农田智能灌溉系统设计及应用
———以南浔区善琏镇皇坟村绿色农田建设试点为例
慎思杰1，应伟娜2，鲁同进3，阳大伟2*（1湖州市南浔区善琏镇公共事业服务中心，浙江湖州313000；2杭州岩洞科技有限公司，浙江杭州311100；3杭州中沛电子有限公司，浙江杭州311100）
摘要：农田智能灌溉系统以现代信息技术和自动化控制技术为基础，通过感知、分析农田环境信息，实现灌溉过程的智能、精准、高效管理。通过对南浔区善琏镇皇坟村绿色农田建设试点地块的系统设计应用实践，验证了智能灌溉在提高节水效率、降低灌溉成本、稳定作物产量的正向作用，提出目前系统所具优势及存在的问题，并对后续智能灌溉的技术融合、节能环保、多元集成进行探讨，以期为今后农业生产的智能化和可持续发展提供一定的解决方案。
我国是世界农业大国，灌溉作为农业生产中的重要环节，对农业作物的产量效益起到关键性作用。近年来，由于极端天气频发，即便处于江南地带的湖州，在夏季仍会存在农业用水不足的情况。本研究结合国内外现有的农田智能灌溉技术成果，整合梳理，科学布局，形成符合当地农情的灌溉控制系统，应用于农田生产实践，以期进一步提高农业灌溉的综合效益。
1研究背景
全球范围内，气候的变化导致了不规律的降雨和温度变化，许多地区都面临水资源短缺，而传统的农田灌溉方案往往存在水资源浪费情况。先进的传感技术、物联网技术和大数据分析能力的提升，为智能农业灌溉的发展提供了技术支持。同时，国家和政府也对农田智能灌溉的发展提供了政策和资金导向，我国在2022年中央1号文件中明确指出，要全面完成高标准农田建设的阶段性任务。
在此背景下，国内外专家及企业对农田智能灌溉开展了相关的持续性的研究。以色列作为智能灌溉技术的领先者，是最早开启智能灌溉研究的国家之一，经历过多次迭代更新，将滴灌、微喷灌溉等结合传感器网络和远程监控系统，开发了编程控制器农田灌溉控制系统，实现了对水资源的高效利用[1]。美国作为世界的农业大国，也在农田智能灌溉研究上积极探索，利用大数据和先进的传感技术，借助机器学习和人工智能算法，实现智能灌溉系统下的精准灌溉，极大地提高了灌溉效率[2]。此外，亨特、雨鸟等美国企业也通过不同的喷头及传感器及控制器技术进行模块升级，实现了灌溉场景的多元化。澳大利亚通过引入先进的智能控制系统，以及采用无线传感器网络，实现了农田灌溉的多场景高效管理，如HR6100型号的灌溉控制器适用于庭院及商场绿地，MASTERL型号的灌溉控制器则通过微机编程，满足大面积农场的灌溉需求[3]。
我国的农田智能灌溉技术研究自20世纪七八十年代开始，相较于西方发达国家整体约晚30年[4]，在技术层面、应用场景层面等仍存在较大的差距。近年来在政府和科研单位的支持鼓励下，无线传感技术逐渐应用在农田智能灌溉上，如土壤湿度传感器、气象传感器、植物生长传感器等，用于实时监测农田环境的各项参数，并将传感器网络与物联网技术相结合，实现对农田数据的实时传输和分析，有助于远程监控和智能决策。在此基础上，通过大数据分析和机器学习算法，为农户提供精准的灌溉方案和管理建议[5]。
2农田智能灌溉系统设计及应用
2.1场地现状
本研究地块位于湖州市南浔区善琏镇皇坟村，绿色农田建设试点总占地面积约33.33hm2，本研究样本占地面积约1.33hm2，周边河流交错。虽然当地已建立了较为完善的农用灌溉设施，现有水利工程总装置灌溉供水量为2.02m3/s，但与项目地块现状需水量（需水流量）为2.26m3/s仍有一定差距，存在季节性缺水问题，且一遇旱季，整体地块作物受水分短缺影响较大。因此构建智能灌溉系统非常重要，可以有效提高整体用水效率，降本增效。
2.2智能灌溉系统设计
本系统设计包含水泵房、土壤墒情传感器、作物冠层水分传感器、田间水位传感器、水分信息感知节点、智能灌溉无线控制终端及控制阀、各类灌溉喷头、喷嘴等。
水泵房设置在自然河流取水口，泵闸设计为2m3/s，功率控制在100kw以内，同时需保证水泵为恒压水泵，利用恒压变频控制器进行恒压变频控制，以便系统供水更加稳定均匀，避免用水过程中，因需水量忽大忽小导致水泵失压爆管。土壤墒情传感器设置在场地中心，深入土壤层≥50cm，可获取空气层、地表水层、20cm土壤层、30cm土壤层及50cm土壤层的水分及水温，作为启动浇灌策略的依据。作物冠层水分传感器，设置在作物中央位置，能较好地反映作物整体的水分情况，上行光传感器用于接光信息，下行光传感器用于接收作物冠层反射光信息。田间水位传感器设置在田间水沟内，用于检测田间水沟0~15cm的水位情况。通过上述传感器的设置，最终连接到水分信息感知节点，能够自动完成土壤水分、作物冠层水分、田间水位信息的数据采集，无线通信模块将处理完后的田间水分信息发送到汇聚点，形成一个完整的模块链，一般每0.67hm2配置一套完整的水分信息感知节点[6]。智能灌溉无线控制终端及控制阀对整个系统进行统筹集中管理，如编写灌溉程序、查看灌溉、气象、含水量和用水量等历史数据，浏览预测及报警。灌溉程序与气象数据交互，保证了系统的高智能与节水性，通过水分信息感知节点，计算当天作物的蒸发蒸腾量，系统会自动关联到灌溉程序，指导灌溉，如遇到大风或降雨时，则会自动停止灌溉，实现智能和节能的双重功能[7]。农田中所配备的喷头也是根据实际作物类型所搭配的，例如番茄、茄子、玉米等高秆作物，所配置的喷头为旋转射线喷头，旋转的射线水柱可以灵活避开作物杆子的遮挡，使浇灌更加均匀，射程控制在3~4m，喷头的高度也可根据作物生长过程的高低变化进行调整，保证整体作物的浇灌均匀度；又如水稻、小麦、青菜等成片的作物，所配置的喷头为高弹射、大射程的齿轮喷头，这类喷头射程约15m，能形成大面积的雨帘状水幕，灌溉效率极高。对于西瓜、丝瓜、南瓜等匍匐类作物，所配置的喷头为一出四滴箭，可根据作物的总根位置铺设水管，进行定点浇灌，极大地节约灌溉用水量[8]。
2.3智能灌溉系统应用成果
截取2023年研究地块夏季7－9月的灌溉数据与往期同期对比显示，整体用水量约1.5万m3，比同期浇灌用水量节约30%以上，人工节约80%以上，而产量比同期增加约10%。因此，农田智能喷灌系统的应用对于整体作物的稳定产量和降低成本起到了积极的正向作用。
3农田智能灌溉系统的探讨
3.1优势及存在的问题
农田智能灌溉系统在我国的实践已经非常普遍了，通过研究地块的实际应用情况来看，可以归纳为以下6个方面的优势[9-10]。
①提高水资源利用效率。智能喷灌系统可以精确地根据作物需水情况、土壤湿度、气候条件等因素，实时调整喷灌水量和喷灌时间，从而避免水资源的浪费。
②节省人力物力成本。自动化的智能灌溉系统减少了对人工操作的依赖，降低了劳动力成本，并且能够实现远程监控和控制，提高了农田管理的效率。
③提高作物产量和品质。智能喷灌能够确保作物在生长过程中获得充足而均匀的水分，有利于作物的生长和发育，从而提高作物的产量和品质。
④降低环境负面影响。智能灌溉系统相较于传统的农田漫灌和浇灌，可以减少水资源的浪费，避免过度灌溉导致的土壤盐碱化和水土流失。
⑤灵活调整灌溉方式。智能喷灌系统可以适应不同地形和作物类型的灌溉需求，通过及时调整喷头和管道的布局，满足不同种类的作物需求。
⑥提高灌溉策略的科学性。智能灌溉系统可以收集大量的土壤、气象和作物生长数据，通过数据分析和机器学习算法，为农民提供精准的决策支持，帮助其制定更科学的种植和灌溉策略。
但在实际应用中，根据一线农民的反馈，还存在如下问题值得后续研究升级。
①技术成本高。智能喷灌系统需要安装传感器、控制器、执行器等设备，并进行系统集成和调试，初次安装及后续的维护成本较高，对于非规模农田来说可能成本较大。
②维护和管理难度大。智能喷灌系统涉及多个设备和组件，需要定期进行维护和保养，以确保其正常运行。同时，系统的管理和操作也需要一定的技术水平和经验，这对于技术知识薄弱的一线农民来说可能是一个挑战。
③环境适应性不强。智能灌溉系统的性能可能受到环境因素的影响，如气候变化等，不同的环境条件可能需要不同的灌溉方案和技术调整，所运行的灌溉方案也存在不稳定性。
④对电力和网络依赖大。智能灌溉系统通常依赖于电力供应和网络连接，一旦出现电力供应不稳定或网络信号不好，便可影响系统的正常运行，增加了灌溉效果的不确定性。
⑤数据安全存在隐患。智能灌溉系统涉及大量的数据采集和处理，可能涉及农田的土壤、作物和灌溉情况等隐私信息，如果数据泄露或被恶意利用，可能对农户的利益造成损害。
综上，农田智能灌溉系统具有诸多优势，但也面临着一些挑战和限制，需要在技术、成本、管理等方面持续改进和完善。在实际应用中，需要根据具体情况进行综合考虑和选择，以充分发挥其优势。
3.2研究展望
随着规模农田的发展，智能灌溉系统的应用必将进一步推广，本研究认为农田智能喷灌系统未来还有许多值得研究探讨的方向[11-13]。
第一，融合传感技术及物联网。通过在农田内设置更多的传感器（如气象传感器、植物生长传感器等），智能灌溉系统可实现实时监测农田环境的变化，从而实现更精准、更有效的灌溉。第二，利用数据分析及人工智能。数据分析和人工智能技术的发展将使智能灌溉系统能够更好地理解农田环境和作物生长的规律，通过对大数据的深度分析和机器学习算法的运用，实现对灌溉方案的智能优化和个性化调整。第三，提升节能环保技术应用。利用如太阳能供电、雨水收集利用、水资源再生利用等节能环保技术，以降低能源消耗和减少对环境的影响。第四，整合其他农业技术。智能灌溉系统可以与其他农业管理系统集成，如智能施肥系统、智能病虫害监测系统等，实现农田的全面智能化管理，
提高农业生产的整体效率和竞争力。
4结语
农田智能灌溉系统是农业生产中的重要技术创新，具有巨大的潜力和发展前景，它有助于提高农业生产效率、节约水资源并促进农业的可持续发展。尽管目前还存在一些挑战和限制，但随着技术的不断进步和普及，相信智能喷灌将在未来的农田发展中发挥更加重要的作用，为农业生产带来更大的效益和可持续发展的可能性。
