物聯網技術在現代農業節水灌溉中的應用研究＊

王連勝，夏冬艷，汪 源，丁學用

（1.三亞學院 理工學院，海南 三亞 572022；2.三亞學院 財經學院，海南 三亞 572022）

1 概述

物聯網的概念是在1999年提出的。當時基于互聯網、RFID技術和EPC標準，在計算機互聯網的基礎上，利用射頻識別技術、無線數據通信技術等構造了一個實現全球物品信息實時共享的實物互聯網“Internet of things”（簡稱“物聯網”）。2009-08，溫家寶總理在政府工作報告中提出“感知中國”，至此，物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，而物聯網在我國也受到了極大的關注。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網具有廣泛的應用前景，在軍事國防、城市管理、家庭醫療、電子商務、智能交通和環境監測等領域有很大的優勢。目前，物聯網技術在農業領域的應用發展很快，已成為加快發展農業現代化的重要途徑，是農業工程研究的熱點和難點。物聯網技術應用于農業工程中的節水灌溉領域可以方便勞作者對農業灌溉的管理，通過物聯網技術搭建的信息平臺可以與外界進行信息交流，從中獲得先進的農業節水灌溉方式，改變傳統落后的農業灌溉方式，大大提高農業生產效率。

2 物聯網

物聯網就是將傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將物聯網與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合。在這個整合的網絡當中，存在能力超級強大的中心計算機群，它能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施進行實時的管理和控制。物聯網要實現物物通信，就必須要對物體上的信息進行準確、實時的監測、采集，并將其傳輸到終端上。而對于信息的感知，可以采用2種方法：①利用RFID射頻技術在感知對象上貼上標簽，以對信息進行識別和采集，并將信息傳送到RFID系統中的計算機信息管理系統中；②將傳感器節點嵌入到需要關注和采集信息的地點或物體中，通過具有傳感、信號處理的無線信息采集節點、匯聚節點將數據傳到網關，再借助Internet、移動通信網絡、衛星等與監控中心通信[1-2]。

3 基于物聯網的現代農業節水灌溉系統結構體系

3.1 系統網絡構架

針對現代農業灌溉環境，基于物聯網的現代農業節水灌溉監測體系是一種基于傳感器、控制、嵌入式計算機和通信等技術的監測系統。該系統主要分為3個網絡層：監測信息采集及控制終端，即網絡感知和控制層，監測數據傳輸層，數據終端處理層。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框架圖

3.2 網絡感知和控制層

土壤水分是植物水分的直接來源，是農業生產中必不可少的土壤信息之一，植物吸收土壤中的水分、有機質等營養物質來生長。土壤水分含量對植物生長有直接的影響，同時，土壤水分和養分也是植物自然生長條件中可以人為調控的2個重要因素，因此，土壤水分監測在農業節水灌溉決策中具有重要的現實意義。

網絡感知和控制層主要是通過數據對土壤水分進行量化。分布在監測控制區內每個角落的傳感信息節點定時監測監測區域的土壤水分，并將采集到的信息在節點內進行初步處理后，沿著其他節點逐步傳送到匯聚節點，匯聚節點通過無線通信技術將數據傳送到網關。網關通過Internet或專用數據傳輸線將信息傳送至監控中心，監控中心對信息進行處理分析，并根據有關決策發出控制命令，以控制相應的灌溉設備開啟或關閉[3-4]。監測和控制節點的結構如圖2所示。

圖2 監測和控制節點結構圖

在土壤水分信息感知方面，主要的傳感器有FDR型和TDR型，即頻域型和時域型。目前，比較流行的是FDR型。FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數，從而得到土壤容積含水量。FDR具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程和少標定等優點，是一種值得推薦的土壤水分測定儀器。當前，FDR型土壤濕度傳感器主要有NHSF48土壤水分傳感器（圖3）、NH148土壤溫濕鹽分一體傳感器（圖4）、NHSF50土壤水分傳感器（圖5）、NHCS650 NHCS655土壤水分溫度電導率傳感器（圖6）和Hydra土壤溫度水分鹽分傳感器（圖7）等型號。

圖3 NHSF48土壤水分傳感器

圖4 NH148土壤溫濕鹽分一體傳感器

圖5 NHSF50土壤水分傳感器

圖6 NHCS655土壤水分溫度電導率傳感器

圖7 Hydra土壤溫度水分鹽分傳感器

圖8 CC2530微處理器模塊

在微處理器方面，可以選用CC2530。CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SOC）解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程閃存、8-KB RAM 和許多其他強大的功能，它具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統。而運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。CC2530F256結合德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案；CC2530F64結合德州儀器的黃金單元RemoTI，提供了一個強大和完整的ZigBee RF4CE遠程控制解決方案。CC2530微處理器模塊如圖8所示。在灌溉設備控制方面，可以選用繼電器控制灌溉設備的通電和斷電，也可以采用電磁閥控制管道水的流通和關閉。

3.3 數據傳輸層

這層的功能是將匯聚節點傳輸來的信息，通過無線通信技術傳送至網關，并結合合理、有效的路由協議和網絡安全協議，將數據安全、可靠地傳輸到控制中心。

農業物聯網信息無線傳輸與工業差別比較大，農作物生長環境復雜，不僅氣候對無線通信有影響，而且隨著作物生長狀況的不斷變化，也容易對無線傳輸產生嚴重的影響。農業信息獲取在時效性上要求不高，傳輸過程中的稍許延時對農業生產的影響不大。農業物聯網的無線通信技術主要包括ZigBee技術、WiFi網絡、GPRS和藍牙等傳輸方式[3-10]。

ZigBee技術具有功耗低、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性、安全性好和實現成本低等特點，在工業控制、家庭自動化和農業自動化等領域被廣泛應用。ZigBee技術在短距離、低傳輸速率的農業物聯網手持式儀器、無線傳感器網絡信息采集節點等信息的傳輸方面也得到了廣泛應用[3-10]。

WiFi無線傳輸技術充分利用現有的WiFi網絡資源，有效地延長了無線網絡的通信距離，擴大了覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強、傳輸帶寬寬、傳輸速度快和標準化等優點，使得WiFi無線傳輸技術在國內外被廣泛應用于智能工業、智能家居和精細農業等領域[3-10]。

GPRS是一種分組數據承載業務，它具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸和自如切換等優點，被廣泛應用于手持式儀器設備和農業物聯網等領域。GPRS無距離限制，但需要通信費用[3-10]。

藍牙無線傳輸技術是一種短距離無線通訊技術，帶藍牙功能的設備之間可以通過藍牙連接起來，傳輸速度可以達到1 MB/s，而且不容易受到外界干擾源的影響，使用的頻譜在各國都不受限制。因此，藍牙無線傳輸技術在農業物聯網系統中的應用潛力比較大[3-10]。

這4種作為物聯網常用的通信方式各有特點，在不同的應用場景下可以發揮各自優勢，揚長避短，同時，也可以將這4種通信方式組合起來，達到高效、遠程傳輸的目的。4種通信方式的性能對比情況如表1所示。

表1 4種常用無線通信技術性能對比

從發展和實際使用的角度講，ZigBee因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強和抗干擾能力強等優勢，將會成為農業物聯網系統傳輸層的重要媒介，也將成為農業物聯網傳輸層的重要研究方向之一。對于網關的具體硬件實現可以采用圖8所示的CC2530模塊。

3.4 數據終端處理層

數據終端處理層是傳輸信息的終端，即控制終端。系統的監測中心將收集到的數據進行處理，并將數據傳送至監控平臺。此時，用戶根據所獲得的土壤濕度信息數據和有關決策確定是否發送開啟灌溉設備的命令。同時，控制終端將數據采集終端采集到的經無線網絡傳輸來的數據存儲到數據庫中，人們要想了解農作物生長環境的土壤濕度參數，就要去數據庫中提取。為了方便，可簡化讀取數據，在控制終端上設計可顯示界面編程，使人們更加直觀地完成操作管理。

4 創新驅動形勢下趨勢分析與展望

4.1 軟件和服務成為核心

在互聯網+時代，軟件和服務將成為未來智能農業節水灌溉系統的核心，農民可以不用完全掌握有關農業灌溉的技術，而通過信息的推送和專業的服務直接獲得決策信息，實現真正的硬件操作“傻瓜化”向軟件決策服務“傻瓜化”過渡。同時，用戶不需要類似于電腦和服務器的硬件設施投入以維持自身監控系統的完整性，利用發達的物聯網技術便可以感知農業生產中的各種數據，通過云平臺的專業決策服務為用戶的智能手機終端直接推送信息，為用戶節約了大量的成本，用戶可以像購買水電服務一樣購買資源和服務，而不需要自己擁有這些資源[9-10]。

4.2 大數據加連接

對于傳統農業信息化建設，政府、企業、基地都做了大量的工作，收集了大量的基礎數據，但無論從區域角度，還是從應用主體角度，由于沒有連接，數據都沒有被有效利用，信息孤島化的情況普遍存在。隨著農業物聯網獲取數據的廣度、深度和密度的不斷增加，農業數據將實現充分連接和共享，利用數據挖掘技術，可以更加宏觀和全面地發掘農業生產和管理規律，實現數據的增值。針對農業節水，全面、完整的大數據分析可實現對水資源分布、提、引、輸、灌、排等用水信息和地塊、種植類型、灌溉方式等農事信息的全方位掌握，根據這些信息可以對用水主體用水過程中存在的問題提出更加合理的解決方案[9-10]。

4.3 利用關聯關系，決策到預測轉變

農業需水信息的決策取決于作物生理信息、氣象信息和遙感信息等多種因素，這充分體現了灌溉決策中的關聯關系。在農業節水中，蒸發蒸騰量的灌溉決策方法，就是利用關聯關系數據進行需水信息預測的典型例證[11]。未來關聯信息將更加廣泛，比如區域水文水利基礎信息、水資源配置信息、區域種植類型及地塊分布、局部氣象信息等?；谏鲜鲂畔ξ磥磙r業用水、灌溉計劃的預測，不僅有利于對水資源的合理優化配置，實現真正的“以水定地、以水定產”，也有利于抗旱減災的提前防范，減少事后損失[9-10]。

5 結束語

物聯網技術為現代農業節水灌溉系統從示范到具體應用搭建了一個很好的系統框架。本文簡要介紹了物聯網的相關內容，而后搭建了基于物聯網的現代農業節水灌溉系統架構，并重點分析和研究了系統中各個網絡層次功能、特性以及各種有關監測技術，對未來發展趨勢進行了討論。將物聯網技術實際應用于現代農業節水灌溉，會有效減少水資源的浪費，對保證農業生產穩定、提高農業生產效率有重要影響。

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