（作者簡介：費戰波，碩士研究生，董事長；

通訊作者：王鵬，碩士研究生）

摘要：智能閥門灌溉自動化控制系統是近些年新興的一個現代化農業概念，它是通過物聯網技術的精確感知、遠程傳輸和智能分析等技術為支撐，以實現灌溉自動化為目標的現代農業發展模式與形態。它的主要作用體現在：精確監測農業環境、高效利用農業資源、有效降低農業能耗、全面提升農業質量。基于農業物聯網技術的精細化監測與灌溉控制系統利用精確的傳感系統、信息傳輸系統、軟件分析系統、地理信息系統等技術，全面實現了農田灌溉用水的精細化操作，提供一整套完整的農業用水管理技術，可以實現農業灌溉的自動監測與控制。

1. 概述

我國是傳統的農業大國，自建國以來，我國農業產業得到了飛速的發展，取得了以僅占世界7%的耕地，養活了世界約22％的人口的矚目成就。然而在農業發展的過程中，我國也付出了相當沉重的代價，比如：地下水位急劇下降、氣象環境惡化、河流水庫干枯、耕地退化、水土流失嚴重等現象已成為常態。目前，制約我國農業進一步發展的主要原因就是水資源嚴重短缺。水乃是生命之源，隨著全球經濟的發展和人口的增加，全球范圍內都面臨著水資源嚴重緊缺的困境，我國水資源僅占世界總量的6%，而我國的農業灌溉用水量就占據了總用水量的69%以上，更為嚴重的是，我國農業灌水利用系數僅為0.47。因灌溉用水方式不合理造成了大量的水資源浪費，加劇了我國水資源緊缺的現狀。

根據中國水利部、中國工程院等多部門預測，我國農業灌溉用水只有維持零增長或負增長，才可以保障我國整體的用水安全和生態平穩。解決農業用水短缺問題的主要方法就是全力推行精細化監測與灌溉技術，通過智能監測手段對農業需水信息進行準確定量，實現精細化、自動化灌溉，嚴格控制用水量，在節約用水的情況下，解放了勞動力，全面實現了優質高產，具有很好的經濟效益、生態效益和社會效益。因此，改變傳統的農業灌溉手段，全面實現精準自動化灌溉，提高灌溉效率，已經是一項具有戰略性意義的工作，才能從根本上緩解水資源短缺與農業發展之間的矛盾。

2. 國內外研究動態

2.1國外研究動態

長期以來，國外發達國家在節水灌溉領域的研究與應用方面是比較成熟的，尤其是美國、以色列、荷蘭、德國等國家，他們在精細化灌溉技術方面的研究時間長，研究成果先進，實際應用技術水平較高，在農業物聯網及節水灌溉配套的自動控制系統方面是比較完善和先進的。其中，在國外節水灌溉技術領域，以色列所取得的成績尤為突出^[1]。為解決用水缺水問題，以色列政府大力發展農業節水灌溉技術，在全國境內鋪埋輸水管道，使水傳輸損失率降低至5%以下，同時大力發展設施農業，普遍采用滴灌和噴灌技術，全面實現灌溉自動化。以色列研發出了全套的自動化灌溉監測與控制系統，如土壤水分傳感器、氣象傳感器、植物生理生態監測系統、滴灌技術、噴灌技術、電磁閥、水肥一體機、流量控制閥等，提高了田間用水效率，同時為作物提供了最佳的生長環境，節約了人力勞動成本。憑借其高效先進的節水灌溉控制技術，以色列的農業技術已經成為全球現代化農業的領跑者^[2]。但以色列的農業技術屬于進口產品，價格較為昂貴，難以在實際生產中得到廣泛的應用。而且，電磁閥作為以色列節水灌溉控制的核心技術，其工作原理，容易產生因水壓不足、水中雜質較多等情況造成的開關閥故障，損壞率和故障率較高。

自上世紀八十年代起，隨著信息化技術的發展，歐美發達國家已經廣泛意識到水資源緊缺所產生的嚴重性，并初步研發灌溉控制技術。Srinvasan等人開發了一套完整的灌溉管理軟件系統，該系統對實際環境參數利用圖表進行顯示分析，并根據作物需水情況，制定出不同的灌溉制度^[3]。本世紀以來，隨著網絡技術迅速發展，精準灌溉系統與無線通訊技術、網絡技術相結合，進入了快速且卓有成效的發展。美國Crossbow公司推出了基于GPS無線定位系統的精細化灌溉控制系統，后來ZigBee無線技術提出后，Crossbow公司又推出了基于ZigBee無線網絡傳感器的精細化灌溉控制系統。

在西方發達國家，物聯網技術、遙測遙感技術、地理信息系統以及計算機軟件應用技術在農業領域內的應用，已經達到了實用化、常態化階段，歐美部分發達國家早已將物聯網技術在農業精細化灌溉上的應用列為重點研究課題。國外精細化監測與灌溉控制系統不管在運行還是軟件應用方面的自動化以及成熟度均比較高，而且系統整體也比較完善。

2.2 國內發展動態

在我國，自20世紀50年代開始就已經從國外引進節水灌溉技術和設施，但是受國民經濟影響，在相當長的一段時間內，改技術并沒有得到大面積的推廣應用。到20世紀80年代后，隨著經濟整體發展，加之，各地水資源出現緊張情況，節水灌溉技術才得到國家重視，并得以快速地發展。這一時期，我國從國外先后引進了大量的先進節水灌溉設施，并積極學習國際先進的節水灌溉技術，我國在滴灌噴灌等節水灌溉技術上的研究也相繼得到突破，但是在智能化自動灌溉控制系統方面仍較為空白。與國外技術設備相比，我國整體技術還比較落后，缺乏自行研發的相關產品，絕大部分設備仍然依靠從國外進口。從國外引進的灌溉自動控制設備，是為國外區域性的地理條件進行設計研發的，具有一定的特異性，并不是十分適合在我國的氣候、土壤條件、作物類型下進行應用，因此我們也不能完全充分發揮其優勢、另外一方面，國外設備普遍價格昂貴，并不適合在我國進行大范圍推廣應用。因此，我們要完全依靠引進國外的監測與控制設備，是不可行的，因此，加快研發適合我國基本農業國情的先進、可靠、實用、低成本、高效率的自動化節水灌溉監測與控制系統是十分必要的，這也是我國今后現代化節水農業發展的主要方向。目前我國許多大田、溫室大棚都已經配備了一定規模的滴灌、噴灌等各種灌溉設備，但是普遍缺乏一套與之相配套的節水灌溉監測與自動控制系統，多數灌溉設備仍然采用人工手動開關閥門的方式來進行控制灌溉，不但耗費人力，而且用水效率仍然不高。

進入21世紀以來，我國在智能化監測、節水灌溉技術、決策專家軟件技術已經逐步得到提升，在氣象監測、墑情監測、作物生長監測、灌溉預測預報、農田灌溉決策支持系統、數據庫、模型庫、GIS 技術和 Web 技術等都陸續進行功能完善^[4-10]。

近幾年，農業物聯網技術在精細化監測與灌溉控制技術的應用已經成為現代化農業的核心^[11]。如：精準灌溉、專家管理系統、遠程監測和遙感系統、旱情預警預報系統等^[12-13]。

目前，基于智能閥門自動化灌溉系統已經成為農田精細化灌溉技術發展的核心熱點和推動力^[14]。目前，通過計算機軟件控制系統，已經可以實現實時監測田間作物實際需求，并對其檢測數據進行分析與處理，為農業生產提供專業的決策支持。同時，通過自動化節水灌溉設備，實現了智能一體化監測與控制，實現了水資源的高效利用，達到高產、優質、高效的節水增產效益^[15]。

3.智能閥門灌溉自動化控制系統的描述和社會經濟效益

3.1智能閥門灌溉自動化控制系統的描述

新天科技股份有限公司打造的智慧農業節水灌溉控制系統由智能閥門、網關、墑情傳感器、數據采集終端、GPRS模塊、網絡數據平臺、數據接收與分析軟件、遠程監控計算機等。其主要的工作原理是利用相關傳感器實時監測降雨、田間氣象、土壤的水分和溫度等參數，通過數據采集與傳輸終端，通過GPRS技術將監測數據發送到Web數據服務器中，系統軟件采用ASP．NET開發，通過服務器接收軟件及相關的分析與決策軟件，實時查詢作物當前或歷史的需水情況，并計算出作物的需水量，通過控制軟件，對灌溉設備進行智能控制，從而實現節水灌溉的自動化、精細化。該系統可根據地區、季節、所種植農作物的用水特性，結合農田里的墑情、地溫、水表、雨水傳感器傳回的數據，通過對智能閥門的遠程開啟，對作物進行自動灌溉、按需灌溉和節約灌溉，缺水時自動補水，下雨時自動停水。

通過該系統，可實現整個種植基地的灌溉自動化、施肥精細化，同時可以節約大量人力成本。從而達到節水增效、節肥增效、增產增收的目標。系統內產品均采用太陽能+鋰電池供電，無需架設繁雜的供電線纜，節省架設成本。

目前，該系統在新疆、河南、河北、東三省、北京等眾多缺水地區已經得到了廣泛的應用，運行穩定，產品質量可靠，價格低廉，無論是水利行政部門主導的高效節水民生工程或是農業合作社等，都對其可靠的質量及其所帶來的經濟效益贊賞不已。此外，新天科技聯合湖南艾可斯科技有限公司，推出了智慧園區設施農業自動化灌溉系統，已經在湖南省率先應用，與湖南省農科院園藝所共建智慧園區設施農業高效節水灌溉系統，標志著智能閥門灌溉自動化控制系統在中國廣大地區，無論是大田還是設施溫室，都可以得以廣泛的應用，為用戶提供經濟實惠的高效節水灌溉自動化控制技術。

系統支持兩種灌溉方式，一種是系統通過對環境、墑情數據的分析，自動灌溉，另一種是管理方根據系統提供的數據結合自己的經驗，手動遠程控制閥門進行灌溉。系統智能網關、智能閥門均采用太陽能或電池供電，核心技術是低功耗的可靠的無線傳輸自組網技術。

圖1. 智能閥門灌溉自動化控制系統架構圖

目前，市面上普遍采用灌溉自動化控制產品是電磁閥。但電磁閥質量參差不齊，且容易產生因水壓不足、水中雜質較多等情況造成的開關閥故障，在實際生產中，損壞率和故障率較高，所以導致農戶對自動化灌溉技術并不是十分認可。

表1. 智能閥門與傳統電磁閥門產品性能對比表

3.1.1智能網關

3.1.1.1智能網關的技術參數

（1）上行GPRS與管理中心通信,下行無線射頻方式與智能閥門和智能墑情儀通信，可管理128個智能閥門，太陽能+鋰電池供電。（2）供電方式：太陽能電池板+可充電聚合物鋰電池。（3）工作溫度：-20℃－+60℃。（4）工作濕度：≤95%。（5）外殼防護等級：IP68。（6）平均功耗：≤5mA。（7）上行通訊方式：GPRS實時在線。（8）下行通訊方式：無線中心頻率470MHz。（9）可存儲256個智能閥門檔案。（10）具備低電壓報警功能。（11）硬件高精度實時時鐘。（12）24小時不間斷運行。（13）平均無故障時間：≥25000小時。

3.1.1.2智能網關的系統功能

（1）GPRS實時通信：物聯網手機卡及專用移動模組，具有高可靠性，并可實時對表閥操作。（2）墑情數據上傳：智能墑情儀把土壤地下10cm、20cm、40cm的土壤溫、濕度數據通過470MHz無線網絡上傳給智能網關，智能網關通過GPRS實時上傳到管理中心，管理中心自動對數據進行存儲、統計、分析。（3）遠程開關閥：a.支持智能手機或者平板電腦等移動終端App操作，操作界面簡單易用。b.支持電腦遠程操作，可支持實時開關閥，并可實時監測閥門狀態。c.可通過管理中心設置智能閥門壓力報警值，抄取智能閥門數據（流量、壓力）。d.智能閥門為三通結構，示意圖如下，有三種閥門狀態：A端開B端關、A端關B端開、全關。動閥時檢測到閥門到位，自動停止動閥。（4）報警功能：當流量壓力超限時，會上傳報警信息。（5）GIS地圖信息管理：管理中心通過GIS地圖展示智能網關、智能閥門、智能墑情儀與農田管網實時的真實情況，并可在GIS地圖上實時展示閥門狀態。

圖2. 智能網關

3.1.2 智能閥門

采用太陽能配合聚合物鋰電池供電，無需架設繁雜的專用供電線纜，節省傳統灌溉所需的架設成本。符合工信部[2005]423號《微功率(短距離)無線電設備的技術要求》。適用于大塊農田、園林綠化、高爾夫球場等室外灌溉場合，該系統根據田間墑情狀況可實現自動，半自動，手動灌溉。

圖3. 智能閥門

3.1.2.1 智能閥門的先進性

（1）太陽能+鋰電池供電，無需現場鋪設電源線，解決了現場供電難的問題。（2）智能網關與智能閥門、智能墑情儀之間采用無線方式通訊，無任何連線，安裝簡單，操作方便，采用LoRa技術。（3）超低功耗：a. 智能網關、智能墑情儀采用零功耗技術，常態處于睡眠狀態，無電流消耗。b.智能閥門采用低功耗技術，常態處于睡眠狀態。只有通訊動閥時才消耗一點點電量。c.太陽能供電采用功率點自動跟蹤技術，無論光照強弱確保恒流充電。智能閥門到位檢測采用紅外對管技術，穩定性和可靠性顯著提高。（5）數據表決自動糾錯技術，所有數據同時存放在五個不同的地方（多處存貯技術），讀取數據時，同時從五處讀取數據，然后對讀取的五處數據進行分析，同時對出現錯誤的數據進行糾錯處理（自動糾錯技術）。（6）存儲器壽命提高技術，從事技術開發的人員都知道，固態存貯器的使用壽命為100萬次（廠家宣稱）。為此，我們專門做過測定，實際上其使用壽命大概為70萬次。同時，我們也做過這樣的測定，存貯器在前10萬次使用時，數據工作最為可靠，之后就會偶爾發生不正常現象，也就是說存貯器在它的少年時代最為可靠。因此，我公司的產品采用的數據存貯設計原則是將每個存貯單元空間控制在10萬次之內，最多存貯次數不超過10萬次。為了解決這個問題，我們專門使用了一個存貯器指針，當使用次數超過10萬次時，指針自動轉向下一個新的存貯器，這樣有效地減少了存貯單元的使用次數，提高了數據可靠性。

（7）獨有的密封技術：a. 獨有的密封技術，保證了水表防水、防潮的可靠性；

b. 電路板的環氧樹脂兩次灌封全密封無氣泡技術；c. 電池板密封圈雙重密封設計；d. 閥門的電機橡膠圈全密封技術；e. 接線線頭的全密封技術；（8）數據保持與恢復功能，在斷電的情況下，表內數據可保存十年，通電時，具有恢復數據的功能。保證表內數據安然無恙。

3.1.2.2 智能閥門的使用方法

（1）記錄智能閥門殼體上絲印的ID，在數據管理中心建檔并下載到所屬網關。

（2）可通過數據管理中心設置智能閥門壓力上限報警值、壓力傳感器標定參數、流量傳感器轉換系數，抄取智能閥門數據（流量、壓力）及控閥。

（3）智能閥門有三種閥門狀態：A端開B端關、A端關B端開、A端關B端關。動閥時檢測到閥門到位，自動停止動閥。

（4）進行灌溉時智能閥門每6分鐘定時上傳流量壓力數據，停止灌溉時每2h定時上傳流量壓力數據。

3.2 管理系統軟件平臺

智慧農業節水灌溉管理系統是一套集用戶管理、表具管理、財務管理、抄表結算、收費管理、發票管理、報表分析、表務管理、報裝業務等功能為一體的綜合性灌溉管理信息化系統。系統采用B/S(瀏覽器/服務器）架構設計，系統兼容目前主流瀏覽器軟件，采用模塊化設計，組態靈活方便，每個功能模塊可靈活配置，方便系統升級擴展，軟件界面美觀，操作簡單，使用方便，適用于各大、中、小型農田灌區。并可單機、局域網、Internet聯網方式使用。

3.2.1管理系統軟件平臺主要特點：

（1）用戶管理：用戶信息管理。
（2）表具管理：智能網關及智能閥門、智能墑情儀等表具管理。
（3）灌溉管理：支持自動灌溉、半自動灌溉、手動灌溉模式
（4）短信提醒功能：支持欠費、閥門控制、故障信息短信提醒功能。
（5）第三方數據導出：支持文本、EXCEL、DBF、SQL SERVER、ORACLE等多種格式的數據導出。
（6）采用組件式系統開發架構：每個功能模塊可靈活配置，方便系統升級擴展。
（7）豐富的圖表分析功能：支持數據分析、數據統計等圖表分析、統計功能。
（8）安全權限控制：可設置不同的角色控制操作員的訪問權限。
（9）系統安裝部署方便：向導式安裝模式，只需簡單選擇即可實現系統的安裝升級。

圖4. 智能閥門灌溉自動化控制軟件平臺

圖5. 智能閥門灌溉自動化控制軟件平臺在線監測功能

圖6. 智能閥門灌溉自動化控制手機APP軟件在線監測與控制功能

3.3智能閥門灌溉自動化控制系統的社會經濟效益

發展精準灌溉技術是現代化農業建設本身的需要。它不僅是節約水資源，緩解干旱地區農業用水危機的有效手段，同時也是保證糧食安全、水生態安全的必要措施。我國作為一個農業大國，向來是以農為本，然而傳統的農業生產手段已經嚴重制約了農業的可持續發展，長久下去，必將影響到糧食以及環境安全，我們必須摒棄傳統落后的農業生產觀念，建立起一套適應現代化農業快速發展要求的精細化灌溉體系。從這個層面而言，智能閥門灌溉自動化控制系統就是智慧農業的核心，是現代化農業的立足之本。因此發展智能閥門灌溉自動化控制系統，是徹底解決我國水資源利用率低下，緩解水資源匱乏的首要途徑，也是促進我國現代化農業可持續發展的關鍵步驟，同時，也是保障我國整體經濟、農業生態及社會穩定發展的戰略舉措。

智能閥門灌溉自動化控制系統所產生的社會效益包括以下幾點：

（1） 合理高效利用水資源。

基于農業物聯網技術的精細化監測與灌溉控制系統實現了精準灌溉，減少農業用水總量，提高用水效率，能夠按照作物需水規律對作物進行科學的科學灌溉方式。一方面，減少了傳統漫灌所造成的蒸發、滲漏及地表徑流等用水損失。另一方面，解決了由于過量開采地下水所造成的生態和地質破壞，達到平衡區域用水的效用。

（2） 保護生態環境。

農業物聯網技術可以改變過去傳統落后的農業生產方式，通過精準、科學的數字化監測與控制手段進行農業管理，可有效避免過量用藥、施肥、灌溉等行為所造成的生態環境破壞。通過精準灌溉，可以避免由地表徑流引發的養分流失所形成的水體富營養化，改善水生態功能。同時，過度灌溉也會導致土壤板結和鹽堿化程度加劇。基于農業物聯網技術的精細化監測與灌溉控制系統可以有效避免或減少生態環境破壞的問題。

（3） 節約人力成本和能源資源。

通過農業物聯網技術的全面推行，實現灌溉的自動化與精細化，人均勞動力可以管理更多面積的耕地，從而節約了大量的人力成本，提升單位面積農田的產值。灌溉控制系統可基于太陽能供電，從而節約了傳統灌溉的燃油及水電費用，也具有十分積極的社會效益。

（4）改善作物品質，增加產量。通過合理高效的灌溉技術，結合大田氣象、墑情等實際參數的實時監控，可以更加高效的提高作物生長效率，適時適量的滿足各種作物在不同生長周期內對水分的需求，提高整體產量與品質。

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