2024年5月30日发(作者：隐逸雅)
A
pplication case
应用案例
DOI:10.16815/.11-5436/s.2018.18.025
北斗定位系统
在大型喷灌机精准水肥管理的应用
文/ 严海军
1
，王春晔
2
，李茂娜
1
（1.中国农业大学，2.中农智冠(北京)科技有限公司）
摘要：
导航定位系统是实现大型喷灌机精准水肥管理的基础。本文阐述了北斗系统在大型喷灌机精准作业中的应用背景和工作原理，
分别介绍了圆形喷灌机尾枪定位系统和基于北斗系统的喷灌机运行管理实例。实践证明，北斗系统具有高精度、低成本等特点，在大
型喷灌机精准定位管理中具有良好的应用前景。
关键词：大型喷灌机；北斗系统；精准水肥管理；精准定位
战略驱动下，人们开始研究精准水肥管
北斗在圆形喷灌机中的应用。在国外，
单台圆形喷灌机控制面积在500~1000亩
左右，而国内多数控制面积在200~500
亩左右。在实际应用的过程中经常遇到
两个问题：（1）如果喷灌机灌溉地块内
种植多种作物品种，种植地块尺寸又大
小不一，则灌溉地块呈现出图1所示的形
状。（2）为了解决地块四个角无法灌溉
的问题，国外在圆形喷灌机最末跨后增
加了地角臂系统和尾枪，有效解决了漏
灌问题，如图2所示。解决上述两个问题
都需要圆形喷灌机能够实时地对机组和
灌溉地块进行精准定位。
１ 应用背景
随着国家不断推进农业结构调整和
土地流转进度，越来越多的土地集中连片
种植与集约化、规模化经营，由地形、坡
度、土壤物理特性等变化引起的作物生长
与产量空间变异问题将不可避免。沿用传
统的统一田间管理模式，有可能造成农田
局部灌溉施肥过量或不足，不仅造成资源
和能源浪费，降低水肥利用效率，而且还
可通过径流和深层渗漏对地表和地下水造
成污染。因此，在水资源短缺和环境保护
理，根据农田地块的位置属性、物理化学
空间变异和作物的生长需求，制定特定的
灌溉施肥处方，实现作物水分和养分的高
效管理，达到作物高产与水氮利用效率最
大化的目标。
大型喷灌机（圆形喷灌机和平移
式喷灌机）作为适应规模化、集约化生
产的高效节水灌溉机组，具有单机控制
面积大、自动化程度高、适用性强的优
点，已成为精准水肥管理的最佳执行平
台。在大型喷灌机的应用面积中，圆形
喷灌机要占到90%以上，因此将主要介绍
图1 不同灌溉需求和形状的地块
作物精准水肥管理首先需要快速、
准确地确定地块形状边界等地理信息，
其次要实时采集地块水分养分等和作物
图2 圆形喷灌机地角臂系统
整喷灌机行走速度、改变喷头工作数目
及工作时间，对作物进行精准变量灌溉
施肥。每个喷头由对应的电磁阀控制，
的生长信息，根据已知的作物不同生
育期的需水需肥规律，制定出特定地块
和作物的灌溉施肥处方，最后通过调
作者简介：严海军，男，1974年5月出生于浙江鄞县，工学博士，教授，博士生导师，主要从事喷微灌理论与技术、节水灌溉装备研发方面的研究，中国农业大学
水利与土木工程学院院长，兼任农业节水与水资源教育部工程研究中心副主任、北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心副主任。
2018.06 农业信息化
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图3 圆形喷灌机冬小麦灌溉场景
可通过设置电磁阀的开启、关闭以及一
定时间内的开启或关闭占空比，获得任
意喷头的不同工作状态，最终实现对喷
头特定灌溉区的变量灌溉。因此，大型
喷灌机变量灌溉中应用定位系统非常重
要。图3、图4分别为圆形喷灌机灌溉冬
小麦的工作场景以及安装的喷头。
图4 电磁阀控制的变量灌溉喷头
至85%左右。近年来，北斗卫星导航系
统逐渐应用于精准农业，为圆形喷灌机
尾枪的准确定位和控制，实现地块四角
特定区域的有效灌溉提供了技术支撑。
中国农业大学和中农智冠(北京)科技有
限公司联合开发了一套基于北斗技术的
圆形喷灌机尾枪定位系统， 该系统应用
北斗卫星定位技术和RTK实时动态定位
技术实现尾枪的高精度定位，精度可达
药）。为了实现大型喷灌机行走方向的导
航，喷灌控制器实时接收定位信息，与圆
形喷灌机结构、参数设置、工作状态信息
等进行综合计算，获得喷灌机的准确位置
及行走速度。应用北斗定位技术和喷灌机
控制系统，通过反馈控制大型喷灌机各塔
架车轮的前进速度和方向，实现喷灌机正
反向运行和不同的运行速度。
２ 工作原理
３ 应用实例
北斗定位系统在大型喷灌机精准水
肥管理的应用主要表现在行走方向的导航
与特定地缘点位置识别两方面。通常大
型喷灌机精准水肥管理定位控制精度要
求为±20cm（灌水施肥）、±10 cm（喷
圆形喷灌机工作时经常在喷灌机悬
臂末端安装尾枪，当喷灌机旋转至地块
四角某个位置时打开尾枪，而离开另一
个位置时关闭尾枪，使地块灌溉率扩大
10cm，安装在中国农业大学通州实验站
内。图5为圆形喷灌机尾枪定位系统原理
示意图。
该系统主要由四个部分构成：
（1）GNSS基站接收机：能够同时接受
BEIDOU、GPS、GLONASS、GALILEO
图5 圆形喷灌机尾枪定位系统原理示意图
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农业信息化 2018.06
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图7 北斗移动站
图6 北斗基站
系统信号，而且可以提供高精度基站信
号。通过3G移动网络连接于RTK平台。
北斗基站的现场安装如图6所示。（2）
尾枪控制器：接收移动站定位信息，进
行方位角测算，并通过短程无线将数据
上报至喷灌机控制器。（3）移动站：移
动站通过GPRS网络从RTK平台获得差分
信号，通过串口输出NEMA-0183信息。
该系统中的移动站安装在圆形喷灌机末
跨与悬臂连接的塔盒附近，如图7所示。
（4）喷灌机控制器：安装于喷灌机中心
支轴处，与尾枪控制器通过短程无线进
行连接，通过移动通信网络与Intelirri信
息平台进行数据交互，如图8所示。操作
人员可通过智能手机、笔记本等网络终
端登录Intelirri信息平台，浏览及设置圆
形喷灌机中心支轴处经纬度、地块分区
以及尾枪开闭时的边界方位角。设置完
成后，当圆形喷灌机运行至所设置的地
块分界时能够自动调整机组运行速度、
控制特定喷头电磁阀的开启、关闭及工
作占空比，以及实施机组停机或折返运
行等；当喷灌机运行至所设置的尾枪控
制方位角时，尾枪控制器自动开闭相连
电磁阀或增压泵，实现尾枪喷灌的定点
控制。
圆形喷灌机在水肥一体化应用时不
仅要求机组具有高喷洒均匀性，而且要
求喷灌机主输水管的各喷头喷洒肥液浓
度保持不变。随着尾枪的关闭和打开，
圆形喷灌机的入机流量随之发生变化，
如果注入喷灌机内的肥液流量恒定不
变，则喷头的喷洒肥液浓度就会出现明
显的波动，最终降低机组施肥均匀性。
为此，将施肥控制系统与尾枪定位系统
进行集成 ，在喷灌机入机处安装流量
计，实时采集喷灌机的入机流量，当采
集的流量与系统输入的基准流量出现偏
图8 Intelirri信息平台尾枪设置画面
差时，施肥控制系统会自动调节内置的
变频器输出，通过调节注肥泵电动机的
电源频率，从而调整注肥流量，使之随
动于喷灌机入机流量变化，确保喷灌机
喷头的喷洒肥液浓度不变。
施肥控制系统由采集器和控制器组
成，总体控制方框图如图9所示。采集器
以ARMCortex-M3为主要核心，用于采
集流量传感器信号，并通过RS232串口发
送到控制器，完成信息传递。控制器基
于Win CE6.0操作系统，以ARM920T作
为控制核心，用户可以通过液晶屏对初
始信息进行设置，并通过RS485接口向
变频器发送控制命令，从而控制注肥泵
的转速，达到调控注肥流量的目的；此
图9 施肥控制系统总体结构框图
2018.06 农业信息化
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外，通过串口还可向喷灌机百分
率计时器发送指令，以控制喷灌
机的运行速度，完成水肥一体化
作业。
圆形喷灌机变量施肥系统
总体装置如图10所示。从多次田
间喷灌施肥均匀性试验结果来
看，圆形喷灌机尾枪关闭和打开
时，所有喷头喷洒肥液电导率计
算得到克里斯琴森均匀系数 为
98.2%~99.2%，电导率变异系数
为0.9%~2.1%。相比于一般圆形喷
图10 圆形喷灌机变量施肥系统总体装置实物图
灌机灌溉系统，具备尾枪定位功
能后，不仅有效扩大了地块四角
的灌溉面积，而且实现了高均匀
度的灌溉施肥。
在我国西北、东北等地区，
土地集中连片，对多台喷灌机进
行群控可极大方便农户操作，降
低运行管理成本。仅通过单频北
斗定位模块，即可以满足实时演
算喷灌机的运行方位需求，为实
时显示喷灌机灌溉、施肥状态以
图11 宁夏同心县喷灌机群控机组
及农作物收割等情况下的移机调
度提供了非常直观的参考。 图11
给出了宁夏同心县某农户8台喷灌
机运行控制界面，图12给出了内
蒙古海拉尔农垦某农场18台喷灌
机运行界面。而对于无法全圆运
行或相邻喷灌机存在灌溉重叠的
喷灌机组，需要具备定点折返、
停机、自动避让等功能，通过北
斗定位也可以得到很好解决。
图12 内蒙古海拉尔农垦喷灌机群控机组
[引用信息] 严海军，王春晔，李茂娜.北斗
定位系统在大型喷灌机精准水肥管理的应
用[J]. 农业工程技术，2018，38(18):93-
96.
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北斗定位系统
在大型喷灌机精准水肥管理的应用
文/ 严海军
1
，王春晔
2
，李茂娜
1
（1.中国农业大学，2.中农智冠(北京)科技有限公司）
摘要：
导航定位系统是实现大型喷灌机精准水肥管理的基础。本文阐述了北斗系统在大型喷灌机精准作业中的应用背景和工作原理，
分别介绍了圆形喷灌机尾枪定位系统和基于北斗系统的喷灌机运行管理实例。实践证明，北斗系统具有高精度、低成本等特点，在大
型喷灌机精准定位管理中具有良好的应用前景。
关键词：大型喷灌机；北斗系统；精准水肥管理；精准定位
战略驱动下，人们开始研究精准水肥管
北斗在圆形喷灌机中的应用。在国外，
单台圆形喷灌机控制面积在500~1000亩
左右，而国内多数控制面积在200~500
亩左右。在实际应用的过程中经常遇到
两个问题：（1）如果喷灌机灌溉地块内
种植多种作物品种，种植地块尺寸又大
小不一，则灌溉地块呈现出图1所示的形
状。（2）为了解决地块四个角无法灌溉
的问题，国外在圆形喷灌机最末跨后增
加了地角臂系统和尾枪，有效解决了漏
灌问题，如图2所示。解决上述两个问题
都需要圆形喷灌机能够实时地对机组和
灌溉地块进行精准定位。
１ 应用背景
随着国家不断推进农业结构调整和
土地流转进度，越来越多的土地集中连片
种植与集约化、规模化经营，由地形、坡
度、土壤物理特性等变化引起的作物生长
与产量空间变异问题将不可避免。沿用传
统的统一田间管理模式，有可能造成农田
局部灌溉施肥过量或不足，不仅造成资源
和能源浪费，降低水肥利用效率，而且还
可通过径流和深层渗漏对地表和地下水造
成污染。因此，在水资源短缺和环境保护
理，根据农田地块的位置属性、物理化学
空间变异和作物的生长需求，制定特定的
灌溉施肥处方，实现作物水分和养分的高
效管理，达到作物高产与水氮利用效率最
大化的目标。
大型喷灌机（圆形喷灌机和平移
式喷灌机）作为适应规模化、集约化生
产的高效节水灌溉机组，具有单机控制
面积大、自动化程度高、适用性强的优
点，已成为精准水肥管理的最佳执行平
台。在大型喷灌机的应用面积中，圆形
喷灌机要占到90%以上，因此将主要介绍
图1 不同灌溉需求和形状的地块
作物精准水肥管理首先需要快速、
准确地确定地块形状边界等地理信息，
其次要实时采集地块水分养分等和作物
图2 圆形喷灌机地角臂系统
整喷灌机行走速度、改变喷头工作数目
及工作时间，对作物进行精准变量灌溉
施肥。每个喷头由对应的电磁阀控制，
的生长信息，根据已知的作物不同生
育期的需水需肥规律，制定出特定地块
和作物的灌溉施肥处方，最后通过调
作者简介：严海军，男，1974年5月出生于浙江鄞县，工学博士，教授，博士生导师，主要从事喷微灌理论与技术、节水灌溉装备研发方面的研究，中国农业大学
水利与土木工程学院院长，兼任农业节水与水资源教育部工程研究中心副主任、北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心副主任。
2018.06 农业信息化
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93
A
pplication case
应用案例
图3 圆形喷灌机冬小麦灌溉场景
可通过设置电磁阀的开启、关闭以及一
定时间内的开启或关闭占空比，获得任
意喷头的不同工作状态，最终实现对喷
头特定灌溉区的变量灌溉。因此，大型
喷灌机变量灌溉中应用定位系统非常重
要。图3、图4分别为圆形喷灌机灌溉冬
小麦的工作场景以及安装的喷头。
图4 电磁阀控制的变量灌溉喷头
至85%左右。近年来，北斗卫星导航系
统逐渐应用于精准农业，为圆形喷灌机
尾枪的准确定位和控制，实现地块四角
特定区域的有效灌溉提供了技术支撑。
中国农业大学和中农智冠(北京)科技有
限公司联合开发了一套基于北斗技术的
圆形喷灌机尾枪定位系统， 该系统应用
北斗卫星定位技术和RTK实时动态定位
技术实现尾枪的高精度定位，精度可达
药）。为了实现大型喷灌机行走方向的导
航，喷灌控制器实时接收定位信息，与圆
形喷灌机结构、参数设置、工作状态信息
等进行综合计算，获得喷灌机的准确位置
及行走速度。应用北斗定位技术和喷灌机
控制系统，通过反馈控制大型喷灌机各塔
架车轮的前进速度和方向，实现喷灌机正
反向运行和不同的运行速度。
２ 工作原理
３ 应用实例
北斗定位系统在大型喷灌机精准水
肥管理的应用主要表现在行走方向的导航
与特定地缘点位置识别两方面。通常大
型喷灌机精准水肥管理定位控制精度要
求为±20cm（灌水施肥）、±10 cm（喷
圆形喷灌机工作时经常在喷灌机悬
臂末端安装尾枪，当喷灌机旋转至地块
四角某个位置时打开尾枪，而离开另一
个位置时关闭尾枪，使地块灌溉率扩大
10cm，安装在中国农业大学通州实验站
内。图5为圆形喷灌机尾枪定位系统原理
示意图。
该系统主要由四个部分构成：
（1）GNSS基站接收机：能够同时接受
BEIDOU、GPS、GLONASS、GALILEO
图5 圆形喷灌机尾枪定位系统原理示意图
94
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农业信息化 2018.06
A
pplication case
应用案例
图7 北斗移动站
图6 北斗基站
系统信号，而且可以提供高精度基站信
号。通过3G移动网络连接于RTK平台。
北斗基站的现场安装如图6所示。（2）
尾枪控制器：接收移动站定位信息，进
行方位角测算，并通过短程无线将数据
上报至喷灌机控制器。（3）移动站：移
动站通过GPRS网络从RTK平台获得差分
信号，通过串口输出NEMA-0183信息。
该系统中的移动站安装在圆形喷灌机末
跨与悬臂连接的塔盒附近，如图7所示。
（4）喷灌机控制器：安装于喷灌机中心
支轴处，与尾枪控制器通过短程无线进
行连接，通过移动通信网络与Intelirri信
息平台进行数据交互，如图8所示。操作
人员可通过智能手机、笔记本等网络终
端登录Intelirri信息平台，浏览及设置圆
形喷灌机中心支轴处经纬度、地块分区
以及尾枪开闭时的边界方位角。设置完
成后，当圆形喷灌机运行至所设置的地
块分界时能够自动调整机组运行速度、
控制特定喷头电磁阀的开启、关闭及工
作占空比，以及实施机组停机或折返运
行等；当喷灌机运行至所设置的尾枪控
制方位角时，尾枪控制器自动开闭相连
电磁阀或增压泵，实现尾枪喷灌的定点
控制。
圆形喷灌机在水肥一体化应用时不
仅要求机组具有高喷洒均匀性，而且要
求喷灌机主输水管的各喷头喷洒肥液浓
度保持不变。随着尾枪的关闭和打开，
圆形喷灌机的入机流量随之发生变化，
如果注入喷灌机内的肥液流量恒定不
变，则喷头的喷洒肥液浓度就会出现明
显的波动，最终降低机组施肥均匀性。
为此，将施肥控制系统与尾枪定位系统
进行集成 ，在喷灌机入机处安装流量
计，实时采集喷灌机的入机流量，当采
集的流量与系统输入的基准流量出现偏
图8 Intelirri信息平台尾枪设置画面
差时，施肥控制系统会自动调节内置的
变频器输出，通过调节注肥泵电动机的
电源频率，从而调整注肥流量，使之随
动于喷灌机入机流量变化，确保喷灌机
喷头的喷洒肥液浓度不变。
施肥控制系统由采集器和控制器组
成，总体控制方框图如图9所示。采集器
以ARMCortex-M3为主要核心，用于采
集流量传感器信号，并通过RS232串口发
送到控制器，完成信息传递。控制器基
于Win CE6.0操作系统，以ARM920T作
为控制核心，用户可以通过液晶屏对初
始信息进行设置，并通过RS485接口向
变频器发送控制命令，从而控制注肥泵
的转速，达到调控注肥流量的目的；此
图9 施肥控制系统总体结构框图
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A
pplication case
应用案例
外，通过串口还可向喷灌机百分
率计时器发送指令，以控制喷灌
机的运行速度，完成水肥一体化
作业。
圆形喷灌机变量施肥系统
总体装置如图10所示。从多次田
间喷灌施肥均匀性试验结果来
看，圆形喷灌机尾枪关闭和打开
时，所有喷头喷洒肥液电导率计
算得到克里斯琴森均匀系数 为
98.2%~99.2%，电导率变异系数
为0.9%~2.1%。相比于一般圆形喷
图10 圆形喷灌机变量施肥系统总体装置实物图
灌机灌溉系统，具备尾枪定位功
能后，不仅有效扩大了地块四角
的灌溉面积，而且实现了高均匀
度的灌溉施肥。
在我国西北、东北等地区，
土地集中连片，对多台喷灌机进
行群控可极大方便农户操作，降
低运行管理成本。仅通过单频北
斗定位模块，即可以满足实时演
算喷灌机的运行方位需求，为实
时显示喷灌机灌溉、施肥状态以
图11 宁夏同心县喷灌机群控机组
及农作物收割等情况下的移机调
度提供了非常直观的参考。 图11
给出了宁夏同心县某农户8台喷灌
机运行控制界面，图12给出了内
蒙古海拉尔农垦某农场18台喷灌
机运行界面。而对于无法全圆运
行或相邻喷灌机存在灌溉重叠的
喷灌机组，需要具备定点折返、
停机、自动避让等功能，通过北
斗定位也可以得到很好解决。
图12 内蒙古海拉尔农垦喷灌机群控机组
[引用信息] 严海军，王春晔，李茂娜.北斗
定位系统在大型喷灌机精准水肥管理的应
用[J]. 农业工程技术，2018，38(18):93-
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