng)灌溉工作次序的任意設置,完成區(qū)域任意一灌溉組的開啟或關閉。用戶可根據(jù)設定的時序自動完成農(nóng)田、設施灌溉,定時啟動預設的灌溉工作流程。在系統(tǒng)完成灌溉工作流程后,用戶可將自己設定的控制流程保存以備重復使用,不必每次工作前進行設定。計算機系統(tǒng)操作平臺工作狀態(tài)圖標與灌溉現(xiàn)場實時工作狀態(tài)實現(xiàn)跟蹤與同步。

7 　結(jié)　論

利用區(qū)域農(nóng)田、設施土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)研究成果,采用現(xiàn)代精量灌溉技術和生物技術,對作物生長的必要條件進行綜合調(diào)控,為作物提供適宜的土壤水分養(yǎng)分條件,使作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)并減少無效蒸發(fā)損失,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保等目標。集成農(nóng)業(yè)水資源高效利用和數(shù)字精準作業(yè)技術領域的研究成果,對具有地區(qū)代表性且規(guī)�；�種植的藥用植物、果樹、花卉、大田經(jīng)濟作物等實施區(qū)域化土壤墑情監(jiān)測和精量灌溉技術,其節(jié)水與增產(chǎn)效果極其明顯。

在監(jiān)測土壤墑情的同時,與種植作物需水量相結(jié)合,科學確定灌溉用水計劃。以灌區(qū)土壤墑情監(jiān)測作為灌溉用水管理的主要依據(jù),根據(jù)氣象觀測資料、土壤墑情資料、作物長勢資料等確定作物的灌溉水量及灌溉時間,及時提供用水信息,從而使農(nóng)業(yè)灌溉管理更加科學、精確。

由于氣候生態(tài)環(huán)境和被灌溉區(qū)域的條件不同,相對的節(jié)水策略也應各有特點。區(qū)域農(nóng)田、設施精量灌溉不僅實現(xiàn)了農(nóng)作物規(guī)模化種植、優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn),還有效防止了土壤鹽堿化和板結(jié),為保護生態(tài)環(huán)境,抗旱減災服務。隨著我國缺水地區(qū)對節(jié)水農(nóng)業(yè)技術的不斷需求,區(qū)域農(nóng)田土壤墑情GMS 網(wǎng)絡監(jiān)測、灌溉決策及精量灌溉調(diào)控技術越來越受到重視,必將取代傳統(tǒng)的灌溉控制技術,其應用面會越來越廣,具有重要的應用價值和科學意義,同時為我國綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。