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