智能灌溉文献综述

智能灌溉文献综述
一、国内外发展现状
由于我国自动化技术起步较晚，目前在各行各业的应用正处于研究推广阶段，自动化技术在农业上的应用程度更低，所以，目前自动灌溉控制系统还处于研制、试用阶段。

中国农业机械化研究院联合多家单位研制了温室自动灌溉施肥系统，该系统可在手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式之间进行切换，能满足温室作物的大部分需求，但是成本较高(赵玮娜2009)。

中国灌排技术开发公司（2006）以单片机为控制核心开发了微灌自动监控系统，该系统能实现灌溉系统检测、控制，同时还能进行事故处理（沈绪榜2001）。

北京农业工程大学利用8031 单片机研制了一套灌溉控制系统(毛慎建1995)，该系统是一个多输入、多输出系统，可采集多路土壤水分信号，并对单独回路进行控制，使用方便。

但上述系统功能单一，扩展性差，在控制对象复杂情况下难以正常运行。

利用现代计算机技术和通信技术，福建省水利建设技术中心（陈文清2004）开发了一套节水灌溉自动化控制系统，能根据需要实现定时灌溉、恒湿灌溉和人工选择三种工作方式。

WT-02 型微喷灌定时自动控制器是由北京奥特思达科技有限公司研制的一种电子灌溉自动化控制系统（贺良才2010），该系统使用对象广泛，能在多种工作模式下工作。

上述两种系统在一定程度上能进行自动化灌溉控制，但仅限于定时操作或人工操作，还不能实现根据作物需要进行适时、适量的灌溉。

廖功磊等（2006）应用可编程序控制器（PLC）、工控机和工业遥控器构成核心控制部件，采用组态软件（MCGS）及WPL 编程软件设计了全自动智能控制系统。

崔天时等（2010）针对温室灌溉受多因素影响难以建立精确控制模型的特点，开发了基于LabVIEW 平台的温室节水灌溉模糊控制系统。

该系统能够根据土壤水分适时、适量的灌溉，对节水灌溉技术的发展起到了一定的作用。

国内还有直接以PC 机进行控制的自动灌溉控制器，不仅使成本增加，而且不易在田间较恶劣的环境下使用，所以实用化程度很低。

总之，在我国，虽然有多种灌溉控制器，但多数规模较小，局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，所以根本无法普及应用。

自动化技术在国外普及较早，在农业上的应用目前已经很成熟，带有智能控制的节水灌溉系统的应用面积和产业化程度很高。

统计数据表明，美国、前苏联的喷灌面积己占其总灌溉面积40%以上，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中90%以上采用喷灌。

这些系统中，广泛使用灌溉控制技术。

控制模式也由早期的当地控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式（史爱克2001；陈莉2002；王长德2002；唐黎标2002；马学良1999）。

法国和日本等国家开发并使用多功能压力流量控制设备，该设备能实现给水、压力控制、流量显示、水量控制等功能；日本在大多数旱地灌溉系统中使用恒压喷灌技术，取得良好的效果。

世界著名的耐特费姆(Netfim) 灌溉设备和滴灌系统公司生产的微灌系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提高。

在发达国家，先进的灌溉系统已经得到广泛使用。

这些国家大都采用先进的节水灌溉系统，这些系统能对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。

特别是以色列这个干旱国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。

另外，北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都己有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关
土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。

在温室等设施内较多使用小型灌溉管理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时间，操作便于小规模经营。

计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制（无线、有线）的农场主。

总之，目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其施行控制。

二、节水灌溉控制系统现状
目前多数农业环境信息采集系统的基本模式为模拟传感器加A/D 转换模块构成现场监测单元，再经由RS-485 总线接入PC 计算机。

但由于农业环境相对恶劣，PC 计算机不适合在上述场合工作，同时PC 机能耗大、费用较高、长期运行时性能不够稳定。

另外RS-485 总线传输距离相对较短，无法实现远程监测。

为提高系统的稳定性和灵活性，近年来人们开始着手研究农业设施远程测控系统。

高军（2010）等采用基于ZigBee 技术的无线传感网络与GPRS 网络相结合的体系结构，基于CC2530 芯片设计无线节点，开发了此节水灌溉控制系统，该系统能实时监测土壤温湿变化，根据土壤墒情和作物用水规律实施精准灌溉。

黎啟江等（2010）利用远程无线传感器网络技术与计算机技术组成智能灌溉监测系统，开发出一套适用于温室大棚的远程监控管理系统，该系统能监控水肥中的电导率、酸碱度值及其它环境参数，能对水肥进行远程监控。

方旭杰等（2009）针对丽水黑木耳的种植,研究设计了一套基于ZigBee 技术的无线智能灌溉系统，实现了灌溉的智能化和无线化,通过在灌溉现场的长时间运行,充分证明了系统的可行性和可靠性，为建立大型的远程智能灌溉系统奠定基础。

雷硕，赵贤林（2008）设计了一套基于ZigBee 无线网络的远程节水灌溉网络监控系统，该监控系统利用计算机、无线数据通讯、传感器等先进技术对农田灌溉进行监控管理，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分。

张彩萍（2008）介绍了一种利用GPRS 实现对农田节水灌溉设备进行远程控制的农田节水灌溉远程控制系统，该系统由客户/服务器模式框架构成，模拟实验表明，系统具有一定的使用价值。

韩祥波（2007）提出了农田远程供水监控系统的设计思想及实施方案，对系统控制和数据采集进行了阐述，对系统的硬件组成和软件设计进行了分析和研究。

胡钢，吴正阳（2006）提出了一种基于GPRS 网的节水灌溉远程控制系统利用Win输出口网络编程技术和GPRS 网的资源实现了数据远程无线传输与现场控制；采用ADO数据库访问技术和SQL 数据库实现了数据管理与处理。

现场计算机控制软件采用模糊控制理论，可实现无人化灌溉管理作业。

国外对远程灌溉系统的研究已经比较成熟，控制器的种类比较齐全，但由于国内外
的种植方式相差较大，所开发的系统不适合我国的现状。

总之，目前，国内对远程灌溉控制的研究方兴未艾，但是还没有出现很完善的系统
能适用于各种种植条件，因此针对我们课题组所研究的干旱半干旱地区的灌溉条件，研究相应的远程灌溉控制系统有着重要的意义。

本课题统以Internet 网络为基础，下位机采用性价比较高的ARM 控制器LCP2368 采集和发送底层控制信号，通过串口与网络服务器进行通信，服务器以Internet 为载体与各个客户端进行通讯，从而实现多用户远程监控灌溉系统。

溉技术插上了腾飞的翅膀，使精确灌溉技术逐渐成为现代灌溉农业的主体。

果园智能节水灌
溉在世界各国的农业中已经占据了重要地位，尤其是近几年连年出现的大旱天气，使得实施智能节水灌溉任务变得重之又重，但是由于技术设备的研制开发是一项长期艰巨、复杂的任务，因此更尖端、更高效设备需要好几代人的努力（李晓东，2007）。

国外智能节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，人工成本高，所以与智能节水灌溉相配套的自动控制系统也较完善和先进。

中国在这方面与他们相比就远远落后了，在中国由于起步时间比较晚、人工成本低使得大型智能灌溉系统得不到很好的推广，因此制约了这方面的发展，现有的智能灌溉系统大多是依赖于国外进口(朱德兰，2001)。

美国，早在1984 年Benami 和Offen 开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。

Phene(1973)、Phena 和Howell(1954)，Phena(1989)分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤湿度传感器把土壤湿度信息反馈给控制系统，再根据传感器获得的数据决定是否灌溉，使作物根部总能保持一定的湿度。

他们所设计的控制系统经运行表明，控制系统运行参数的好坏主要取决于四个因素系统的硬件设计、控制系统所采用的算法、土壤湿度传感器的可靠性、螺旋形电磁阀和压力调节装置以及流量计、过滤器等设备的性能。

鉴于当时传感器技术的发展现状和当时技术水平此套系统没有达到预期效果，因而也没有大范围的推广。

随着技术的不断发展，许多专业做灌溉系统的公司逐渐兴起，最具代表性的是美国的雨鸟、亨特，这两个公司生产的产品已经走在了世界的最前沿，以雨鸟ESP-4M 系统为例，主要性能包括：可升级性，模块控制器基本型为4 站，通过增加每单元 3 战的模块，可简单将控制器扩展为7、10、13 站控制器，实现了大面积的智能化节水灌溉（章军富，2010）。

据美国自来水协会统计，通过安装智能灌溉系统，美国人每年能够节省大约8520亿升水，这些水每年都因过度浇溉而被浪费，而智能灌溉系统可以帮助人们为植物提供合适数量的水（丁宝莹，2004）。

但是现阶段美国还有4,500 万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。

Spain 称，城市灌溉系统占城市用水的58%，这些被浪费的水资源每年生产54.4 万吨温室气体。

以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前他们全国农业土地基本上实现了灌溉管理的智能化和自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥等直接送入作物根部，水资源利用率相当高。

在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全程控制的灌溉系统，可以远程设定灌溉间隔时间，操作方便。

由于引进先进的传感器技术，因此对灌溉过程的控制可达到相当高的精度。

现在他们也正在着力随着现代电子工业不断进步，使得微电子技术与机电一体化、计算机信息技术和自动控制、航空航天等高新技术在不断的应用于智能灌溉领域，给高效果园智能节水的灌解决把空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术应用到大型灌溉系统中（许一飞，1998）。

加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的是澳大利亚公司的灌溉控制器，已形成了多个系列，几十种型号的产品。

其中系列成本较低，是一种小型化自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉。

该系统采用分布式结构，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。

国内在开发灌溉自动控制系统方面现在还仅处于研制试用阶段，能实际投入应用且
应用较广的灌溉控制器还不多见。

从上世纪七十年代引进墨西哥滴灌设备开始，在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于推广的精神，在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、灌溉企业及各地有关部门的密切合作和共同努力之下，灌溉技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了一定的成果（李铁男，2000）。

在国内开发能在实际推广应用的产品中最具代表性的是中国农业机械化研究院联合多家单位研制的智能型温室自动灌溉施肥系统。

该系统是在国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机实时闭环控制、动态监测、控制显示中文、
施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。

2007 年郑重等人提出一种基于GSM 技术和FSK 技术的农田水分检测与决策支持系统，通过FSK 调制技术来实现不同采集单元间的分布式数据通讯，该系统可以将采集
到的数据通过GSM 网络传到PC 监控器，并通过水分传感器测得土壤中水分含量并将
测得的结果以SIM 卡短信形式发送至用户手机，为农田的信息化管理提供技术支持。

该
系统能够实现农田水分实时检测、数据的无线远程传输（郑重，2007）。

2008 年靳广超等人应用ZigBee 技术实现土壤墒情检测系统，该系统可以实时的监测土壤中的温度和湿度，为喷灌和滴灌提供可靠的信息，适合土壤墒情检测的需要（靳广超，2008）。

对农产品需求的增加。

而我国耕地资源有限，水旱灾害严重，要应对农产品总需求与总供给不平衡的巨大挑战，必须提高单产。

据水利部80年代初的调查，全国灌溉农田的单产为7290kg腼“，非灌溉农田的平均单产仅为21ookg小mZ，不及灌溉农田产量的1/3。

因此，灌溉是提高单产的前提和保证。

一方面，新增灌溉区面积需要增加用水，改善现有灌溉面积的灌溉条件也需要增加淡水资源的耗费，另一方面工业和城镇生活用水日益增加，因此改善我国农业灌溉情形，提高现有灌溉面积保证我国农业可持续发展就必须走节水高效的道路[4]。

近几年发展改革委等有关部门启动了《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009一2020年)》编制工作。

为了弥补粮食缺口及保障规划顺利实施，必须大力普及推广节水灌溉。

三、智能灌溉系统灌溉方式的研究
传统的灌溉方式主要是漫灌，即直接通过沟渠将灌溉用水输送到灌溉区域。

这种方法简单，但耗水量大并且容易破坏土壤的结构。

采用管道输送灌溉用水，可以大幅度减少渗透和蒸发耗水。

但该方式对管道成本和管网设计要求较高。

现代的灌溉方式主要有滴灌、喷灌以及其改进型。

这些灌溉方式都是基于管道输水。

滴灌是水到灌溉区以后通过重力或土壤的吸力使水到达作物灌溉区，喷灌则是通过管道加压，使水流经喷头后均匀的散落在灌溉区，喷灌的灌溉范围广，多用于大面积花卉、蔬菜、草坪等灌溉，喷头的喷洒效果直接影响到整个灌溉系统的效果。

一般的喷头，灌溉范围即喷洒域是圆形或者扇形，这种喷头设计简单，应用广泛，但经学者分析这种喷头在组合喷灌时喷洒面积重叠度高，不利于精确灌溉控制。

对此，国内外学者作了大量研究[38]。

韩文霆设计出了一种方形喷洒域变量施水精确灌溉喷头，有效解决了一般圆形喷头的超喷、漏喷以及界外重叠喷洒的问题，可大量节约水资源。

四、智能灌溉系统通信方式的研究
灌溉系统中的通信方式主要包括有线通信和无线通信。

有线通信是大多数灌溉系统所采用的通信方式。

北京林业大学的赵燕东、章军富等通过RS一485总线建立了一个按作物需求的分布式智能灌溉系统[27】。

孙刚、吴文彪等人在RS一485总线的基础上实现了Modbus 通信协议，使各个灌溉系统中各部分能简单快捷的通信[28]。

伍伟杰、叶邦彦则基于cAN 总线对节水灌溉自控系统进行了研究，并以cAN控制器sJA1000设计了一套灌溉通信系统[29]。

国家信息研究中心的陈凤、赵春江等人则是利用低压电力线载波(LowvoltagePowerLine CarrierCO~unicatfon)技术，基于低压载波通信控制芯片RlsE3301设计了一套灌溉通信系统130]。

有线通信技术成熟，信号不易受外部干扰，但是这种方式需要大量的布线，开销昂贵且易受地理环境影响，拓展性不强。

无线传感网技术的迅猛发展，为智能灌溉系统带来了新的机遇。

无线传感网的低成本，网络容量大等特点使其适合于智能灌溉系统[3‘]。

王骥、周文静等以sA68D21DL无线收发模块为硬件平台，通过平面信息传播路由DD(DirectedDi肋sion)协议组建了农田灌溉网络系统[32]。

董杰设计了一个基于PLc 的灌溉无线通信系统，所使用的无线通信模块传输距离远可达7一8玩非常适合数据采集
[33]。

冯友兵、张荣标等针对喷灌系统设计一个无线传感网络，并对网络的体系结构和节点的部署做了详细的研究[34]。

无线传感网中的zigBee协议及技术标准更是以极低的功耗，时延短，安全可靠并且能够自组网等特点，在灌溉系统中得到大量的应用。

AnuragD，Roys 等分析了印度的灌溉情况，展望了zigBee网状拓扑结构在灌溉系统中的应用[35〕。

Qiuwz，saleemK等设计了一个多路连接的策略，保证了zigBee网络在环境比较恶劣的灌溉区域下也能稳定的运行
五、智能灌溉系统决策、控制策略的研究
现在流行的灌溉系统大多直接采用、定时控制。

水利部西北科研所和陕西三原现代节水灌溉设备公司联合研制的“多功能节水精细灌溉机”就是支持定时灌溉和手动灌溉切换的，集抽水、加压、施肥于一体的微型移动式节水灌溉系统[l0]。

美国雨鸟公司是世界上著名的灌溉设备生产商，该公司生产的节水灌溉(喷灌)系统也是基于时间控制，可以长时间的自动开关水泵或是按一定的顺序轮流灌溉，该系统会建立运行档案为改进管理和监测系统运行提供依据。

此类系统设计简单可靠，但需要人为操作，灌溉效果受人影响较大且在不同的环境下灌溉参数需要重新设定。

智能灌溉就是要保证作物正常生长发育所需的水分，既要灌溉适时又要用最少的水量获得最大的纯收益。

.而影响作物灌溉的因子众多，且各因子之间存在一定的祸合，对于温室大棚里的灌溉研究则多是选取空气温度、湿度以及土壤湿度为主要影响因子[12一，4]。

温室中的温、湿度变化是一个大惯性非线性和纯时延的系统[l”】，无法对其建立精确与统一的数学模型，传统控制方法受到了严峻的挑战。

而随着人工智能和智能算法的发展，国内外学者研究了不同的智能算法在精细灌溉中的应用。

河海大学的谢芳和唐德善建立了基于最小二乘支持向量机(Ls一svM)的灌溉用水量预测模型，用于塔河流域T灌区灌溉用水量预测，结果表明该方法具有较强的泛化能力以及较小的误差[l“】。

张兵、袁寿其等综合考虑灌溉各个水资源情况，基于最优保留策略遗传算法对玉米小麦的优化灌溉模型进行了研究[l7]。

西班牙的P.Martl，A.Royuela等人利用神经网络，以瓦伦西亚地区的最高、最低温度和空气相对湿度为输入，对当地的参考蒸腾量ETO。