智慧農(nóng)業(yè)視角下無(wú)線通信技術(shù)在灌溉中的應(yīng)用

（河南工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000）

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在轉(zhuǎn)型的重要階段，灌溉技術(shù)對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)質(zhì)量有重要的影響。目前我國(guó)農(nóng)田灌溉與科技的融合度較低，灌溉技術(shù)陳舊、灌溉效率低是我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的主要問(wèn)題。因此，在智慧農(nóng)業(yè)視角下，研究無(wú)線通信技術(shù)在灌溉中的實(shí)踐應(yīng)用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)灌溉的研究

1.1 國(guó)外關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)灌溉的研究

國(guó)外關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)灌溉的研究做得較為出色的是美國(guó)、以色列，農(nóng)業(yè)灌溉在無(wú)線通信技術(shù)的幫助下已逐漸實(shí)現(xiàn)智能化，降低了人們?cè)诠喔戎械膭趧?dòng)成本、時(shí)間成本。在農(nóng)業(yè)灌溉智能化較為先進(jìn)的國(guó)家中，相關(guān)技術(shù)灌溉功能十分豐富，美國(guó)的雨鳥(niǎo)（Rain Bird）公司已經(jīng)針對(duì)農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)發(fā)明了130多項(xiàng)聯(lián)邦專(zhuān)利，生產(chǎn)了4 000多種噴灌和微灌設(shè)備，根據(jù)具體的應(yīng)用出品了IQ-Cloud智能管理軟件，便于用戶(hù)在不同平臺(tái)、設(shè)備和地點(diǎn)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。以色列作為中東地區(qū)的國(guó)家，土壤沙化的問(wèn)題較為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)側(cè)重于開(kāi)源節(jié)流，一些農(nóng)業(yè)技術(shù)設(shè)備公司的產(chǎn)品研發(fā)，均十分重視灌溉產(chǎn)品中節(jié)水功能的開(kāi)發(fā)與其他設(shè)備功能的兼容性，在灌溉技術(shù)上實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化的智能灌溉系統(tǒng)[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)線通信技術(shù)灌溉的研究

20世紀(jì)50年代，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備，這些技術(shù)和設(shè)備在20世紀(jì)90年代得到了廣泛的應(yīng)用。與國(guó)外相比，我國(guó)的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)智能化水平較低，我國(guó)未生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)智能化的無(wú)線通信灌溉的產(chǎn)品。目前我國(guó)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的研究取得了一定成果，如無(wú)錫市將智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在水蜜桃郵寄基地，在桃林中安置傳感器和微型氣象站，實(shí)時(shí)采集水蜜桃生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等信息。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水的有效利用率遠(yuǎn)低于歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，且我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用，存在智能化較弱、系統(tǒng)性較差、不及時(shí)等缺陷。現(xiàn)階段，灌溉產(chǎn)品在我國(guó)已得到了更廣泛的應(yīng)用，但設(shè)備儀器間的對(duì)接未脫離人工的監(jiān)測(cè)和操作，設(shè)備的功能仍不夠精密、便捷。

2 智慧農(nóng)業(yè)的研究背景和依據(jù)

在當(dāng)前水資源需求日益增加的背景下，水資源的缺乏會(huì)制約我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐。國(guó)家發(fā)改委、科技部、建設(shè)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、水利部聯(lián)合發(fā)布《中國(guó)節(jié)水技術(shù)政策大綱》明確指出：發(fā)展高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)是國(guó)家的基本戰(zhàn)略，改進(jìn)田間灌水技術(shù)是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重點(diǎn)；鼓勵(lì)應(yīng)用精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)；提倡適時(shí)、適量灌溉；加強(qiáng)農(nóng)作物水分生理特性和需水規(guī)律研究；積極研究作物生長(zhǎng)與土壤水分、土壤養(yǎng)分、空氣濕度、大氣溫度等環(huán)境因素的關(guān)系。水利部于2018年發(fā)布《關(guān)于深化農(nóng)田水利改革的通知》，其中明確提到應(yīng)采取科學(xué)的方式節(jié)約用水及進(jìn)行合理灌溉，實(shí)施水權(quán)改革和水權(quán)交易，開(kāi)發(fā)地下水資源，為我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的管理、科學(xué)節(jié)水灌溉提供支持和依據(jù)[2]。

3 無(wú)線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 實(shí)踐應(yīng)用目的

通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的不斷深入和精進(jìn)，可以幫助農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)約用水，緩解水資源緊張、農(nóng)田灌溉浪費(fèi)的現(xiàn)象；幫助農(nóng)戶(hù)提高農(nóng)田信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確收集功能、農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量、農(nóng)民智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)操作常識(shí)；加強(qiáng)農(nóng)田作物的灌溉效率，降低無(wú)線通信灌溉技術(shù)的使用和維修成本，使每一個(gè)農(nóng)戶(hù)均愿意且有能力使用無(wú)線通信灌溉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的美好愿景。

3.2 實(shí)踐應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

嚴(yán)格執(zhí)行《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備電動(dòng)或電控灌溉機(jī)械的電氣設(shè)備和布線》（GB/T 18025—2000）、《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備、滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》（GB/T 17187—1997）和《塑料節(jié)水灌溉器材內(nèi)鑲式滴灌管、帶》（GB/T 19812.3—2008）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，依照《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備、滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗(yàn)方法》（GB/T 17187—1997）和《塑料節(jié)水灌溉器材內(nèi)鑲式滴灌管、帶》（GB/T 19812.3—2008）選擇管路、滴頭。

（1）土壤濕度傳感器。測(cè)量范圍：0～100%；測(cè)量精度：±2%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)：＜2 s；工作電壓：DC5 V；工作電流：＜1 mA；工作溫度范圍：-35～75 ℃，密封材料完全防水。（2）溫度傳感器。溫度范圍：-35～75 ℃；精度：±3 ℃；分辨率：0.5 dpi；電源電壓：DC5 V；電流：250 μA（連續(xù)轉(zhuǎn)換模式）、0.1 μA（關(guān)斷模式）（3）光照傳感器。光照范圍：1～200 klx；測(cè)量精度：±5%；光譜范圍：400～1 100 nm（敏感區(qū)域集中在植物生長(zhǎng)所需自然光譜內(nèi)反應(yīng)）；時(shí)間：小于2 s；轉(zhuǎn)換公式：光照=（V/0.01）klx；光照=[(1-4)×200/16]klux；工作電壓：DC5 V；靜態(tài)功耗：1 mA；工作溫度范圍：-35～75 ℃；輸出負(fù)載：100 Ω。

3.3 實(shí)踐應(yīng)用問(wèn)題

無(wú)線通信技術(shù)灌溉設(shè)備的使用需要資金與專(zhuān)業(yè)技術(shù)型人才的支持，普通的農(nóng)戶(hù)沒(méi)有足夠的資金支持，對(duì)灌溉設(shè)備系統(tǒng)功能沒(méi)有詳盡了解。無(wú)線灌溉技術(shù)設(shè)備機(jī)能易產(chǎn)生過(guò)度損耗，在使用過(guò)程中若出現(xiàn)故障，更換新設(shè)備或維修原有設(shè)備的故障均需要耗費(fèi)一定成本，且對(duì)農(nóng)業(yè)耕作造成一定影響。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，需要對(duì)土壤、空氣、水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)匯總[3]。

4 無(wú)線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 調(diào)整無(wú)線灌溉系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)

針對(duì)我國(guó)水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中無(wú)法合理利用的問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)調(diào)整無(wú)線灌溉系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)，適應(yīng)當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展向智能化轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)，一臺(tái)能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)操作的智能設(shè)備應(yīng)同時(shí)符合用戶(hù)、農(nóng)田和內(nèi)部數(shù)據(jù)計(jì)算的要求。首先，應(yīng)充分更新用戶(hù)操作界面中的功能，豐富實(shí)際操作中需要使用的檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、傳感、控制等功能，促使無(wú)線灌溉設(shè)備的用戶(hù)操作更加流暢、便捷。其次，應(yīng)加強(qiáng)無(wú)線灌溉系統(tǒng)的通信功能測(cè)試，避免使環(huán)境的距離、信號(hào)、溫度、濕度、噪聲、氣壓對(duì)檢測(cè)設(shè)備造成影響，干擾檢測(cè)結(jié)果。最后，應(yīng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)的后臺(tái)運(yùn)算功能進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)操作進(jìn)行近期的系統(tǒng)優(yōu)化，加強(qiáng)前段操作對(duì)農(nóng)田監(jiān)測(cè)的控制能力，節(jié)約人力成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田質(zhì)量可視化的智慧型農(nóng)田灌溉[4]。

4.2 無(wú)限灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LoRa技術(shù)的土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是具有推廣前景的一項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)地的環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、智能預(yù)警，掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境狀態(tài)，與自動(dòng)灌溉系統(tǒng)協(xié)作，調(diào)節(jié)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳土壤環(huán)境。LoRa最高的接收靈敏度改善了20 dBm以上，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，降低了功耗；使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，增加了通信距離，提高網(wǎng)絡(luò)效率，消除干擾。

研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gate-way）可并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展系統(tǒng)容量，具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)，能夠促使轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試更為便捷。

LoRa無(wú)線通信灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LoRa無(wú)線通信灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 研究目標(biāo)

（1）監(jiān)測(cè)農(nóng)作物土壤環(huán)境，有效提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率達(dá)到90%以上，在緩解干旱缺水問(wèn)題的基礎(chǔ)上有效減少水資源的消耗。

（2）充分優(yōu)化決策體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出監(jiān)測(cè)結(jié)論，通過(guò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于操作，提供決策流程可視化，使用戶(hù)更全面了解灌溉決策的具體情況，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田作物精準(zhǔn)灌溉，提高農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量20%左右。

（3）分析田間種植環(huán)境對(duì)無(wú)線信道傳播特性的影響，為L(zhǎng)oRaWAN組網(wǎng)模型在不同應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的部署方法提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。

（5）設(shè)計(jì)多種傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可根據(jù)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)、耕作環(huán)境條件的具體情況對(duì)農(nóng)田狀態(tài)進(jìn)行分析，基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)各節(jié)點(diǎn)傳感器進(jìn)行調(diào)試，在操作前段記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，改進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最終得到完整的LoRa網(wǎng)組模型技術(shù)方案。

5 無(wú)線灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望

雖然我國(guó)農(nóng)田糧食生產(chǎn)量已能夠滿(mǎn)足我國(guó)人民的需求，但是作為決定農(nóng)田產(chǎn)量的眾多因素之一，我國(guó)農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)仍處在起步階段。我國(guó)的用水效率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)水資源占全球水資源總量的6%，農(nóng)業(yè)的用水需求不可忽視，因此，應(yīng)提升我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)中灌溉技術(shù)的智能化應(yīng)用。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、信息化、產(chǎn)業(yè)化的步伐逐步加快，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等為智慧農(nóng)業(yè)提供有效支撐，可降低我國(guó)農(nóng)田灌溉的成本，科學(xué)提高農(nóng)田產(chǎn)量，解放農(nóng)村勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)、智能銷(xiāo)售，將農(nóng)業(yè)與我國(guó)當(dāng)前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)有效結(jié)合。

6 結(jié)語(yǔ)

由于農(nóng)業(yè)操作的特殊性和設(shè)備調(diào)試的復(fù)雜性，我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用有所局限，因此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信技術(shù)在灌溉中的智能化應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)結(jié)合灌溉的具體效率，對(duì)設(shè)備的功能進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和測(cè)試，綜合農(nóng)業(yè)灌溉多元需求，使設(shè)備具備自行運(yùn)轉(zhuǎn)能力，完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧型功能，推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧型建設(shè)。