無線傳感器網絡與水肥一體化技術＊

黃炳霖，慕嘉偉，徐夢穎，楊瑞，查志華

無線傳感器網絡與水肥一體化技術＊

黃炳霖，慕嘉偉，徐夢穎，楊瑞，查志華

（石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

伴隨經濟的發展，中國現代農業與現代電子技術相結合越發成為一種趨勢。但是現階段中國現代農業系統基本直接使用其他國家的系統，造成這些設備沒法適應中國的農業技術需要。迎合農業技術和電子技術結合的趨勢，將無線傳感器網絡與水肥一體化結合起來，自主研發一種系統以適應中國農業的需要。

WSN；無線傳感網路；水肥一體化技術；水肥一體化智能澆灌系統

放眼全球農業節能澆灌技術在當代的發展現狀，很容易發現電子澆灌這種節能澆灌技術在全球范圍的推廣進度不大相同。很多西方國家早些年便完全普及了農業上的電子節能澆灌，并且對農業澆灌技術擁有十分模式化的使用方法。可以說，國外在這方面暫時領先于中國。

1 中國水肥一體化技術的推廣

1.1 相關設施少見

由于經歷了許多年的技術改進和發展，到現在對于大型農田電子澆灌技術的應用主要還是噴灌輔助滴灌的澆灌方式，莊稼生長需求的水分與肥料的量幾乎全部取決于栽培員集聚長久的工作經驗，就算是經過了有關科學家的交流學習，完成這些操作依然需要栽培員自身的經驗[1-2]。如果想要準確掌握每時每刻澆灌與施肥的數量，就一定要使用相適合的農業土壤監測設施。然而，目前中國相關的監測設施十分稀有。

1.2 技術推廣困難

中國與國外的土壤環境并不相似，因此對于澆灌施肥的方式有許多不同之處，而中國此前推廣的現代電子澆灌技術多是借鑒先進國家比較受歡迎或者影響巨大的事例，對于基建設施電磁閥門，傳感器的選用也幾乎全是沿用那些農業發達的先進國家。但是中國地大物博，不能保證每種澆灌模式都可以適用于中國的實際情況，所以大范圍推廣現代電子澆灌技術較為困難。

1.3 硬件設施成本過高

在近些年，中國在發展農業的方面上下了很大功夫，“智慧農業”進展十分迅速，由中國自主生產的基建設施也越來越多地使用在了各地農業基地[3-4]。可是現階段原材料的成本依然過高，這就導致在某些時候中國企業生產的設備價格要更貴，并且中國農業發展不夠好，經濟利潤較低，種植者便可能在購買基建設施時考慮更多，這在一定程度上阻礙了電子澆灌技術的推廣。

2 關鍵技術介紹

2.1 WSN（無線傳感器網絡）

WSN是近些年提出的新技術，WSN通過一種創新的想法和實用的技巧處理了農業發展過程中遇到的各種有關信息采集與數據處理方面的難題，并且補足以前守舊的數據監控手段上的漏洞[5-6]。實際應用中，無線傳感器網絡能每時每刻地匯報給操作者土壤當時的生物生態數據等操作者需要的信息，協助操作者盡快找到突發狀況并有能力非常精確地了解出現錯誤的位置，以此協助操作者擬定最貼合實際情況的處理方法，讓農業生產從以前的憑借單一設施、以勞動者為關鍵的生產方式變化成依據信息與電腦相結合為關鍵的生產方式，有大量的信息網絡化裝置加入并同時應用，農業數據化、智慧化達到了大面積的實行。當今普遍使用的較為實用的無線傳感器網絡大致包含以下幾個模塊：無線傳感器節點、集合節點、控制中樞。任意一個節點都具有一定的信號傳送本領，然而它的傳送距離非常局限，因此要使用匯集節點模塊，匯集節點有能力把各單個節點發送的有關數據進行集合處理，在之后將處理后的數據一起傳送給遠程控制系統。在這個無線傳感器網絡結構里，傳感器節點模塊和控制節點模塊彼此協作，完成規定范圍內測量數據信息的收集與輸送，并在最后將已經處理好的匯總數據借由無線傳感網絡傳送到總控制中心[7]。

所有的節點模塊大多通過直流電供電的方法，在以前通常是以蓄電池充當電源，并且在傳感器系統內節點數量不多的情形中，借由技術升級節點軟硬件降低能耗的方式允許網絡系統整體的運作周期持續到全年[8]。

可是現在傳感器網絡的組成中需要部署的節點數目日益增多，通過蓄電池充當電源完全不能滿足整個系統的能源需求，頻頻更替各個節點的蓄電池在浪費時間浪費人力的同時，在現場的實際工作里也非常煩瑣[9]。如果某一節點需要的能源無法滿足其需求，此節點的信息采集與發送以及基本的路由功能全部會停止運行，這樣會無法保證此傳感器網絡系統的準確與穩定，同時使此傳感器網絡的工作周期急劇縮短。但顯然如今，光能等新興能源的快速發展完美地克服了這個難題，技術人員在構筑節能、功能豐富、節點數目多、耗能較大的現代農業節水澆灌系統時，無線傳感器網絡依然是首要選擇的信息傳輸方式。

2.2 水肥一體化技術

水肥一體化技術早先是通過滴灌技術在農業澆灌方面一點點的實際應用改進發展而形成的。滴灌技術的發明讓農業方面的灌溉技術發生了轉變，它在一定界限里滿足了按量按需分配水肥的需求。對于中國來說，滴灌是中國傳統農業漫灌灌溉方式向現代農業節水灌溉方式改變的標志，同時是自1900年以后全球農業灌溉領域的革新突破。現在經常運用的水肥一體化技術是通過滴灌管道和滴灌滴頭把符合土壤作物需要的肥料調制成合適的施肥液，再把施肥液和灌溉水一并導入可控的灌溉系統中，通過管道按時按量，有計劃地運送到莊稼根系臨近的泥土里，讓它在發育的過程中保持土壤的酥軟，保證含水量和微量元素含量[10]。

3 無線傳感網絡水肥一體化系統的設計

本系統更多地對于新疆地區莊稼的種植特性、當地土壤環境條件、當地在陪著技術發展水平等來進行考證研究和系統設計。此系統在應用時應符合以下性質。

3.1 適用性

莊稼是水肥一體化澆灌系統的適用對象與作用關鍵，莊稼發育情況的好與壞是檢測此系統有無使用價值的單一準則。本系統應該可以同時進行一整塊田地或多塊田地的可控制澆灌施肥，并且可以滿足與多種不同品種莊稼在不同生長時段對水分和肥料的需要。

3.2 高度兼容性

新疆地區及周邊地區地屬沙漠氣候，春季較為干燥，多風沙，而夏季時而會有暴雨洗禮，此系統在硬件設施的外型設計與材料的耐久度的選則上需要更加嚴謹。在各個零件之間應實現更好兼容，最大限度地削減由于溫、濕度等特殊環境或自然災害造成個別裝置的老損，和因為這樣的原因而造成的有關裝置靈敏度降低的問題。

3.3 安全穩定性

該智能系統擬選用擁有閃存存儲器的PLC控制器和可觸摸液晶顯示屏，在擁有該種穩定的閃存存儲器之后，就算遭遇電源供給不足抑或電源電壓下降和人為斷電等特殊狀況，也并不能使系統損壞，造成內部重要參數設置、施肥澆灌程序設置以及已儲存的有關土壤的環境數據等關鍵信息的遺失。

3.4 實用易操作性

此系統的操作UI界面應采用更加簡單易懂的布局，更多地考慮人性化設計，使更多受教育程度低的使用者也可以在更短的時間里知曉操作并實際操作，這更適合廣大農民的實際情況。

4 總結

水肥一體化智能澆灌系統的普及對中國農業發展意義重大，在針對中國傳統澆灌系統問題的探究后，本文提出了一種運用WSN的智能化澆灌方法，旨在為廣大科研工作者提供一些新思路，以便推進中國水肥一體化智能澆灌系統的普及進程。

［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.

S625

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.056

2095－6835（2019）17－0121－02

黃炳霖（1998—），男，遼寧遼陽人，本科，研究方向為電子信息工程。

查志華（1978—），女，江蘇漣水人，研究生，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〕