區(qū)域農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測與精量灌溉技術(shù)研究

隨著我國節(jié)水灌溉規(guī)劃任務(wù)不斷深入,從國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的角度來考慮,當(dāng)前進(jìn)行的節(jié)水灌溉規(guī)劃任務(wù)是研究技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)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(xué)的灌水決策與精量灌溉調(diào)控手段,以達(dá)到合理利用水資源,促進(jìn)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。

作為新興的農(nóng)業(yè)節(jié)水科技領(lǐng)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(dāng)然如需要，還可以測定土壤溫度、水勢和電導(dǎo)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(jī)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(jìn)行墑情監(jiān)測與精量灌溉決策,使農(nóng)田灌溉達(dá)到高效率用水有了合理的科學(xué)依據(jù)。充分體現(xiàn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)領(lǐng)域區(qū)域農(nóng)田土壤墑情GSM 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)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(shù)等方面,充分利用計算機(jī)自動控制技術(shù)深化節(jié)水農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的研究,使相關(guān)學(xué)科之間相互滲透互相促進(jìn)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(shù)綜合和配套成體的系統(tǒng)技術(shù)成果,與國內(nèi)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國家相比,我國在綜合技術(shù)系統(tǒng)方面存在著一定的差距和不足,應(yīng)根據(jù)我國各地區(qū)不同的生態(tài)氣候條件和經(jīng)濟(jì)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(yīng)技術(shù)。其技術(shù)路線、系統(tǒng)軟件、應(yīng)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(yīng)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(yán)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(dāng)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(yīng)的程度突出,土地沙漠化趨勢日趨嚴(yán)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(zāi)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(zāi)。

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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)十分嚴(yán)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(dá)國家水的有效利用率可達(dá)80 %以上,每1 m3 水生產(chǎn)糧食可達(dá)2 kg 以上,其中以色列達(dá)2. 32 kg。由此說明,我國各種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的綜合應(yīng)用程度低,與發(fā)達(dá)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(shù)、GSM 通訊技術(shù)、GIS( Geograp hic information system) 技術(shù)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(biāo)監(jiān)控的要求越來越高,不僅需要知道移動目標(biāo)的位置,還需要對移動目標(biāo)的反饋參數(shù)、報警信息、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)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(luò)技術(shù)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(shù)與產(chǎn)品在示范區(qū)應(yīng)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(shù)

利用GSM 網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(luò)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(jī)。計算機(jī)將采集的信息處理后歸入計算機(jī)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(yù)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(jìn)行同步監(jiān)測 。如出現(xiàn)問題,計算機(jī)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(luò)監(jiān)測與精量灌溉控制技術(shù)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(jìn)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(yīng)的精量自動控制模式,還預(yù)設(shè)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(yīng)用中,還包括了軟件模塊熱備份,一些關(guān)鍵模塊在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)性和可擴(kuò)展性是關(guān)鍵。研究開發(fā)先進(jìn)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(chǔ)。由于灌溉區(qū)域遼闊,在中央控制室設(shè)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(luò)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(dú)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(shè)和維護(hù),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(jī)通過串口連接無線巡測中心接收傳輸裝置,以GSM 網(wǎng)絡(luò)為載體的無線通信控制方式完成設(shè)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(luò)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(luò)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(hù),且系統(tǒng)各部分控制相對獨(dú)立。

水分采集模塊主要由DPA 轉(zhuǎn)換、電池管理和運(yùn)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(dú)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(jī)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(yīng)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(zhǔn)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(kuò)展及串口部分:主要提供IPO 擴(kuò)展和與上位機(jī)485 串口連接;雷擊保護(hù)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(jìn)行的土壤水分傳感器適應(yīng)性分析得出以下分析數(shù)據(jù):假設(shè)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(biāo)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(jìn)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(jī)控制決策級組成的一個以GSM 網(wǎng)絡(luò)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(shè)備裝置隱蔽性強(qiáng)的具有高可靠性的實用系統(tǒng)。

SMS(Short Messaging Service) 短消息業(yè)務(wù)是GSM 網(wǎng)的一項增值業(yè)務(wù),通過控制信道傳輸數(shù)據(jù),支持點對點消息業(yè)務(wù)及消息廣播業(yè)務(wù)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(wù)中心,監(jiān)控中心通過中繼線路DDN (Digital Data Network) 從短消息業(yè)務(wù)中心獲取數(shù)據(jù) 。

利用GSM 進(jìn)行的土壤墑情監(jiān)測SMS 傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)計方法(圖5) ,系統(tǒng)設(shè)置以無線網(wǎng)絡(luò)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(guān)硬件設(shè)備驅(qū)動控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(luò)為載體的通訊驅(qū)動控制能掃描和監(jiān)視指定設(shè)備并自動決定需要的控制功能。根據(jù)編好的應(yīng)用程序要求獨(dú)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(jìn)行通訊和操作,并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及雙向遠(yuǎn)動,由于現(xiàn)場控制器是相對獨(dú)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(fù)責(zé)對整個控制過程的工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)整,適用于大田、設(shè)施栽培環(huán)境等應(yīng)用比較復(fù)雜的子系統(tǒng)。本系統(tǒng)的大部分接口設(shè)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(kuò)展板來滿足現(xiàn)場控制的需要,具備擴(kuò)展性和變更性。

6 　用戶操作系統(tǒng)

在整個農(nóng)田、設(shè)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(yīng)的精量自動控制模式,還預(yù)設(shè)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(shè)置控制流程,將若干灌溉組設(shè)置成一個或若干個組工作,實現(xiàn)農(nóng)田、設(shè)施系統(tǒng)灌溉工作次序的任意設(shè)置,完成區(qū)域任意一灌溉組的開啟或關(guān)閉。用戶可根據(jù)設(shè)定的時序自動完成農(nóng)田、設(shè)施灌溉,定時啟動預(yù)設(shè)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(shè)定的控制流程保存以備重復(fù)使用,不必每次工作前進(jìn)行設(shè)定。計算機(jī)系統(tǒng)操作平臺工作狀態(tài)圖標(biāo)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(shè)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(shù)和生物技術(shù),對作物生長的必要條件進(jìn)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(biāo)。集成農(nóng)業(yè)水資源高效利用和數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)領(lǐng)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(jì)作物等實施區(qū)域化土壤墑情監(jiān)測和精量灌溉技術(shù),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(xué)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(xué)、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(yīng)各有特點。區(qū)域農(nóng)田、設(shè)施精量灌溉不僅實現(xiàn)了農(nóng)作物規(guī)�；�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(hù)生態(tài)環(huán)境,抗旱減災(zāi)服務(wù)。隨著我國缺水地區(qū)對節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷需求,區(qū)域農(nóng)田土壤墑情GMS 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、灌溉決策及精量灌溉調(diào)控技術(shù)越來越受到重視,必將取代傳統(tǒng)的灌溉控制技術(shù),其應(yīng)用面會越來越廣,具有重要的應(yīng)用價值和科學(xué)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(shù)支撐。