果树容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究与应用.pdf

果 树 资 源學報 专 论 综 述 果 树 容 器 育 苗 栽 培 中 智 能 灌 溉 模 型 的 研 究 与 应 用 王 海 松 王 越 山西农业大学果树研究所 山西太谷 收 稿 日 期 第 一 作 者 简 介 王海松 女 本科学历 副研究员 主要从事果树栽培研究工作 电话 摘 要 对果树空气修根容器栽培中智能灌溉系统做了完整的设计 从控制器开发 平台软件管理 建立数据模型 个主要环节进行了详细的论述 期望在果树容器育苗生产中实现节水增效的目标 关 键 词 果树容器栽培 节水灌溉 物联网 传感器 文 章 编 号 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 Re s e a r chandA pp l i c a t i ono fI n t e l l i g en tI r r i g a t i on Mod e li nCon t a i ne rS e e d l i n g Cu l t i va t i ono fFr u i tTr e e s Ab s t r a c t Ke ywo r d s 世纪 年代起 空气修根容器栽培以其育 苗周期短 栽植季节长 成活率高等优点开始广泛用 于林业育苗 果树容器育苗利用空气修根原理不仅 解决了根系缠绕问题 大幅提高了成活率 果园建园 快且不需缓苗 还可以广泛应用于工厂化 智能化育 苗 近年来随着我国城市化进程的加快 果树种植 面积的大幅增长 果树容器培育苗木必将成为果树 育苗 果园快速更新的主要栽培方式之一 果树容器育苗因其自身栽培特点 在实际生产 中较大田育苗有其显著优点 而水肥管理是需要攻 克的关键技术环节 充分利用栽培方式的工厂化 设施化 智能化可以有效节约人工及材料成本 推动 实现苗圃的标准化管理 随着智能农业的发展 将信息化技术应用于生 产区环境监控及生产过程管理 已在栽培管理领域 发挥了巨大的作用 但大多应用都是基于大田土壤 环境下 对于特定树种的果树容器育苗模式很少涉 及 基于物联网技术的容器节水灌溉起步不久 从 硬件的成熟性 应用的局限性来说 还存在着如下问 题和不足 不能整合多媒体信息 视频 图片 果树育 苗园区灌溉需要配合视频监控 现有的人工方式费 时费力 缺少一体化完整解决方案 多数监测方法单 一数据模式 不能适应快速发展的需要 对传感器接入类型太多限制 不便部署 当 前大多数果园监测设备要求使用指定的传感器 不 具备通用性 工业级产品缺乏 部署地域受限 在我国南 北气候差异很大 南方夏季炎热 而北方冬季十分寒 冷 只有工业级产品才能广泛适用于各种复杂的地 理和气象环境 为了解决这些问题 山西省农业科学院果树研 究所和相关企业联合设计研制了新一代物联网农业 智能监控终端设备 该设备采用一体化 工业标准 低功耗设计 具备高性能 高可靠性及高稳定性 可 以对灌溉设施进行智能控制 整个系统能够进行自 动维护 智能管理和远程升级 此系统可同时兼顾 室外容器栽培和设施容器栽培 整体设计 通过将传感器网络布设于葡萄 樱桃 柿子等容 器育苗和生长区域 网络节点大量收集温度 湿度 光照 气体浓度等物理量 精准地获取容器内土壤水 分 值等信息 采集到的各种数据传送到管 理平台 然后进行综合分析 结合不同果树在不同生 长阶段对水分的需求 研究建立并逐步改进节水模 型 实现对灌溉系统的智能化控制 摆脱以往仅凭经 验灌溉的灌溉模式 使容器灌溉决策建立在科学的 基础之上 达到节水灌溉的目的 通过信息技术与 农业技术的深度融合 进一步提高生产管理水平 增 加经济效益 系统架构 基 于 工 业 级 一 体 化 设 计 架 构 按照工业级标准进行智能控制设备的架构设计 见图 采用如下设计理念 平台化设计 充分利用现有平台 如 硬件 平台 嵌入式 软件平台 通用传感器接入平 台 视频编码平台等 可缩短开发周期 降低 开发成本 提高产品可靠性及稳定性 模块化设计 采用模块化设计 产品可根据用户 需求进行定制 如 模块和 模块用户可以选 装其中一种 可扩展性设计 系统预留了可扩展余地 当前数 据采集模块支持 路传感器接入 根据项目需求 可进行扩展设计 支持更多数量的传感器 图 采 集 控 制 设 备 硬 件 和 软 件 架 构 核 心 主 板 硬 件 平 台 采用三星公司的 芯片 研制 核心板 从该板引出 个管 脚 把 芯片的管脚全部通过接插件引出 满足 各类扩展需求 作为 应用平台 传 感 器 通 用 接 入 平 台 增加 无线传感器接入模式 传感器 支持 电压型采集模式 电流型采集模式 开关量采 集模式 采集模式 从而实现广泛 的传感器接入 使系统能够具有良好的扩展性和兼 容性 视 频 算 法 平 台 基于嵌入式平台的视频编码模块支持一路高清 编码 支持拍照模式工作 优化 视频压缩算 法 支持 高端类模式 主要类模式 基线类模 式 能够实现 实时编码 嵌 入 式 软 件 平 台 基于 内核优化的 软件平台 创建结构小巧 具有可剥夺实时内核的实时操作系 统 可剥夺型的实时内核是在任何时候都运行就绪 了的最高优先级的任务 移 动 互 联 网 开 发 平 台 监测设备可以使用 无线模块直接连接到 通过 地址访问监控中心 上传数据 通过上述平台进行开发设计 可实时采集空气 温度 空气湿度 土壤温度 土壤湿度 风速 风向 光 照强度 降雨量等环境参数和视频图像信息 支持同 时 路传感器输入和 路无线传感器输入 有 效精度高达 支持 任意组网 实现远程 无线接入无线模块传感器和开关量数据的采集控 制 提供丰富扩展接口 包括 以太 网 等 设备通过以太网 网络实现与远程服务器数据通信 交互全部数据带 有 加密安全通信保障功能 保证产品通信和传 输的数据安全 设备同时配有视频采集 广播级的 视频编码和 图片压缩 可在采集 信号的同时为用户提供现场高质量的视频图像和图 片信息 基于传感数据及模型分析技术的节 水灌溉系统 根据室外空气温湿度传感器或温室大棚内空气 和土壤温湿度传感器监测到的数据 结合不同果树 在不同生长阶段对水分的需求施行精准灌溉 改善 王海松等 果树容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究与应用 管理措施 降低水资源消耗 降低生产成本 果 树 需 水 量 的 影 响 因 素 研 究 果树容器苗精准灌溉所需水量的影响因素主要 包括 气象条件 育苗基质水分状况以及基质物理性 质 生物学特性等几个方面 首先 从育苗基质水分 供水状况因素考虑 采用水量平衡方法 通过埋设于 容器中不同深度的传感器所实时地不间断地采集到 的数据 建立水量平衡模型 分析容器不同深度水势 和含水量的分布 在此基础上 对平衡模型进行数 值离散化 建立估算模型计算需水量 其次 从气象 条件和果树生物学特性角度研究需水量 利用联合 国粮农组织 最新推荐的 公式计算所在区域参考需水量 再结合果树品种在 不同生长阶段的系数 计算出需水量 最后 比较对 照不同计算方法的计算结果 进一步对果树容器苗 需水量的计算方法进行评价 监 测 数 据 综 合 分 析 总 结 及 改 进 灌 溉 模 型 管理平台通过一段时期的数据积累 总结并制 定不同果树容器苗在不同时间段内的灌溉模型 根 据模型计算出容器苗所需灌溉量及灌溉时间 制定 节水灌溉方案 并在实施过程中对灌溉模型不断加 以修正与改进 依据所制定的灌溉方案 管理平台可以按照用 户需要设定灌溉设施的自动控制和手动控制 在自 动控制的情况下 系统可在规定的时间或根据育苗 基质的湿度监测值 判断容器内的缺水情况 自动计 算出供水量 将控制指令发送给电磁阀控制器 自动 调节输水管道的开关阀门进行节水灌溉 育 苗 区 域 灌 溉 水 量 统 计 与 分 析 管理平台能够对容器栽培区的气象状况 基质 墒情等相关数据进行记录 统计不同季节不同气候 条件下的容器栽培区灌溉量 并根据果树容器苗的 生长及收获情况 经过一定时期的数据积累 归纳总 结出节水灌溉投入与产出的关系 用极值法确定合 理节水用水的灌溉定额 由此计算出产值最大时的 灌溉用水量 即经济效益最大时的灌溉用水量 总结 我国是一个果品生产和消费大国 北方广大地 区水资源短缺严重 水危机已成为制约果业发展的 重要因素 果树容器栽培技术相对于传统的田间栽 培具有成活率高 建园快 早花早果 有效节约人力 成本等优势 因此开展果树育苗容器栽培的智能化 管理是未来实现果树控根容器育苗发展工厂化 集 约化的有益探索 而建设容器智能灌溉管理系统是 解决问题的最佳方案 具有显著的社会效应和经济 效益 参 考 文 献 陈伟森 俞 龙 孙道宗 果园节水灌溉控制系统设计与 试验 节水灌溉 郭国法 基于 无线传感器网络的智能节水灌溉系 统设计 江苏农业科学 缪 丹 陈 吉 一种新型自动化灌溉技术的设计与施 工 企业技术开发 果 树 资 源學報