果樹容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究與應用.pdf

果 樹 資 源學報 專 論 綜 述 果 樹 容 器 育 苗 栽 培 中 智 能 灌 溉 模 型 的 研 究 與 應 用 王 海 松 王 越 山西農(nóng)業(yè)大學果樹研究所 山西太谷 收 稿 日 期 第 一 作 者 簡 介 王海松 女 本科學歷 副研究員 主要從事果樹栽培研究工作 電話 摘 要 對果樹空氣修根容器栽培中智能灌溉系統(tǒng)做了完整的設計 從控制器開發(fā) 平臺軟件管理 建立數(shù)據(jù)模型 個主要環(huán)節(jié)進行了詳細的論述 期望在果樹容器育苗生產(chǎn)中實現(xiàn)節(jié)水增效的目標 關 鍵 詞 果樹容器栽培 節(jié)水灌溉 物聯(lián)網(wǎng) 傳感器 文 章 編 號 中 圖 分 類 號 文 獻 標 識 碼 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 世紀 年代起 空氣修根容器栽培以其育 苗周期短 栽植季節(jié)長 成活率高等優(yōu)點開始廣泛用 于林業(yè)育苗 果樹容器育苗利用空氣修根原理不僅 解決了根系纏繞問題 大幅提高了成活率 果園建園 快且不需緩苗 還可以廣泛應用于工廠化 智能化育 苗 近年來隨著我國城市化進程的加快 果樹種植 面積的大幅增長 果樹容器培育苗木必將成為果樹 育苗 果園快速更新的主要栽培方式之一 果樹容器育苗因其自身栽培特點 在實際生產(chǎn) 中較大田育苗有其顯著優(yōu)點 而水肥管理是需要攻 克的關鍵技術環(huán)節(jié) 充分利用栽培方式的工廠化 設施化 智能化可以有效節(jié)約人工及材料成本 推動 實現(xiàn)苗圃的標準化管理 隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展 將信息化技術應用于生 產(chǎn)區(qū)環(huán)境監(jiān)控及生產(chǎn)過程管理 已在栽培管理領域 發(fā)揮了巨大的作用 但大多應用都是基于大田土壤 環(huán)境下 對于特定樹種的果樹容器育苗模式很少涉 及 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的容器節(jié)水灌溉起步不久 從 硬件的成熟性 應用的局限性來說 還存在著如下問 題和不足 不能整合多媒體信息 視頻 圖片 果樹育 苗園區(qū)灌溉需要配合視頻監(jiān)控 現(xiàn)有的人工方式費 時費力 缺少一體化完整解決方案 多數(shù)監(jiān)測方法單 一數(shù)據(jù)模式 不能適應快速發(fā)展的需要 對傳感器接入類型太多限制 不便部署 當 前大多數(shù)果園監(jiān)測設備要求使用指定的傳感器 不 具備通用性 工業(yè)級產(chǎn)品缺乏 部署地域受限 在我國南 北氣候差異很大 南方夏季炎熱 而北方冬季十分寒 冷 只有工業(yè)級產(chǎn)品才能廣泛適用于各種復雜的地 理和氣象環(huán)境 為了解決這些問題 山西省農(nóng)業(yè)科學院果樹研 究所和相關企業(yè)聯(lián)合設計研制了新一代物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè) 智能監(jiān)控終端設備 該設備采用一體化 工業(yè)標準 低功耗設計 具備高性能 高可靠性及高穩(wěn)定性 可 以對灌溉設施進行智能控制 整個系統(tǒng)能夠進行自 動維護 智能管理和遠程升級 此系統(tǒng)可同時兼顧 室外容器栽培和設施容器栽培 整體設計 通過將傳感器網(wǎng)絡布設于葡萄 櫻桃 柿子等容 器育苗和生長區(qū)域 網(wǎng)絡節(jié)點大量收集溫度 濕度 光照 氣體濃度等物理量 精準地獲取容器內(nèi)土壤水 分 值等信息 采集到的各種數(shù)據(jù)傳送到管 理平臺 然后進行綜合分析 結合不同果樹在不同生 長階段對水分的需求 研究建立并逐步改進節(jié)水模 型 實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的智能化控制 擺脫以往僅憑經(jīng) 驗灌溉的灌溉模式 使容器灌溉決策建立在科學的 基礎之上 達到節(jié)水灌溉的目的 通過信息技術與 農(nóng)業(yè)技術的深度融合 進一步提高生產(chǎn)管理水平 增 加經(jīng)濟效益 系統(tǒng)架構 基 于 工 業(yè) 級 一 體 化 設 計 架 構 按照工業(yè)級標準進行智能控制設備的架構設計 見圖 采用如下設計理念 平臺化設計 充分利用現(xiàn)有平臺 如 硬件 平臺 嵌入式 軟件平臺 通用傳感器接入平 臺 視頻編碼平臺等 可縮短開發(fā)周期 降低 開發(fā)成本 提高產(chǎn)品可靠性及穩(wěn)定性 模塊化設計 采用模塊化設計 產(chǎn)品可根據(jù)用戶 需求進行定制 如 模塊和 模塊用戶可以選 裝其中一種 可擴展性設計 系統(tǒng)預留了可擴展余地 當前數(shù) 據(jù)采集模塊支持 路傳感器接入 根據(jù)項目需求 可進行擴展設計 支持更多數(shù)量的傳感器 圖 采 集 控 制 設 備 硬 件 和 軟 件 架 構 核 心 主 板 硬 件 平 臺 采用三星公司的 芯片 研制 核心板 從該板引出 個管 腳 把 芯片的管腳全部通過接插件引出 滿足 各類擴展需求 作為 應用平臺 傳 感 器 通 用 接 入 平 臺 增加 無線傳感器接入模式 傳感器 支持 電壓型采集模式 電流型采集模式 開關量采 集模式 采集模式 從而實現(xiàn)廣泛 的傳感器接入 使系統(tǒng)能夠具有良好的擴展性和兼 容性 視 頻 算 法 平 臺 基于嵌入式平臺的視頻編碼模塊支持一路高清 編碼 支持拍照模式工作 優(yōu)化 視頻壓縮算 法 支持 高端類模式 主要類模式 基線類模 式 能夠?qū)崿F(xiàn) 實時編碼 嵌 入 式 軟 件 平 臺 基于 內(nèi)核優(yōu)化的 軟件平臺 創(chuàng)建結構小巧 具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系 統(tǒng) 可剝奪型的實時內(nèi)核是在任何時候都運行就緒 了的最高優(yōu)先級的任務 移 動 互 聯(lián) 網(wǎng) 開 發(fā) 平 臺 監(jiān)測設備可以使用 無線模塊直接連接到 通過 地址訪問監(jiān)控中心 上傳數(shù)據(jù) 通過上述平臺進行開發(fā)設計 可實時采集空氣 溫度 空氣濕度 土壤溫度 土壤濕度 風速 風向 光 照強度 降雨量等環(huán)境參數(shù)和視頻圖像信息 支持同 時 路傳感器輸入和 路無線傳感器輸入 有 效精度高達 支持 任意組網(wǎng) 實現(xiàn)遠程 無線接入無線模塊傳感器和開關量數(shù)據(jù)的采集控 制 提供豐富擴展接口 包括 以太 網(wǎng) 等 設備通過以太網(wǎng) 網(wǎng)絡實現(xiàn)與遠程服務器數(shù)據(jù)通信 交互全部數(shù)據(jù)帶 有 加密安全通信保障功能 保證產(chǎn)品通信和傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)安全 設備同時配有視頻采集 廣播級的 視頻編碼和 圖片壓縮 可在采集 信號的同時為用戶提供現(xiàn)場高質(zhì)量的視頻圖像和圖 片信息 基于傳感數(shù)據(jù)及模型分析技術的節(jié) 水灌溉系統(tǒng) 根據(jù)室外空氣溫濕度傳感器或溫室大棚內(nèi)空氣 和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù) 結合不同果樹 在不同生長階段對水分的需求施行精準灌溉 改善 王海松等 果樹容器育苗栽培中智能灌溉模型的研究與應用 管理措施 降低水資源消耗 降低生產(chǎn)成本 果 樹 需 水 量 的 影 響 因 素 研 究 果樹容器苗精準灌溉所需水量的影響因素主要 包括 氣象條件 育苗基質(zhì)水分狀況以及基質(zhì)物理性 質(zhì) 生物學特性等幾個方面 首先 從育苗基質(zhì)水分 供水狀況因素考慮 采用水量平衡方法 通過埋設于 容器中不同深度的傳感器所實時地不間斷地采集到 的數(shù)據(jù) 建立水量平衡模型 分析容器不同深度水勢 和含水量的分布 在此基礎上 對平衡模型進行數(shù) 值離散化 建立估算模型計算需水量 其次 從氣象 條件和果樹生物學特性角度研究需水量 利用聯(lián)合 國糧農(nóng)組織 最新推薦的 公式計算所在區(qū)域參考需水量 再結合果樹品種在 不同生長階段的系數(shù) 計算出需水量 最后 比較對 照不同計算方法的計算結果 進一步對果樹容器苗 需水量的計算方法進行評價 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 綜 合 分 析 總 結 及 改 進 灌 溉 模 型 管理平臺通過一段時期的數(shù)據(jù)積累 總結并制 定不同果樹容器苗在不同時間段內(nèi)的灌溉模型 根 據(jù)模型計算出容器苗所需灌溉量及灌溉時間 制定 節(jié)水灌溉方案 并在實施過程中對灌溉模型不斷加 以修正與改進 依據(jù)所制定的灌溉方案 管理平臺可以按照用 戶需要設定灌溉設施的自動控制和手動控制 在自 動控制的情況下 系統(tǒng)可在規(guī)定的時間或根據(jù)育苗 基質(zhì)的濕度監(jiān)測值 判斷容器內(nèi)的缺水情況 自動計 算出供水量 將控制指令發(fā)送給電磁閥控制器 自動 調(diào)節(jié)輸水管道的開關閥門進行節(jié)水灌溉 育 苗 區(qū) 域 灌 溉 水 量 統(tǒng) 計 與 分 析 管理平臺能夠?qū)θ萜髟耘鄥^(qū)的氣象狀況 基質(zhì) 墑情等相關數(shù)據(jù)進行記錄 統(tǒng)計不同季節(jié)不同氣候 條件下的容器栽培區(qū)灌溉量 并根據(jù)果樹容器苗的 生長及收獲情況 經(jīng)過一定時期的數(shù)據(jù)積累 歸納總 結出節(jié)水灌溉投入與產(chǎn)出的關系 用極值法確定合 理節(jié)水用水的灌溉定額 由此計算出產(chǎn)值最大時的 灌溉用水量 即經(jīng)濟效益最大時的灌溉用水量 總結 我國是一個果品生產(chǎn)和消費大國 北方廣大地 區(qū)水資源短缺嚴重 水危機已成為制約果業(yè)發(fā)展的 重要因素 果樹容器栽培技術相對于傳統(tǒng)的田間栽 培具有成活率高 建園快 早花早果 有效節(jié)約人力 成本等優(yōu)勢 因此開展果樹育苗容器栽培的智能化 管理是未來實現(xiàn)果樹控根容器育苗發(fā)展工廠化 集 約化的有益探索 而建設容器智能灌溉管理系統(tǒng)是 解決問題的最佳方案 具有顯著的社會效應和經(jīng)濟 效益 參 考 文 獻 陳偉森 俞 龍 孫道宗 果園節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設計與 試驗 節(jié)水灌溉 郭國法 基于 無線傳感器網(wǎng)絡的智能節(jié)水灌溉系 統(tǒng)設計 江蘇農(nóng)業(yè)科學 繆 丹 陳 吉 一種新型自動化灌溉技術的設計與施 工 企業(yè)技術開發(fā) 果 樹 資 源學報