智能阀门灌溉自动化控制系统在高效节水灌溉领域的应用

（作者简介：费战波，硕士研究生，董事长；

通讯作者：王鹏，硕士研究生）

摘要：智能阀门灌溉自动化控制系统是近些年新兴的一个现代化农业概念，它是通过物联网技术的精确感知、远程传输和智能分析等技术为支撑，以实现灌溉自动化为目标的现代农业发展模式与形态。它的主要作用体现在：精确监测农业环境、高效利用农业资源、有效降低农业能耗、全面提升农业质量。基于农业物联网技术的精细化监测与灌溉控制系统利用精确的传感系统、信息传输系统、软件分析系统、地理信息系统等技术，全面实现了农田灌溉用水的精细化操作，提供一整套完整的农业用水管理技术，可以实现农业灌溉的自动监测与控制。

1. 概述

我国是传统的农业大国，自建国以来，我国农业产业得到了飞速的发展，取得了以仅占世界7%的耕地，养活了世界约22％的人口的瞩目成就。然而在农业发展的过程中，我国也付出了相当沉重的代价，比如：地下水位急剧下降、气象环境恶化、河流水库干枯、耕地退化、水土流失严重等现象已成为常态。目前，制约我国农业进一步发展的主要原因就是水资源严重短缺。水乃是生命之源，随着全球经济的发展和人口的增加，全球范围内都面临着水资源严重紧缺的困境，我国水资源仅占世界总量的6%，而我国的农业灌溉用水量就占据了总用水量的69%以上，更为严重的是，我国农业灌水利用系数仅为0.47。因灌溉用水方式不合理造成了大量的水资源浪费，加剧了我国水资源紧缺的现状。

根据中国水利部、中国工程院等多部门预测，我国农业灌溉用水只有维持零增长或负增长，才可以保障我国整体的用水安全和生态平稳。解决农业用水短缺问题的主要方法就是全力推行精细化监测与灌溉技术，通过智能监测手段对农业需水信息进行准确定量，实现精细化、自动化灌溉，严格控制用水量，在节约用水的情况下，解放了劳动力，全面实现了优质高产，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益。因此，改变传统的农业灌溉手段，全面实现精准自动化灌溉，提高灌溉效率，已经是一项具有战略性意义的工作，才能从根本上缓解水资源短缺与农业发展之间的矛盾。

2. 国内外研究动态

2.1国外研究动态

长期以来，国外发达国家在节水灌溉领域的研究与应用方面是比较成熟的，尤其是美国、以色列、荷兰、德国等国家，他们在精细化灌溉技术方面的研究时间长，研究成果先进，实际应用技术水平较高，在农业物联网及节水灌溉配套的自动控制系统方面是比较完善和先进的。其中，在国外节水灌溉技术领域，以色列所取得的成绩尤为突出^[1]。为解决用水缺水问题，以色列政府大力发展农业节水灌溉技术，在全国境内铺埋输水管道，使水传输损失率降低至5%以下，同时大力发展设施农业，普遍采用滴灌和喷灌技术，全面实现灌溉自动化。以色列研发出了全套的自动化灌溉监测与控制系统，如土壤水分传感器、气象传感器、植物生理生态监测系统、滴灌技术、喷灌技术、电磁阀、水肥一体机、流量控制阀等，提高了田间用水效率，同时为作物提供了最佳的生长环境，节约了人力劳动成本。凭借其高效先进的节水灌溉控制技术，以色列的农业技术已经成为全球现代化农业的领跑者^[2]。但以色列的农业技术属于进口产品，价格较为昂贵，难以在实际生产中得到广泛的应用。而且，电磁阀作为以色列节水灌溉控制的核心技术，其工作原理，容易产生因水压不足、水中杂质较多等情况造成的开关阀故障，损坏率和故障率较高。

自上世纪八十年代起，随着信息化技术的发展，欧美发达国家已经广泛意识到水资源紧缺所产生的严重性，并初步研发灌溉控制技术。Srinvasan等人开发了一套完整的灌溉管理软件系统，该系统对实际环境参数利用图表进行显示分析，并根据作物需水情况，制定出不同的灌溉制度^[3]。本世纪以来，随着网络技术迅速发展，精准灌溉系统与无线通讯技术、网络技术相结合，进入了快速且卓有成效的发展。美国Crossbow公司推出了基于GPS无线定位系统的精细化灌溉控制系统，后来ZigBee无线技术提出后，Crossbow公司又推出了基于ZigBee无线网络传感器的精细化灌溉控制系统。

在西方发达国家，物联网技术、遥测遥感技术、地理信息系统以及计算机软件应用技术在农业领域内的应用，已经达到了实用化、常态化阶段，欧美部分发达国家早已将物联网技术在农业精细化灌溉上的应用列为重点研究课题。国外精细化监测与灌溉控制系统不管在运行还是软件应用方面的自动化以及成熟度均比较高，而且系统整体也比较完善。

2.2 国内发展动态

在我国，自20世纪50年代开始就已经从国外引进节水灌溉技术和设施，但是受国民经济影响，在相当长的一段时间内，改技术并没有得到大面积的推广应用。到20世纪80年代后，随着经济整体发展，加之，各地水资源出现紧张情况，节水灌溉技术才得到国家重视，并得以快速地发展。这一时期，我国从国外先后引进了大量的先进节水灌溉设施，并积极学习国际先进的节水灌溉技术，我国在滴灌喷灌等节水灌溉技术上的研究也相继得到突破，但是在智能化自动灌溉控制系统方面仍较为空白。与国外技术设备相比，我国整体技术还比较落后，缺乏自行研发的相关产品，绝大部分设备仍然依靠从国外进口。从国外引进的灌溉自动控制设备，是为国外区域性的地理条件进行设计研发的，具有一定的特异性，并不是十分适合在我国的气候、土壤条件、作物类型下进行应用，因此我们也不能完全充分发挥其优势、另外一方面，国外设备普遍价格昂贵，并不适合在我国进行大范围推广应用。因此，我们要完全依靠引进国外的监测与控制设备，是不可行的，因此，加快研发适合我国基本农业国情的先进、可靠、实用、低成本、高效率的自动化节水灌溉监测与控制系统是十分必要的，这也是我国今后现代化节水农业发展的主要方向。目前我国许多大田、温室大棚都已经配备了一定规模的滴灌、喷灌等各种灌溉设备，但是普遍缺乏一套与之相配套的节水灌溉监测与自动控制系统，多数灌溉设备仍然采用人工手动开关阀门的方式来进行控制灌溉，不但耗费人力，而且用水效率仍然不高。

进入21世纪以来，我国在智能化监测、节水灌溉技术、决策专家软件技术已经逐步得到提升，在气象监测、墒情监测、作物生长监测、灌溉预测预报、农田灌溉决策支持系统、数据库、模型库、GIS 技术和 Web 技术等都陆续进行功能完善^[4-10]。

近几年，农业物联网技术在精细化监测与灌溉控制技术的应用已经成为现代化农业的核心^[11]。如：精准灌溉、专家管理系统、远程监测和遥感系统、旱情预警预报系统等^[12-13]。

目前，基于智能阀门自动化灌溉系统已经成为农田精细化灌溉技术发展的核心热点和推动力^[14]。目前，通过计算机软件控制系统，已经可以实现实时监测田间作物实际需求，并对其检测数据进行分析与处理，为农业生产提供专业的决策支持。同时，通过自动化节水灌溉设备，实现了智能一体化监测与控制，实现了水资源的高效利用，达到高产、优质、高效的节水增产效益^[15]。

3.智能阀门灌溉自动化控制系统的描述和社会经济效益

3.1智能阀门灌溉自动化控制系统的描述

新天科技股份有限公司打造的智慧农业节水灌溉控制系统由智能阀门、网关、墒情传感器、数据采集终端、GPRS模块、网络数据平台、数据接收与分析软件、远程监控计算机等。其主要的工作原理是利用相关传感器实时监测降雨、田间气象、土壤的水分和温度等参数，通过数据采集与传输终端，通过GPRS技术将监测数据发送到Web数据服务器中，系统软件采用ASP．NET开发，通过服务器接收软件及相关的分析与决策软件，实时查询作物当前或历史的需水情况，并计算出作物的需水量，通过控制软件，对灌溉设备进行智能控制，从而实现节水灌溉的自动化、精细化。该系统可根据地区、季节、所种植农作物的用水特性，结合农田里的墒情、地温、水表、雨水传感器传回的数据，通过对智能阀门的远程开启，对作物进行自动灌溉、按需灌溉和节约灌溉，缺水时自动补水，下雨时自动停水。

通过该系统，可实现整个种植基地的灌溉自动化、施肥精细化，同时可以节约大量人力成本。从而达到节水增效、节肥增效、增产增收的目标。系统内产品均采用太阳能+锂电池供电，无需架设繁杂的供电线缆，节省架设成本。

目前，该系统在新疆、河南、河北、东三省、北京等众多缺水地区已经得到了广泛的应用，运行稳定，产品质量可靠，价格低廉，无论是水利行政部门主导的高效节水民生工程或是农业合作社等，都对其可靠的质量及其所带来的经济效益赞赏不已。此外，新天科技联合湖南艾可斯科技有限公司，推出了智慧园区设施农业自动化灌溉系统，已经在湖南省率先应用，与湖南省农科院园艺所共建智慧园区设施农业高效节水灌溉系统，标志着智能阀门灌溉自动化控制系统在中国广大地区，无论是大田还是设施温室，都可以得以广泛的应用，为用户提供经济实惠的高效节水灌溉自动化控制技术。

系统支持两种灌溉方式，一种是系统通过对环境、墒情数据的分析，自动灌溉，另一种是管理方根据系统提供的数据结合自己的经验，手动远程控制阀门进行灌溉。系统智能网关、智能阀门均采用太阳能或电池供电，核心技术是低功耗的可靠的无线传输自组网技术。

图1. 智能阀门灌溉自动化控制系统架构图

目前，市面上普遍采用灌溉自动化控制产品是电磁阀。但电磁阀质量参差不齐，且容易产生因水压不足、水中杂质较多等情况造成的开关阀故障，在实际生产中，损坏率和故障率较高，所以导致农户对自动化灌溉技术并不是十分认可。

表1. 智能阀门与传统电磁阀门产品性能对比表

3.1.1智能网关

3.1.1.1智能网关的技术参数

（1）上行GPRS与管理中心通信,下行无线射频方式与智能阀门和智能墒情仪通信，可管理128个智能阀门，太阳能+锂电池供电。（2）供电方式：太阳能电池板+可充电聚合物锂电池。（3）工作温度：-20℃－+60℃。（4）工作湿度：≤95%。（5）外壳防护等级：IP68。（6）平均功耗：≤5mA。（7）上行通讯方式：GPRS实时在线。（8）下行通讯方式：无线中心频率470MHz。（9）可存储256个智能阀门档案。（10）具备低电压报警功能。（11）硬件高精度实时时钟。（12）24小时不间断运行。（13）平均无故障时间：≥25000小时。

3.1.1.2智能网关的系统功能

（1）GPRS实时通信：物联网手机卡及专用移动模组，具有高可靠性，并可实时对表阀操作。（2）墒情数据上传：智能墒情仪把土壤地下10cm、20cm、40cm的土壤温、湿度数据通过470MHz无线网络上传给智能网关，智能网关通过GPRS实时上传到管理中心，管理中心自动对数据进行存储、统计、分析。（3）远程开关阀：a.支持智能手机或者平板电脑等移动终端App操作，操作界面简单易用。b.支持电脑远程操作，可支持实时开关阀，并可实时监测阀门状态。c.可通过管理中心设置智能阀门压力报警值，抄取智能阀门数据（流量、压力）。d.智能阀门为三通结构，示意图如下，有三种阀门状态：A端开B端关、A端关B端开、全关。动阀时检测到阀门到位，自动停止动阀。（4）报警功能：当流量压力超限时，会上传报警信息。（5）GIS地图信息管理：管理中心通过GIS地图展示智能网关、智能阀门、智能墒情仪与农田管网实时的真实情况，并可在GIS地图上实时展示阀门状态。

图2. 智能网关

3.1.2 智能阀门

采用太阳能配合聚合物锂电池供电，无需架设繁杂的专用供电线缆，节省传统灌溉所需的架设成本。符合工信部[2005]423号《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》。适用于大块农田、园林绿化、高尔夫球场等室外灌溉场合，该系统根据田间墒情状况可实现自动，半自动，手动灌溉。

图3. 智能阀门

3.1.2.1 智能阀门的先进性

（1）太阳能+锂电池供电，无需现场铺设电源线，解决了现场供电难的问题。（2）智能网关与智能阀门、智能墒情仪之间采用无线方式通讯，无任何连线，安装简单，操作方便，采用LoRa技术。（3）超低功耗：a. 智能网关、智能墒情仪采用零功耗技术，常态处于睡眠状态，无电流消耗。b.智能阀门采用低功耗技术，常态处于睡眠状态。只有通讯动阀时才消耗一点点电量。c.太阳能供电采用功率点自动跟踪技术，无论光照强弱确保恒流充电。智能阀门到位检测采用红外对管技术，稳定性和可靠性显著提高。（5）数据表决自动纠错技术，所有数据同时存放在五个不同的地方（多处存贮技术），读取数据时，同时从五处读取数据，然后对读取的五处数据进行分析，同时对出现错误的数据进行纠错处理（自动纠错技术）。（6）存储器寿命提高技术，从事技术开发的人员都知道，固态存贮器的使用寿命为100万次（厂家宣称）。为此，我们专门做过测定，实际上其使用寿命大概为70万次。同时，我们也做过这样的测定，存贮器在前10万次使用时，数据工作最为可靠，之后就会偶尔发生不正常现象，也就是说存贮器在它的少年时代最为可靠。因此，我公司的产品采用的数据存贮设计原则是将每个存贮单元空间控制在10万次之内，最多存贮次数不超过10万次。为了解决这个问题，我们专门使用了一个存贮器指针，当使用次数超过10万次时，指针自动转向下一个新的存贮器，这样有效地减少了存贮单元的使用次数，提高了数据可靠性。

（7）独有的密封技术：a. 独有的密封技术，保证了水表防水、防潮的可靠性；

b. 电路板的环氧树脂两次灌封全密封无气泡技术；c. 电池板密封圈双重密封设计；d. 阀门的电机橡胶圈全密封技术；e. 接线线头的全密封技术；（8）数据保持与恢复功能，在断电的情况下，表内数据可保存十年，通电时，具有恢复数据的功能。保证表内数据安然无恙。

3.1.2.2 智能阀门的使用方法

（1）记录智能阀门壳体上丝印的ID，在数据管理中心建档并下载到所属网关。

（2）可通过数据管理中心设置智能阀门压力上限报警值、压力传感器标定参数、流量传感器转换系数，抄取智能阀门数据（流量、压力）及控阀。

（3）智能阀门有三种阀门状态：A端开B端关、A端关B端开、A端关B端关。动阀时检测到阀门到位，自动停止动阀。

（4）进行灌溉时智能阀门每6分钟定时上传流量压力数据，停止灌溉时每2h定时上传流量压力数据。

3.2 管理系统软件平台

智慧农业节水灌溉管理系统是一套集用户管理、表具管理、财务管理、抄表结算、收费管理、发票管理、报表分析、表务管理、报装业务等功能为一体的综合性灌溉管理信息化系统。系统采用B/S(浏览器/服务器）架构设计，系统兼容目前主流浏览器软件，采用模块化设计，组态灵活方便，每个功能模块可灵活配置，方便系统升级扩展，软件界面美观，操作简单，使用方便，适用于各大、中、小型农田灌区。并可单机、局域网、Internet联网方式使用。

3.2.1管理系统软件平台主要特点：

（1）用户管理：用户信息管理。
（2）表具管理：智能网关及智能阀门、智能墒情仪等表具管理。
（3）灌溉管理：支持自动灌溉、半自动灌溉、手动灌溉模式
（4）短信提醒功能：支持欠费、阀门控制、故障信息短信提醒功能。
（5）第三方数据导出：支持文本、EXCEL、DBF、SQL SERVER、ORACLE等多种格式的数据导出。
（6）采用组件式系统开发架构：每个功能模块可灵活配置，方便系统升级扩展。
（7）丰富的图表分析功能：支持数据分析、数据统计等图表分析、统计功能。
（8）安全权限控制：可设置不同的角色控制操作员的访问权限。
（9）系统安装部署方便：向导式安装模式，只需简单选择即可实现系统的安装升级。

图4. 智能阀门灌溉自动化控制软件平台

图5. 智能阀门灌溉自动化控制软件平台在线监测功能

图6. 智能阀门灌溉自动化控制手机APP软件在线监测与控制功能

3.3智能阀门灌溉自动化控制系统的社会经济效益

发展精准灌溉技术是现代化农业建设本身的需要。它不仅是节约水资源，缓解干旱地区农业用水危机的有效手段，同时也是保证粮食安全、水生态安全的必要措施。我国作为一个农业大国，向来是以农为本，然而传统的农业生产手段已经严重制约了农业的可持续发展，长久下去，必将影响到粮食以及环境安全，我们必须摒弃传统落后的农业生产观念，建立起一套适应现代化农业快速发展要求的精细化灌溉体系。从这个层面而言，智能阀门灌溉自动化控制系统就是智慧农业的核心，是现代化农业的立足之本。因此发展智能阀门灌溉自动化控制系统，是彻底解决我国水资源利用率低下，缓解水资源匮乏的首要途径，也是促进我国现代化农业可持续发展的关键步骤，同时，也是保障我国整体经济、农业生态及社会稳定发展的战略举措。

智能阀门灌溉自动化控制系统所产生的社会效益包括以下几点：

（1） 合理高效利用水资源。

基于农业物联网技术的精细化监测与灌溉控制系统实现了精准灌溉，减少农业用水总量，提高用水效率，能够按照作物需水规律对作物进行科学的科学灌溉方式。一方面，减少了传统漫灌所造成的蒸发、渗漏及地表径流等用水损失。另一方面，解决了由于过量开采地下水所造成的生态和地质破坏，达到平衡区域用水的效用。

（2） 保护生态环境。

农业物联网技术可以改变过去传统落后的农业生产方式，通过精准、科学的数字化监测与控制手段进行农业管理，可有效避免过量用药、施肥、灌溉等行为所造成的生态环境破坏。通过精准灌溉，可以避免由地表径流引发的养分流失所形成的水体富营养化，改善水生态功能。同时，过度灌溉也会导致土壤板结和盐碱化程度加剧。基于农业物联网技术的精细化监测与灌溉控制系统可以有效避免或减少生态环境破坏的问题。

（3） 节约人力成本和能源资源。

通过农业物联网技术的全面推行，实现灌溉的自动化与精细化，人均劳动力可以管理更多面积的耕地，从而节约了大量的人力成本，提升单位面积农田的产值。灌溉控制系统可基于太阳能供电，从而节约了传统灌溉的燃油及水电费用，也具有十分积极的社会效益。

（4）改善作物品质，增加产量。通过合理高效的灌溉技术，结合大田气象、墒情等实际参数的实时监控，可以更加高效的提高作物生长效率，适时适量的满足各种作物在不同生长周期内对水分的需求，提高整体产量与品质。

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