農業物聯網與水肥一體化技術＊

柴林杰，劉寶，周杰

農業物聯網與水肥一體化技術＊

柴林杰，劉寶，周杰

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

在過去的幾年里，中國農業的發展得到了國家和政府的重視。在農業高速發展的背景下，很多問題也慢慢顯露了出來，其中水資源和化學肥料的浪費問題、施肥過后農作物化學物質殘余過量的問題已經嚴重影響了中國農業的進步與發展。為此，將農業生產與信息化技術相結合已經成為了新時代農業發展的趨勢。把物聯網技術更好地應用在水肥一體化中，這對中國的信息化農業發展來說意義重大。

農業物聯網；水肥一體化；滴灌；水肥比例

迄今為止，中國的農業發展已經獲得了顯著的成效。在中國，糧食栽種面積大、糧食產量高等現狀已經滿足了中國人民群眾的溫飽需求。但在果蔬等農產品的產量和品質方面，中國的發展仍落后于西方國家。為了提高中國農業發展的水平，這就需要中國高效地把物聯網技術與農業發展結合起來。糧食、果蔬等作物成長所需要的土壤或空氣中的情況會對最終的產量和品質起到關鍵作用，特別是作物生長環境中的溫濕度、光照和營養成分等要素更是直接決定了農作物生長情況的好壞。利用現代的科學信息技術把物聯網和農業生產相結合，達成一種新穎的水肥一體化處理方式，然后對農作物的生長環境進行實時監測，并將得到的結果傳輸到網絡端供相關人員查詢，再根據網絡端的大數據算法計算出作物最適合生長的環境條件，實現農業生產的信息化處理。在物聯網平臺上實現的水肥一體化技術有著良好的發展遠景，加速了傳統農業向信息化、自動化農業發展的進程。

1 國內外研究現狀

美國是最先發展物聯網技術的國家，這個概念最先由美國麻省理工學院提出。物聯網并沒有明確的含義，在不同的使用場景中，它所代表的意義也是不同的。但不同物聯網技術的基本理論是大致一樣的，它是一個結合了多個技術的綜合平臺，例如通信技術、信息技術、傳感器網絡等[1]。

20世紀50年代以后，歐美的很多國家開始著手發展溫室大棚內農作物的栽種工作，然后大量的實踐推廣[2]。如今，西方國家在信息化農業生產、農作物自動互化管理等方面的技術已經相當成熟。在荷蘭，大棚農作物的生產管理技術在國際上總是走在前沿，他們所發明的溫室大棚信息化管理模式和自動化澆灌設備均得到了其他國家的肯定，并且被大量使用[3]。法國能夠利用天氣傳感器和衛星觀測，提前預知可能會到來的病蟲害，然后提醒群眾采取預防措施[4]。信息化的牲畜養殖管理系統在很多歐美國家已經被大量使用，該系統可以自動完成飼料和水的投喂工作，實時監控動物的健康狀態，并在必要時候進行警示。

國內研究溫室大棚自動化的進程較慢，對農業物聯網技術的研究也相對遲緩[5]。初期的嘗試，因為技術的不完善，沒能被大面積應用。在信息化大棚控制的研究領域里，國內有許多的研究團隊進行著研究工作。也有許多的系統模式被提出，例如藍牙通信智能化的農業控制等。

2 水肥一體化技術

水肥一體化技術的目的在于提高水資源和肥料的利用率，并且精確掌控好量，確保二者的比例合適。實現水肥一體化，需要根據實際的土壤情況和農作物的需要來確定一個合適的比例[6]。按照這個比例將水和化肥混雜在一起，然后通過滴灌帶等運送通道進行施肥工作[7]。為了讓作物的需水量和化肥需求量控制在一個合適的水平，不僅要求根據土壤和作物情況掌握好化肥和水的比例，更需要在施肥時滿足位置準確、區域均勻等特點。

3 農業物聯網技術

物聯網是利用不同類型傳感器把所需物體連在一起的一個綜合平臺，它用到了無線通信技術、網絡信號技術、傳感器網絡等現代化信息技術。歷經了長時間的應用和改良，如今的科技領域慢慢地建立起一套物聯網技術應用體系。

物聯網的體系結構分為三層，依次是感知層、網絡傳輸層和應用層[8]。它是一個巨大并且復雜的現代化數字平臺，其重要特點是能夠對物聯網體系內的物體進行實時監測、信息提取、信息傳達以及對信息處理運用[9]。感知層的基本結構是信息收集模塊、無線通信模塊、信號管理模塊。感知層的作用是通過不同類型的傳感器來收集某個物體的相關信息，將得到的信息數據進行預處理，最后進行信息的傳送；網絡層作為中間的一個層面，需要將感知層發送來的數據信息運輸到應用層，整個物聯網體系結構的數據傳輸以網絡層作為重要媒介。通常用互聯網或移動通信網來實現網絡層的功能，應用層要做的是完成系統層面和應用層面的控制。它管理并對感知層收集到的數據進行一系列的操作，按照不同的要求進行處理，實現了給客戶提供便利的要求。同時，應用層的處理也是物聯網體系的最后操作結果。

4 農業物聯網與水肥一體化技術

本文提出的農業物聯網和水肥一體化結合的模式，能夠給人們提供農產品成長的情況信息，包括土壤的水分、酸堿度、營養成分、空氣的濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等信息，對環境信息化處理然后加以管理控制。實現智能化管理農作物的目的，真正服務于人、便利于人。按照各種農作物的不同成長需要，該模式能做到水肥混雜自動化、自動施肥、自動澆水、溫室遮光簾自動升降、通風口自動開閉等操作，已達到調節適宜生長環境（土壤、空氣、水分等）的目的[10]。

物聯網具有配置簡易、范疇大、可控性強、可信度高等特點。正因如此，該模式被普遍使用在軍事、醫療、家居等領域。對于實際的環境來說，物聯網系統的要求并不高，其后期維修價格和維護難度也不高，極大便利了對環境的研究和分析工作。把物聯網結構體系和水肥一體化相結合，也是其優點的一大應用。本文設計的系統包含土地收集處理裝置、總控制裝置、管理控制裝置、開關系統、云端服務、通信系統等。系統對作物生長土地的各種信息、氣象信息等，可進行自動化處理，也可以根據情況選擇手動處理。利用云端服務平臺，對采集到的信息進行分析處理，并進行一定的操作，必要時也會發出警報提醒人們。

5 總結

農業物聯網與水肥一體化技術相結合在目前來說是較為新穎的一種水肥處理方式，以滴灌等形式可以均勻將混雜后的水肥定量滴在作物根系部分。不僅解決了作物的化肥養分需求，也節約了水資源和化肥資源。在提高水分與化肥的使用效率的同時，也節約了大量的資金成本。此系統可以確保作物對化肥的需求達到目標，并根據實際情況動態調節水分和肥料的混合比例。在農作物的不同生長時期，其對于水分和養分的需求也各不相同，這就需要人工觀察來確定這個數據，這也是該系統需要完善和改進的地方。農業生產的信息化和自動化必將是農業發展的必然趨勢，也是中國農業發展的關鍵所在，但這個過程需要不斷地進行改革和完善。相信將來，中國農業生產的自動化、信息化程度定會走在世界的前列。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技術在農業工程實驗實踐中的應用［J］.現代職業教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在農業工程DSP技術中的實踐研究［J］.現代職業教育，2019（4）：94-95.

［3］周杰，王申，田敏.信息化模式在農業工程DSP技術實踐中的應用［J］.天工，2019（4）：46-47.

［4］盧毅，周杰，萬連城.一種無線傳感器網絡二維目標覆蓋的改進方法［J］.西安電子科技大學學報（自然科學版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，楊景文，馬良，等.基于物聯網的水肥一體化技術［J］.資源節約與環保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.視頻技術在農業工程實踐中的應用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，馬良，楊景文，等.物聯網技術在水肥一體化中的應用［J］.南方農機，2018，49（19）：4，7.

［8］劉寶，向麗，周杰.農業物聯網技術與水肥一體化技術［J］.農村經濟與科技，2018，29（23）：64-65.

［9］萬毅，劉寶，周杰.基于WSN的農業信息研究緒論［J］.科技與創新，2018（22）：88-89.

［10］向麗，劉寶，周杰.基于物聯網的高效滴灌施肥系統［J］.南方農機，2018，49（19）：83，87.

S126；S365

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.026

2095－6835（2019）17－0061－02

柴林杰（1997—），男，新疆哈密人，本科，研究方向為電子信息工程。

周杰（1982—），男，湖南湘鄉人，博士，研究方向為電子信息工程。

國家自然科學基金項目（編號：61662063）；促進與美大地區科研合作與高層次人才培養項目“基于智能優化控制的滴灌施肥技術研究”；石河子大學混合式教學改革專項（編號：BL2017032）；石河子大學研究生教育教學改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

〔編輯：嚴麗琴〕