2一坷
第l6卷第2期
242000年3月
农业工程学报
TransactionsoftheCSAE
V0【_16No．2
Mar．2000
GPS节水灌溉系统的研究
到壑速
(中国热带农业科学院分析测试中心)
S272
、p
摘要：垒球卫星地面定位系统GPS、遥感遥测系统RSS与地理信息系统GIS等3S空间电子信息技术在农业中
的应用形成了智能化精确农业(Precision~rming)。该文GPS节水灌溉系统是作者为薄南某生态农业公司100hm
香蕉回研究设计的．也是一嘎精确农业的应用研究．
关键词；煎堡垒；3S空间电子信息技术多变元调控。土壤参敷传惑嚣P殳嵌淀J．
1智能农业简介
智能控制与智能自动化技术在农业中的应用始
于农用机器人，目前随着美国全球卫星定位系统
(GlobalPositioningSystem简称GPS)的解密转为
民用后，将GPS应用于农用机器人，形成了精确农
业(PrecisionFarming)学科，揭示了农业科技革命
的方向。定位科学与遥感科学已发展成渗透于农学、
地理学、环境学、资源科学、大气科学等多学科的交
叉学科。精确农业将GPS、RSS(RemoteSensing
System遥感遥测系统)、GIS(Geographic
InformationSystem地理信息系统)3S空间电子信
息技术应用于农业，将通讯、监测、模拟、自动控制和
农业专家系统集成，形成农业的智能环境与农业信
息交换平台[1]，实现对农业的行业弱势的有效调控，
从而保证农业的持续发展。
2GPS节水灌溉系统构成
GPS节水灌溉系统是应生态农业公司要求而
研究设计的。在分析了农业生态的多变元环境后，根
据变元关系式的变元寻优法则，研究设计了GPS智
能化节水灌溉系统。其功能是根据作物生命过程中
水需求、土地干湿情况、作物生长的环境温度，精确
调控节水灌溉系统，以保证作物生长的良好生命环
境与生长环境。
2．1精确农业与多变元调控
收稿日期；1999—08—05
①刘根深，高级工程师，海南省惦州市宝岛新村中国热带农业
科学院分析测试中心571737
农业生态环境是一个多变元系统，正是这种多
变元环境形成了农业的行业弱势过去因监测与控
制技术的落后，长期得不到有效调控，制约了农业的
持续发展。以3s空间电子信息技术为核心的精确农
业，能实时采集植物生长过程中的环境参数，实现农
业生产环境中的多变元调控。
2．I．1多变元寻优
例如：植物生长依赖于光照强度(L)、温度(T)、
湿度(H)与空气中的二氧化碳(CO)含量的浓度
光合作用明显表现为植物对二氧化碳的摄取程度，
以植物对二氧化碳摄取快慢作为光合作用的质量指
标(y)，则多变元系统的关系式为0]：
y一，(工，T，H，CO2)
至此，问题就变成了如何调控工、T、H、(CO)，以保
证y达到最优，其中，T、H则是本研究的对象目
的在于通过GPS土地参数采样器获取作物耕作区
域定位数据与植物生长状态中的植物温度、地温、与
土地湿度，并以土地湿度为主实现节水灌溉。调控土
地湿度，从而达到改变地温与植物环境温度与湿度，
实现多变元的有效调控，保证植物与作物的良好生
态环境。
2．1．2香蕉生长的多变元环境
香蕉无主根，肉质不定根着生于球茎，正常蕉株
200～300条根，分为侧根与下垂根，根系浅生，主要
分布于土表下10～30cm的土层中。
香蕉要求温度21℃以上的高温多湿环境，生长
温度为2O～35℃，最适宜为24～32℃。
根群细嫩对土壤的选择较严格，通气不良，排水
不良，都不利于根系的发育。以粘粒含量<40，地
下水在1m以下砂壤土，尤以冲积壤土与腐殖质壤
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第2期刘根探：GPS节水灌溉系统的研究
土为适宜。pH值4．5～7．5较适当，6．0以上为最
好。
降雨量以每月平均lOPmm最为适宜，低于5o
mm属于干旱季节。香蕉因缺水而抽蕾期延长，果指
短，单产低；如蕉园积水或被淹，轻者叶面发黄，易诱
发叶班病．重者根群腐烂以致植株死亡]。
若以香蕉的丰产为质量指标(y)，则其多变元
关系式为
Y=f(pH，H，)
因此，通过监测与调控土壤的pH值，温度，
湿度日，即可使香蕉的质量指标y达最高值而获得
丰产。pH、T、H则成了香蕉的GPS节水灌溉系统
的控制条件海南是香蕉生长最适宜区，平均温度为
23．6～25℃，满足温度条件，因而土壤湿度H就成
为香蕉高产稳产的首要条件，GPS节水灌溉系统就
是以湿度日为主控条件而设计的。
2．2精确农业中土地信息处理的拓扑结构
快速有效采集田闻土地、作物生长环境信息是
精确农业的重要基础。本文根据香蕉多变元寻优形
成的质量模型，进行温度、湿度与pH值等田间信息
的采集，相关传感器与数据处理及数据传输，使用了
商业化产品。
土壤参数传感器及其数据处理送变器，包括地
温传感器、作物表面温度传感器、土地湿度传感器、
土壤肥力、酸度pH值传感器等与数据处理送变器，
以及根据其采样数据，通过专家系统进行植物分析，
调控植物生长环境以满足植物生命需求。构成的
GPS精确农业信息交换平台其基本结构包括GPS
土地参数采样器与GPS中心控制基站，精确农业系
统(PrecisionFarmingSystem)信息交换平台拓扑
结构如图l所示。
2．2．1GPS土地参数采样器研制
通过土壤肥力测定仪、PT(PlantTemperature)
植物温度、LT(LandTemperature)地温、LH(Land
Humidity)土壤湿度等传感器，采集植物生长的环境
参数，经过参数送变器进行A／D变换后，送给DM
无线智能Modem／数传电台，完成数字信号处理
DSP、GPS定位、土地参数的传送。
1)植物温度传感PT，土地温度传感器LT均
采用MAXIM的MAX65XX温度开关自行开发制
作。
2)土壤肥力与酸度pH计的改造：采用中国科
学院南京土壤研究所研制的SFM—I智能化土壤肥
a．GPS土地参数采样嚣
pH——土地酸度值IPT——(PlsntTemperature)
植物温度|I．T——(LnndTemperature)；土地温度
LH——(LandHumidity)-土地湿度．
bGPS中心j空制基站
圈1精确农业未统(PrecisionFarmingSystem)
信息吏搂平台拓扑结构
Fig．1Thetopologicstructureofprecision
farmingsysteminformationswitchboard
力测定仪，定位采样田间土地信息。改有线传输为无
线数传。
3)土地湿度传感器LH研制因现行湿敏电阻
与水浸传感器只适应于空间与管道环境中应用，深
入土地中的土地湿度传感器是自行开发研制的。采
用5mm的镀锌铁丝，取长35cm，前端磨尖，外加
绝缘留出尖端lcm，做土地湿度探针，探针间距约8
cm，探地深度根据作物根系不同，一般在2o～35cm
之间。上端引出电极联线，连接到送变器。感湿原理
是利用土地干湿时地电阻值不同。
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农业工程学报2000正
4)送变器研制采用开关管与MAXIM的模拟
开关MAX4544做采样保持。设湿度灵敏度调节器
w．根据不同土壤成分调节其湿度灵敏度电阻忍。
5)采用正华电子高科技工程有限公司研制的
DM无线智能Modem／数传电台，完成土地参数的
数据处理DSP，GPS定位与数据传送。
2．2．2GPS中控制基站构成
DM智能无线Modem／数传电台完成GPS定
位信息与土地参数的传送与接收。计算机安装GIS
信息系统与作物产区的电子地图，RSS斯波特红外
图谱解析系统，完成植物分析与辐射传输模拟，经精
确计算后，则根据土地实际参数，启动相关的农业专
家系统，完成配肥与灌溉，直至满足植物生长需要的
生态环境
2．3GPS节水灌溉系统智能控制的实现过程
1)对象定位区域内的热带作物如香蕉、甘蔗、
反季节瓜菜等70hm以上的大面积集约规模生产，
所建成的节水灌溉系统。
2)在生产现场建立Ⅳ个GPS土地参数(土温、
湿度)与环境参数(植物温度、CO、照度)采样器。目
前以土地参数为主。
3)计算方法H，H，…，H的逻辑或运算启
动与关闭主泵；非Hx启动与关闭分泵。
4)感湿原理H、H-．IH为湿度传感器，根
据耕作面积安置Ⅳ个W为湿度灵敏度调节器，调
节湿度探针口、b间土地电阻忍处于干湿临界状态，
若R>忍，则土地干，需要启动节水灌溉系统主水
泵抽水、与H相关的区域的分水泵进行灌溉；若
R≤忍，则土地湿，关闭节水灌溉系统停止灌溉。此
状态为系统常态。
5)控制过程土地湿度正常时，R≤凡，节水系
统仃止工作。当某个H湿度传感器检测到土地干
对，此时，R>R，送变器Q截止，输出高电平给
MAX4544SPDT模拟开关并翻转，进入采样保持，
COM获高电平给D寄存器使其置1，Q端输出高电
平送给N端或门，并输出高电平打开节水灌溉系统
主水泵双向可控硅，启动电磁阀抽水供水；同时+Q
端高电平反相为低电平使MAX4544模拟开关闭
合，输出高电平打开分水泵可控硅，启动分水泵电磁
阀，开始灌溉，随着灌溉进行土地湿度增大R降低，
直到R≤忍为止，关闭分水泵，结束Ⅳ探头所监
测区域的灌溉，但不影响主系统。Ⅳ个湿度探头检
测值，均为R≤忍时，节水灌溉系统才关闭。
6)GPS节水灌溉系统智能控制原理简图如图
2
2．4系统投资概算及其实用性评估
2．4．1投资概算
根据GPS信息交换平台与智能控制的要求、农
业生产的规模与需要，对已有的灌溉系统进行智能
化改造的投资概算如下：
设备名许
无线智能Modem
敷传电台
GPS
土壤肥力测定仪
墒情传感嚣
环境参数采集仪
灌溉系统技术改造费
农作物电子地图(IS
系统软件研制
单价预算经费
／兀／兀
1800．00144OO．0O
2000．O020000．O0
15000．O0120000．O0
1250．0010000．00
20000．0020000．00
50000．0050O00．00
20000．O020000．00
20000．O020000．O0
台计：281400．O0
2．4、2实用性评估
根据作物生长需要，适时自动地测土配肥与精
量灌溉，仅此一项可节省农业资源与水资源、电能
源：4O～6O。随着3s技术应用的成熟与普及+可
提高科学技术对农业的贡献率；亦可培育新的农业
信息产业与经济增长点。为农业的持续发展营造一
个良好的农业生态环境。
3结论
精确农业系统工程在国内的研究开发应用还刚
开始，GPS节水灌溉系统只是其中一种应用。农业
生态是一个复杂巨系统，造成农业的行业弱势的成
因与变元很多，智能化精确农业旨在分析与调控这
些变元与成困，构建和谐的人地关系，保护自然资源
与生态环境，创造农业持续发展的生态文明。
髓陪
㈣¨㈣一～一
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第2期刘根深：GPS节水{鲞溉系统的研究
圈2GPS节水灌溉系兢采样(土地湿度)、传辅、智能控制示意圈
Fig．2ThesketchofGPSwater—savingirrigationsystemforsampling
(soilmoisturecontent)，trsnsmissionandintelligentcontrol
[参考文献]
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香港国际计算机会议论文集．第1版．大连：大连理工
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大学出版社．1987，1：328
农业部发展南亚热带作物办公室．中国热带南亚热带
果树．第1版．北京：中国农业出版杜．1998．5：398
ResearchontheGPSWater—SavingIrrigationSystem
·LiuGenshen
(ChtneseAcademyofTropicalAgncuhurdS~ences．Danzhou571737)
Abstract：OwingtotheGlobalPositioningSystem(GPS)，RemoteSensingSystem(RSS)andGeographic
InformationSystem(GIS)3Sspaceelectricinformationtechnologyappliedtoagriculture，theintelligent
precisionfarminghasbeenshaped．TheGPSwater—savingirrigationsysteminthispaperwasdesignedfor
100hm。bananaorchardsofaneco—agriculturecompany．
Keywords：precisionfarming}3Sspaceelectricinformationtechnology；multi—change—element
regulatationandcontrol：soi1parametersensor
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