基于无线传感网络的茶园智能化喷灌系统

蔡 彬，缪子梅，褚琳琳，肖梦华(.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 0；.河海大学水利水电学院，南京 0098；.浙江省水利河口研究院，杭州 000)

江苏是中国享有盛誉的古茶区之一，茶叶历史悠久，以单位产量高、生产效益好、名茶影响大等显著特点，在全国茶产业中占有重要地位[1]。茶叶生长所需水分主要依赖天然降水，然而由于江苏省降水量时空分布不均，茶叶产区存在伏旱和秋旱现象。为确保茶树正常生长的基础上提高茶叶产量和品质，补充性灌溉尤为重要。

研究表明，通过改变影响茶园的温度、湿度、光照强度等小气候因子，喷灌在改善茶园土壤物理条件和土壤养分状况等因素，从而有效改善茶叶的产量和品质方面具有独特优势[2,3]。随着现代工业向农业的渗透和微电子技术的广泛应用，以及计算机硬件、软件的飞速发展，智能化喷灌技术应运而生。智能化喷灌技术是一种将灌溉、施肥、及根据不同作物进行智能化精准喷灌有机结合的综合性技术，它是通过计算机解析控制，根据植物不同生育期的耗水量，对作物进行精准给水喷灌。

从最早的水力控制、机械控制，到目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、智能化程度及可靠性越来越高，操作也越来越简便。我国智能化喷灌产业的发展到目前为止大致可分为引进、仿制、一定的自主研发生产这3个过程。经过30多年的发展，喷灌产品门类和系列基本配套，形成了喷灌喷头、管材与管件、净化过滤设备、施肥设备、控制及安全装置等五大类喷灌产品。较有规模的喷灌设备生产企业已有20～30家，但智能化喷灌技术比较落后，由于缺乏信息采集设备和变量灌溉控制设备(变量喷头、变量供水设备、压力调节器等)，技术尚不成熟。同时已有的智能化喷灌系统存在绝大多数仅考虑作物需水信息的采集，为实现根据需水信息的自动化控制；或灌溉控制系统仅考虑单一因素，未考虑环境因素；或仅在室内环境下进行，未在野外环境下的验证等问题[4-6]。

综上所述，在精确采集茶树需水信息和土壤、气象相关信息的基础上，结合无线传感器网络、数据库技术、PLC技术开发智能化茶园喷灌系统，旨在实现自动精确灌溉，实现农业灌溉技术现代化提供技术支撑。

1 智能化喷灌系统组成

智能化喷灌系统由监测装置和执行装置组成。监测装置监测数据包括茶树生长区域内不同土层深度的土壤湿度、温度、盐分传感器，以及降水、温度、湿度等气象数据，通过系统软件和LABVIEW实现灌溉监控；执行装置是利用灌溉控制器、变频器、PLC、电机、水泵、电磁阀、田间检测设备通过，无线传输实现变频恒压灌溉。 技术人员首先通过监测装置读取的茶树不同生长期的需水参数，及传感器采集的实时土壤数据，建立茶树生长信息数据库，制定一套符合地区性茶叶生长的灌溉制度。通过执行装置完成灌溉(见图1)。

图1 系统组成图

2 智能化喷灌系统的设计

2.1 试验区概况

该试验区位于中国江苏省镇江市南山茶场，茶园的地理坐标为31°56′N, 119°10′E。试验从2016年3-12月。试验区的规模面积是4.333 hm2，供试作物为白茶。2016年3月，由于试验基地茶林面积大，茶苗行间距为120 cm，苗间距为52 cm。根据茶园田块分布形状，土壤状况，喷头射程太近，管道密度大，喷头多，每次安装的工作量大；射程太远，水泵功率大，水滴打击强度大，影响茶林幼苗的生长，雾化指标不好。因此我们选用了中等射程的20PY2型喷头，在喷头出口压力为350 kPa时，喷头流量为Q=3.2 m3/h，实际测量有效喷洒半径达R=16.8 m，完全符合茶林生长的要求。

选择摇臂式20PY2喷头，其设计单喷头强度4.5 mm/h，雾化指标3680。根据茶园分区灌溉的要求，选择U-PVC耐压型给水管道，公称压力达到1.25 MPa，主供水管为D90，分供水管道分别为D70，D50、D32；喷头立管选择DN25镀锌钢管和阀门井，并在地面处加水泥块加以固定。根据茶园不规则形状，设计划分4个区域。每个区域路管道设立11～14个喷水喷头和阀门，分区灌溉。选择ISG80-200型水泵作为喷头的供水水源，设计流量50 m3/h，扬程50 m，电机功率15 kW。

试验观测的太阳辐射平衡要素为太阳总辐射、冠层的反射率、从大气层向下的长波辐射、从茶园冠层向上的长波辐射，观测仪器型号为CNR-4 (Kipp&Zonen, the Netherlands)，仪器安装在离地面2.5 m处。土壤热通量由安装在距地面2 cm深处的土壤热通量板HFP01-L10 (Campbell, USA) 测得。5个不同土壤深度(5、10、20、50和70 cm)处分别安装了Hydra Probea探头传感器，用来测量土壤的含水率和土壤的温度。冠层以上1.5和2.0 m处的空气温度和相对湿度用型号为HMP155A(Vaisala, Finland)温湿度传感器进行测量。所有仪器在试验开始前均已经过校核。三杯式风速计A100L2 (MetOne，USA)安装在地表以上2 m处用来测量风速。雨量传感器TE525MM (Campbell, USA)用来测量降雨量。所有检测数据每10 s取样一次，平均每10 min通过数据记录仪CR3000-NB (Campbell，USA)记录。本研究区域主要盛行风是西风，试验区左右200 m处它们有类似的作物覆盖及相似的灌溉制度，因此没有考虑风速的影响。波文比能量平衡法用来估算茶园每小时的蒸发蒸腾量。

2.2 灌溉制度确定

根据作物生长生理耗水需求，以及试验地区气象条件，确定茶园高产优质灌溉制度。

旱作物生育期任意时段内，土壤计划湿润层内水量平衡方程可以表示为：

Wt-W0=P0+K+I+ETc

(1)

式中：Wt与W0分别为计算时段末与时段初土壤计划湿润层内的储水量；P0为有效降雨量；K为时段内地下水补给量；I为净灌溉水量；ETc为作物实际蒸腾蒸发耗水量。

根据茶树生长期内不同生育阶段、不同气候状况下对水分的需求量，制定基于茶园实际耗水过程的精确灌溉制度(见表1)。

2.3 喷灌智能化系统

配电系统在确保喷灌设备正常启动的基础上，开发了智能化自动灌溉的设备形式，配套安装了与茶园安装的检测仪的通讯模块，建立了模块之间的通讯协议，通讯模块的性能参数如下。

(1)三进四出2.4G无线通信I/O模块，使用2.4G无线通讯方式；设备无线通讯地址可以设置；自动识别设备功能，同样地址的设备即插即用；设备之间硬件自动应答实现身份确定，确保数据通讯稳定可靠不丢码。

表1 茶园灌溉制度的确定及水量平衡分量的旬变化规律

(2)模块产品 PC端支持RS232和RS485可选,波特率可选(1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600，115 200 bps)，通讯线路TVS硬件保护，达到+-15 kV和600 W高强的抗干扰性。

(3)检测仪是根据土壤干湿度和茶叶叶片的蒸发量及气候条件等检测的结果，发送喷灌信号。由检测仪通过PLC RS485发送无线信号到机房，机房的接收通讯模块通过比对确认接收到无线信号后，即产生I/O输出电平信号，电气柜中的小型继电器(KM1)接收信号闭合后做如下动作要求：①KM1闭合后，KA2和KM3闭合，启动真空泵抽真空，同时抽真空管道上的电磁阀打开，管道抽真空上水，抽真空的时间根据现场实验数据预先在数字时间继电器KTI上设置。在KTI经过预先设定的时间后时间继电器KT1由常闭转为常开，即真空泵和电磁阀断开，同时KT1的延时闭合端闭合启动，主线路KA1闭合，即灌溉给水泵启动，管道上水，对茶园进行喷灌。②经过一段时间的喷灌后气象检测仪根据检测土壤干湿度和茶叶叶面的灌水量的结果达到需要的灌水量，又发送一个无线指令信号，机房的接收通信模块通过比对确认接收到无线信号后，及又产生I/O输出电平信号，切断电气柜中的小型继电器(KM1)动作要求，KM1断开，导致KA1断开，灌溉泵停止运行，完成了茶园一次智能化的精确灌溉的要求(见图2)。

(4)无线网路控制系统拓展。无线通讯模块通过拓展，不仅能接收气象检测仪的信号，还可以接收手机的信号，通过手机实时查看气象资料，监测茶园的实时情况，发送通讯信号，启闭机房的喷灌设备，通过手机视频查看机房的水泵等设备的运转实况，与物联网通讯，实时检测茶园的茶叶生长情况，实现农业智能，无线遥控现代化的茶园(见图3)。

图2 电气图

图3 通讯测试界面

3 结 语

本文根据茶园实际需求，结合传感器技术、数据库技术、PLC技术，开发了一套智能化喷灌系统。该系统可以实现茶园土壤及大气相关参数自动监测，并根据茶树不同生长期不同水分需求进行智能化灌溉。该系统能适时、适量进行灌溉，在提高工作效率的基础上，实现精准灌溉，提高科学管理水平，且运行可靠，稳定性高。

但由于智能自动化喷灌是根据气象土壤检测仪对气候变化，土壤干湿度的检测分析结果发出的喷灌指令，喷灌喷水时间滞后且范围有偏差，今后应修改土壤检测探头的检测信号和软件程序，将滞后的时间提前发出无线信号，做到精确灌溉。

[1] 陶徳臣．江苏茶叶发展述论[J]．农业考古，2013，(2)：259-266．

[2] 徐延军，陈为铸．茶园中的节水灌溉技术[J]．农机科技推广，2004，(11)：35．

[3] 谌介国，刘志明，张振德．茶树需水规律和茶园喷灌的研究[J]．中国农业科学，1985，(2)：36-43．

[4] 韩安太，何 勇，陈志强，等．基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J]．农业机械学报，2011，42(9)：173-180．

[5] 蔡甲冰，刘 钰，雷廷武，等．精量灌溉决策定量指标研究现状与进展[J]．水科学进展，2004，15(4) ：531-537．

[6] 龚道枝，雷志栋，郝卫平．基于果树需水信号的精量灌溉控制理论与技术[J]．灌溉排水学报，2009，28(4) ：6-9．