智能化设施农业水灌溉控制系统研究.docx

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智能化设施农业水灌溉控制系统研究

智能化设施农业节水灌溉控制系统研究

1绪论

1.1研究背景

我国是一个农业大国，建国50年来，农业得到了很大发展，取得了以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口的举世瞩目的成就。

但也付出了巨大代价:

地下

水位下降、河湖干枯、季节性缺水、江河污染、水土流失和生态环境恶化等。

当前，制约我国农业发展的主要因素是水资源严重不足。

我国水资源总量为2、8万亿m3，人均占有量仅2200扩，不足世界人均水平的1/4，居世界第109位。

而且我国水资源地区分布极不均衡，81%的水资源集中分布在长江流域及其以南地区;长江以北地区人口和耕地分别占全国的45.3%和64.1%，而水资源仅占全国的19%，人均占有量为517m3;，相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20，水资源拥有量与生产发展极不适应。

据统计，进入20世纪90年代以来，我国农业干旱受灾面积达2300万hmZ以上，每年因缺水造成粮食减产1000亿kg左右〔l3j。

许多城市供水不足、工农业用水矛盾尖锐。

随着经济建设、生态环境建设步伐的加快，人们生活水平的提高，对水的需求量将更大。

我国农业用水面临资源短缺的同时，农业用水浪费现象却非常严重。

主要表现在:

一是水的利用率低，我国灌溉系统对水资源的利用目前只能达到0.3~0.4，

而发达国家可达到0.8以上。

二是农业水生产率低，灌溉农业粮食作物的水生产率不足Ikg/ma，旱地农业面积占60%左右，降水的生产率只有0.3kg/m3~0.4kg/时。

托普物联网针对水资源的利用率一直在做深入的研究，力求研发出一种能提高水资源利用率的物联网系统。

解决我国农业用水短缺问题有两种方法，一种方法是开发新的水资源以满足农业用水需求，这种方法在一定程度上可以缓解我国农业水资源严重短缺现象，但它同时也存在三个比较大的问题，一是开发水资源所需的投资非常大，而且见效慢，受地理条件和资金等限制较大，短期内不能解决大面积的农田灌溉问题;二是开发的水资源能解决农业用水短缺问题却解决不了农业用水浪费的问题，根据目前我国农业水资源利用率来看，花费了大量资金和人力去开发水资源，结果利用率只有35%左右，造成大量人力、资金与水资源的浪费;三是我国水资源毕竟有限，而农业的发展是长期的，靠开发水资源来解决农业缺水问题是不现实的。

另一种解决农业用水短缺问题方法是发展节水灌溉。

节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律而进行的适时灌溉，利用尽可能少的水取得尽可能多的农作物产出的一种灌溉模式。

一般灌溉水从水源到田间要经过几个环节，每个环节中都存在水量无益损耗。

凡是在这些环节中能够减少水量损失、提高灌溉水使用硕士论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究效率和经济效益的各种措施，均属于节水灌溉范畴。

节水灌溉技术能大幅提高水资源的利用率，在水资源不变的情况下提高作物产量，能实现优质高产，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益。

因此，实行节水灌溉，大力普及和应用高效节水灌溉技术是从根本上解决我国农业缺水问题的重要措施。

托普物联网研发的节水灌溉技术包括两方面内容:

①工程节水技术:

通过对原有灌溉工程设施进行改造或使用先进的灌溉工程设施以达到减少输水损失和减少田间用水损失的方法。

如渠道防渗、管道输水、喷灌、微喷灌、滴灌、渗灌等。

②灌溉控制技术:

通过采用自动控制技术，结合作物需水特性、地理环境、土壤特征与节水灌溉制度等实行按需的、适时的自动灌溉控制。

工程节水技术主要是从两个方面来实现节水的目的，一是减少水在田间传输过程中的渗漏损失，如渠道防渗和管道输水技术;二是减少灌溉过程中的无效灌溉，即均匀灌水或是只对作物根部附近的土壤进行溉，一般草地采用喷灌，作物采用微灌技术。

利用工程节水技术一般可提高水资源利用率到50~70%，相对传统的灌溉方式来说已经有很大改善，但是仍存在30%以上的水资源浪费，且与优质高产仍有一段距离。

这主要是因为这种灌溉模式仍然是靠人工控制，灌溉的多少全凭经验，不能实现按作物的需水特性精确、高效灌溉。

这就使得人的因素成为影响水资源利用率的主要因素，当经验较丰富、较准确时，水的利用率就高，当欠缺经验时水的利用率就低。

而灌溉控制技术的发展正可以弥补工程节水技术的这一缺陷，它采用先进的科学技术，检测土壤墒情，根据地理环境和作物生长的需水特性按需、精确灌溉，可大大提高水资源的利用率，实现优质高产。

灌溉控制技术使人们摆脱了传统的全凭经验的灌溉模式，达到了高效节水灌溉的目的，对缓解我国农业用水短缺现象具有非常重要意义。

1.2国内外研究状况

灌溉自动化始于20世纪30年代，二次世界大战前.法国研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水力自动闸门，并提出了一套比较完整的自动化灌溉控制方法，开了自动化灌溉的先河。

20世纪50年代以来，随着电子学和计算机技术的应用和发展，利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排工程自动化技术也得到了同步发展，并在法国、美国、日本等发达国家乃至一些发展中国家得到了日益广泛的应用和发展，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。

1.3本课题的研究工作

综合农作物的生长过程对外部环境的主要要求，采用科学控制方法且具备广泛用途的节水灌溉系统，是节水灌溉科学实施的核心问题。

基于此，本课题的主要内容是研制开发适合我国国情的、低成本、易推广的、主要应用于温室大棚的节水灌溉自动控制系统，为实现我国农业高效节水灌溉提供技术装备。

由于不同农作物有不同的需水特性，灌水时间、灌水量既影响农产品的产量，也影响农产品的质量，因此，设施农业的高效节水灌溉自动控制技术主要是向适时适量、按需灌溉的方向发展。

所以，本课题的研究主要包括两个方面，一是测即获取土壤水分信息，并根据土壤水分信息及作物需水特性来决定灌溉时间与灌溉量的多少。

这将摆脱以往仅凭经验灌溉的灌溉模式，使作物灌溉决策建立在科学的基础之上;二是控，要研究如何根据土壤条件、土壤水分信息及作物需水特性进行合理的灌溉决策，即将传统的凭经验由人工手动阀门控制灌溉方式改为自动进行适时适量、按需精确灌溉控制，从而达到提高水的利用效率、优质高产、节省大量人力，实现高效农业的目的。

2方案研究与论证

2.1研究方案选择

国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。

这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性也越来越好〔211。

要想在依据我国国情与节水灌溉现状的基础上，吸收国外研究成果，研制出一种依据对农作物生长土壤水分含量的不间断的实时检测的结果，根据作物需水特性，实现适时，按需精确灌溉的自动控制设备，就需要对各种技术进行研究分析。

目前，在国际上技术比较成熟、应用较广的灌溉控制技术主要有两种:

专家系统与微机测控技术。

下面就对这两种方法进行比较研究，寻找一个适合我国国情的，应用于设施农业、着眼于未来农业现代化发展的自动化节水灌溉研究方案。

2.2专家系统

专家系统是一个模拟人脑思维方式，以知识为基础的计算机软件系统。

其特点在于把人（专家）在解决生产实际问题过程中所使用的启发性知识、判断性知识分成事实和规则，以一定的知识表示形式存入计算机，建立知识库，并采用合适的产生式系统（ProductionSystem），按输入的原始数据，选择合适的规则，进行推理、演绎，作出专家级的智能判断与决策。

而且它的最大特点，可代表一个专门生产领域的专家群体，对该生产领域内的实际问题提供专家们的咨询、决策意见圈。

将专家系统应用于农业就形成了农业专家系统。

农业专家系统以农业专家的知识和经验为系统的核心，运用计算机技术，克服时空限制，在较短的时间内得以广泛地应用，使专家的知识和经验变为生产力工周。

可以说农业专家系统是一种拥有高层次、多方面农业专家知识，它并能模仿人类推理过程，在计算机上以形象、直观的方式向用户提供各种农业问题决策咨询服务的实用软件，与人类专家相比，拥有综合性的知识和高速处理知识的本领，且不受时间、空间的限制和人类情感的影响。

专家系统应用于节水灌溉也是以丰富的种植经验为基础的，例如，在已有经验上，将已知的作物生长各阶段的需水量，生长状态、各阶段可能遇到的气候与自然条件等决定灌溉的详细信息输入计算机，按照一定的法则划分成各项细则存储在计算机中。

当进行控制时，就将己获得的作物生长状态、气候条件等输入计算机，计算机经过计算推理，把它划分归属于某一细则，再按这一细则的要求，如灌溉量和灌溉时间，进行灌溉。

如从荷兰引进的大棚花卉种植专家系统，由于多年的种植经验，对某种花卉的生长过程十分熟悉，将其生长过程细节输入计算机，由计算机通过推理计算来决定其灌溉与施肥。

由此可见，专家系统能实现作物种植灌溉的完全智能化，能够代替为数极少的专家群体，走向地头，进入农家，在各地具体地指导农民科学种田，节省大量人力、物力，能实现高效节水，优质高产。

专家系统将是我国未来节水农业发展热点之一。

但是，在目前情况下专家系统还不能在我国进行推广，它除了具有上述的优外，还存在着下述缺点:

（1）专家系统模型大，开发周期长，在我国目前科技水平较低情况下投入大量人力、物力及资金去开发不太可能。

（2）目前国内大部分专家系统依靠进口，这些引进的专家系统成本高且不适合我国国情，不能充分发挥其优点。

（3）专家系统开发完全依赖种植专家的经验去控制作物的施肥与灌溉，它并不对土壤墒情及作物情况进行实时检测。

它虽然能代替农业专家，却并不能摆脱完全凭经验灌溉的种植模式。

（4）专家系统的操作需要具有一定水平的专业人员才能完成，而我国农业科技水平普遍较低，缺乏农业科技人员，这也限制了专家系统的推广。

（5）开发受限制，单一性强，投入过高。

一般一个专家系统是针对一种作物开发的，它要在农业专家提供有关这种作物丰富、系统的种植经验的基础上才能进行开发，一旦没有农业专家就无法进行开发，而农业专家毕竟人数很少。

同时，当需要对多种作物进行监测实施节水灌溉时，就需要多个专家系统，这就需要投入很大的资金，也限制了专家系统的推广。

从上面的分析可以看出，专家系统虽然具有很多优点，具有很大的发展潜力，但它不能满足成本低、操作简单、易推广、能按作物需水量适时、精准灌溉的研究目标，因此本课题的研究不能朝专家系统的方向走。

2.1.2微机测控技术

另一种节水灌溉自动控制技术是微机测控技术。

它将计算机技术、传感与检测技术以及通讯技术结合起来，能够检测土壤墒情、环境特征，并依据检测结果来决定灌溉量与灌溉时间，摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式。

目前在国外，特别是以色列，大部分田地都是采用的这种节水灌溉控制方式。

国外的这种控制系统一般都很大，采取大型分布式控制系统。

在田间分布各种传感器检测点，如土壤水分、温度、湿度、光照、作物蒸腾量等，检测结果送至微机，微机对结果进行处理，然后通过通讯技术，将处理结果发送至上位机，即实验室或家里的计算机中，操作者就可以在家里或实验室里观察到作物生长状况和土壤墒情，根据经验数据判断作物是否缺水及所需灌溉量与灌溉时间，然后发出灌溉命令给微机，微机就可以根据命令控制灌溉量与灌溉时间，实现高效节水灌

溉。

这种节水灌溉控制系统成本高，但它的设计思想却很符合本课题的研究要求，因此可以将其加以简化，降低其成本，这样就能设计出符合我国国情的，易推广的，能按作物需水特征实现按需、精确灌溉的节水灌溉控制系统。

首先，不采用上位机通讯控制。

因为在我国农业设施普遍简陋的情况下，推广上述计算机控制的灌溉系统还不现实，只要采用单片机在田间进行检测与控制就可以了。

这样可以大大减少成本，而且还可以预留一个通讯接口，在需要或是有条件时也可以实现与上位机的通讯，十分的方便。

其次，使用传感器测量土壤及作物参数并尽量减少测量参数的数量，只选择一些常用的灌溉参数进行测量，