随着我国节水灌溉规划任务不断深入,从国民经济可持续发展的角度来考虑,当前进行的节水灌溉规划任务是研究技术先进、经济合 理的各种工程措施、控制途径和方法,减少灌溉水的无益损耗;在时间和空间上合理地分配水资源,并在田间推行科学的灌水决策与精量灌溉调控手段,以达到合理 利用水资源,促进农业高效节水技术可持续发展。

作为新兴的农业节水科技领域,在作物生长期对农田墒情的监测（农田墒情可以用土壤墒情与旱情监测仪或者无线墒情与旱情管理系统， 这两款仪器都能够测定土壤水分的含量，当然如需要，还可以测定土壤温度、水势和电导率等等参数。）越来越受到重视。它综合集成了专家知识和经验,并通过计 算机解决问题。农田土壤水分信息采集传感器的GSM( Global System for Mobile Communications) 无线发射传输装置和GSM 无线中心接收传输装置结合系统灌溉决策支持软件,完成对农田土壤进行墒情监测与精量灌溉决策,使农田灌溉达到高效率用水有了合理的科学依据。充分体现了节 水农业领域区域农田土壤墒情GSM 网络监测技术的创新优势,尤其在区域化环境农田精量灌溉控制技术等方面,充分利用计算机自动控制技术深化节水农业各领域的研究,使相关学科之间相互渗透互 相促进日趋明显。

节水农业灌溉环境控制系统工程是众多技术综合和配套成体的系统技术成果,与国内外先进发达国家相比,我国在综合技术系统方面存在着一定的差距和 不足,应根据我国各地区不同的生态气候条件和经济发展水平,因地制宜地制定和发展我国的节水农业规划和相应技术。其技术路线、系统软件、应用软件和硬件装 置尽量做到符合高通用性和兼容性,以适应不同类型的节水农业栽培环境控制系统使用。

1 　区域农田墒情监测意义

我国水资源时空分布严重不平衡,81 %的水资源集中分布在长江流域及以南地区,长江以北地区人口和耕地分别占我国的45. 3 %和64. 1 % ,而水资源却仅占全国的19 % ,人均占有量为517 m3 ,相当于全国人均量的1/5 和世界人均量的1/20 ,水资源与生产发展不相适应的程度突出,土地沙漠化趋势日趋严重。尤其是西北干旱地区的新疆、青海等地的大面积戈壁滩,因无灌溉,也就没有农业。降水年内 分配不均,冬春少雨、夏秋多雨,汛期雨量过于集中,常以暴雨形式出现,利用难度很大,非汛期又水量缺乏。降水量年际变化大,丰水年与枯水年相差悬殊,使水 旱灾害频频发生,甚至同一地区有时旱涝接踵而至,交替成灾。

从全国对水资源量总的需求来看,在出现中等干旱的情况下,全国总需水量为5 500 亿m3 左右,缺水量约为250 亿m3 。若考虑供水中的地下水超采和超标准污水直灌等不合理供水因素,则全国实际缺水量300～400 亿m3 。农业是我国的用水大户,约占全国总用水量的73 % ,但有效性很差,水资源浪费十分严重,渠灌区水的有效利用率40 % ,井灌区60 % ,每1 m3 水生产粮食不足1 kg。而一些发达国家水的有效利用率可达80 %以上,每1 m3 水生产粮食可达2 kg 以上,其中以色列达2. 32 kg。由此说明,我国各种节水农业技术的综合应用程度低,与发达国家相比还存在着很大的差距。同时,也看到了在中国发展节水农业的巨大潜力和广阔前景。

随着土壤水分传感器技术、GSM 通讯技术、GIS( Geograp hic information system) 技术等迅速发展和区域环境要素监测的需求增长,人们对移动目标监控的要求越来越高,不仅需要知道移动目标的位置,还需要对移动目标的反馈参数、报警信息、 运行状态等数据进行实时监控和处理。利用传感器采集包括土壤水分,空气温度适度等环境要素,通过局域性的无线网络将采集信息传送到控制中心,作为中心控制 系统实施大田作物自动灌溉的依据。上述区域环境监测网络技术集成在其自动灌溉控制系统中有着极其重要的作用。研发的技术与产品在示范区应用后,在维持产量 不变或提高的前提下,作物生育期内的灌溉定额比常规灌水条件下减少20 % ,水分利用效率提高25 %～30 %。

2 　精量灌溉系统技术

利用GSM 网络载体在田间采集土壤动态水分信息是田间采集的重要手段。信息收发装置按内部设定的时间规律将采集到的土壤水势动态参数通过GSM 网络载体发送出去。上位巡测无线收发装置(可以多个) 通过GSM 网络载体将接收到的土壤水势动态参数加工后传给中心计算机。计算机将采集的信息处理后归入计算机软件监测与决策系统。系统根据土壤特征物理参数及相对种植 作物,计算现场各灌溉区域的土壤含水量状态、需灌溉水量。按灌溉面积和泵出水量计算出现场灌溉时间及灌溉水量时间周期预测。系统同时也对各灌溉区域的田间 土壤水分信息采集收发装置和上位巡测无线收发装置的互动工作状态进行同步监测 。如出现问题,计算机控制中心系统将及时对现场水势传感变送器、无线收发装置的微处理器、上位巡测无线收发装置,作出时间和系统纠正,形成一个稳定的土壤 墒情监控遥测系统。农田墒情GSM 网络监测与精量灌溉控制技术软件系统能实现无线双向数据通讯,灌溉决策和进行大面积多道灌溉程序控制,提高均匀度,实现生产过程量化控制 。

3 　系统软件

整个农田墒情GSM 监控系统中,软件系统不仅能提供区域灌溉决策数据和相对应的精量自动控制模式,还预设了常用的控制模式。在一些对灌溉环境控制可靠性要求很高的应用中,还 包括了软件模块热备份,一些关键模块在设计上有一个或多个备份,软件或硬件系统出现问题时,可以通过特殊的软件模块自动切换到备份,从而保证了系统不间断 工作。系统包括七个部分: 平台操作模块; GSM 双向通讯模块;信息采集模块;数据分析模块;控制决策模块;数据处理模块;接口驱动模块(图1) 。

4 　系统硬件

在精量灌溉系统控制硬件开发过程中,系统可控的范围大,硬件的通用性、标准性和可扩展性是关键。研究开发先进的无线通讯收发装置为大范围区域灌 溉群控提供了硬件基础。由于灌溉区域辽阔,在中央控制室设有无线巡测中心通讯收发装置,完成现场众多土壤采集动态数据的空间传输 。整个硬件系统不仅做到无线网络载体下的信息处理加工、安全信息管理,且系统各部分控制相对独立。控制参数修改无线与在线便携化,无太多的管线需要敷设和 维护,系统具有一定程度上的容错性能,局部的损坏不会影响整个系统的工作。

4. 1 　系统硬件重要部件之一(埋入式土壤水分信息采集GSM 无线收发传感变送装置)

上位机通过串口连接无线巡测中心接收传输装置,以GSM 网络为载体的无线通信控制方式完成设计所要求的以双向传输、多分支结构形式的区域农田墒情监测网络环境监控。田间土壤水分采集传感器通过微处理器完成底层 区域灌溉的水分监测和无线通信控制。系统不仅做到在GSM 网络载体下的信息处理加工、安全信息管理、安全码检测与调制、传感器检测、电源监测与雷击保护,且系统各部分控制相对独立。

水分采集模块主要由DPA 转换、电池管理和运算放大器组成。通讯控制主要器件是SIM 卡,E5111芯片内集成了TCPPIP 协议,通过专用接口与微处理器连接。每个土壤水分采集GSM 收发装置均由独立电池供电,正常工作时间大于3 年。

微处理器采用美国A TMEL 公司的A TMEGA128 器件。备用IPO 主要用于键盘、显示接口,可作简单的人机交流。显示驱动电路主要用来显示系统内部状态。埋入式土壤水分信息采集GSM 无线收发装置由以下部分组成,传感器采集部分:供电(高稳定电压) 、恒流控制、物理传感器,主要是将土壤的含水量转换成对应的电量;模数转换部分:主要是低通滤波器、10 位数转换以及基准电源组成;中央控制部分:微处理器用于对数据的处理及控制收发数据(包括发射单元内部信息:电池电量、校正时间) ;存储器部分:主要是用于微处理器数据缓冲和存储;电源部分:主要有高性能容量电池,充放电控制电路和电池检测;通讯模块部分: GSM 信号调制,天线;通讯扩展及串口部分:主要提供IPO 扩展和与上位机485 串口连接;雷击保护部分:主要由专用快速吸收器件组成;外壳:主要作用是将传感器信号发送出去(图2) 。

4. 2 　系统硬件重要部件之二

利用在山东禹城试验站和河南封丘试验站进行的土壤水分传感器适应性分析得出以下分析数据:假设传感器测量频率的量程为0～50 kHz。在该量程范围内,依据土壤水分传感器的标定曲线,绘制各个传感器的水势2频率曲线,按率定公式计算的水势随频率的增加而增大(图3) 。

分别利用禹城站土壤、封丘站土壤的水分特征曲线,将水势转换成土壤体积含水量。

禹城站壤土的水分特征曲线:

其中θ为体积含水率(cm3/cm3 ) ,ψ为水势(kPa) 。

封丘站土壤水分特征曲线:

θ= 0. 45p - 0. 2611

其中θ为体积含水率(cm3Pcm3 ) ,P 为土壤水势(kPa) 。

绘制禹城站、封丘站土壤水势-土壤含水量曲线(图4) 。

5 　系统通讯与精量灌溉驱动

根据区域农田土壤不同的土质和作物,采取合理分布埋入土壤中进行水分信息监测点采样,由收发过程控制级和中心计算机控制决策级组成的一个以GSM 网络为纽带的集中监控而灌溉现场监测相对分散、配置灵活、组态方便、现场设备装置隐蔽性强的具有高可靠性的实用系统。

SMS(Short Messaging Service) 短消息业务是GSM 网的一项增值业务,通过控制信道传输数据,支持点对点消息业务及消息广播业务等多种方式。水分采集的数据通过GSM 网全部发送到短消息业务中心,监控中心通过中继线路DDN (Digital Data Network) 从短消息业务中心获取数据 。

利用GSM 进行的土壤墒情监测SMS 传输数据的设计方法(图5) ,系统设置以无线网络为载体的通讯驱动控制DDC(Digital Data Converter) ,将分布在灌溉监测现场的各种相关硬件设备驱动控制器通过无线网络进行数据交换实现无线驱动,完全实现了对区域农田墒情监测的无线操作双向信息传输和灌溉 驱动。

以无线网络为载体的通讯驱动控制能扫描和监视指定设备并自动决定需要的控制功能。根据编好的应用程序要求独立完成各系统部件的操作,并与任何指定的终端和电动执行器进行通讯和操作,并进行数据交换及双向远动,由于现场控制器是相对独立的,所以提高了整个控制系统的可靠性。

现场控制器作为一个DDC 通用控制器,执行(DDC) 操作指令完成整个灌溉区域电动执行器过程驱动和直接控制,并负责对整个控制过程的工艺参数进行监视、调整,适用于大田、设施栽培环境等应用比较复杂的子系 统。本系统的大部分接口设计是满足兼容要求的。模拟量输入(AI) 与数字量输入(DI) 兼容,并可用多种扩展板来满足现场控制的需要,具备扩展性和变更性。

6 　用户操作系统

在整个农田、设施土壤墒情监控系统中,系统不仅能提供区域灌溉决策数据和相对应的精量自动控制模式,还预设了常用的控制模式,用户可以方便地选 择所需的模式。用户在操作过程中还可根据自己的需要自由地设置控制流程,将若干灌溉组设置成一个或若干个组工作,实现农田、设施系统灌溉工作次序的任意设 置,完成区域任意一灌溉组的开启或关闭。用户可根据设定的时序自动完成农田、设施灌溉,定时启动预设的灌溉工作流程。在系统完成灌溉工作流程后,用户可将 自己设定的控制流程保存以备重复使用,不必每次工作前进行设定。计算机系统操作平台工作状态图标与灌溉现场实时工作状态实现跟踪与同步。

7 　结　论

利用区域农田、设施土壤墒情监测系统研究成果,采用现代精量灌溉技术和生物技术,对作物生长的必要条件进行综合调控,为作物提供适宜的土壤水分 养分条件,使作物优质高产并减少无效蒸发损失,实现农业的节水、节能和环保等目标。集成农业水资源高效利用和数字精准作业技术领域的研究成果,对具有地区 代表性且规模化种植的药用植物、果树、花卉、大田经济作物等实施区域化土壤墒情监测和精量灌溉技术,其节水与增产效果极其明显。

在监测土壤墒情的同时,与种植作物需水量相结合,科学确定灌溉用水计划。以灌区土壤墒情监测作为灌溉用水管理的主要依据,根据气象观测资料、土壤墒情资料、作物长势资料等确定作物的灌溉水量及灌溉时间,及时提供用水信息,从而使农业灌溉管理更加科学、精确。

由于气候生态环境和被灌溉区域的条件不同,相对的节水策略也应各有特点。区域农田、设施精量灌溉不仅实现了农作物规模化种植、优质与高产,还有 效防止了土壤盐碱化和板结,为保护生态环境,抗旱减灾服务。随着我国缺水地区对节水农业技术的不断需求,区域农田土壤墒情GMS 网络监测、灌溉决策及精量灌溉调控技术越来越受到重视,必将取代传统的灌溉控制技术,其应用面会越来越广,具有重要的应用价值和科学意义,同时为我国绿色农业的可持续发展提供技术支撑。