農業灌溉系統的設計與實現

胡 煒

（懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000）

近年來，我國現代化農業得到了快速發展，在農業安全和生態平衡方面出現了更大的壓力。農業發展的未來面臨新的挑戰，需要提高資源的合理利用效率、切實重視維護生態平衡、注重可持續發展的趨勢。打造現代農業建設的新思想，發展新農業，推進生態文明建設，更需繼承和提高生態循環農業的發展。提高農業產業化、規模化發展需要結合物聯網、大數據和人工智能等高新技術，切實推進智慧農業的發展。“十三五”規劃中涉及到的智慧農業能更好地完成農業科技創新推廣體系建設，還能提高農業和信息技術的結合程度，提升農業生產力水平。《關于印發全國農業現代化規劃（2016-2020年）的通知》提到要提高信息化農業結合的效果，提高物聯網技術和智能設備在農村使用程度，同時還確定了相關的目標，需在2020年將物聯網信息技術作用在農業中的比例提高到17%。

傳統的灌溉方式大多通過人為判斷而非從作物本身的需要和農田的蒸騰量等方面來補充水分，既損耗了大量的人工成本，又嚴重浪費了水資源和肥料，所以，無法滿足新型農業需求。建立在物聯網技術上的智慧農業灌溉系統，采用數據監測技術手段，可深入了解作物需要，從而進行精準灌溉，讓作物獲得更好的生長環境，提高農業生產的智能性，促進農田的精準化管理。

1 智慧農業灌溉系統的總體方案設計

1.1 系統設計要求

我國地域遼闊，南北地區差異較大、氣候不同，作物類型豐富，不同的作物在不同的時期對水分的需求量不同。近些年來，雖然傳統灌溉技術得到不斷發展，現代灌溉技術得到了逐步完善，使得國內的農業灌溉取得了更大的成績，但是當前的農業灌溉仍然不能滿足現代農業發展的需要。為了全方位提高智慧農業灌溉系統的整體效果，就需要智能感知節點、現代化的網絡傳輸技術、控制方式等諸多方面提供支撐。在設計智慧農業灌溉系統時，要結合當前的市場需求，將物聯網等諸多技術結合到系統中成為該系統的最大特點。

1.1.1 實用性

當前國內大部分農民的技術水平相對較低，設計智慧農業灌溉系統，要非常重視實用性的原則。對于智慧農業灌溉系統，需要具備便利的操作，打破地域的限制，實現一人種植萬畝（1畝=0.067 hm2，下同）的局面，大大減少勞動力損耗。

1.1.2 實時性

農業大田相對于大棚環境而言是開放空間，極易受外部影響。因此，要充分結合無線傳輸技術和傳感器技術，實現將農業大田數據傳輸到存儲中心，為此后的處理帶來保障。

1.1.3 記憶性

農業大田需要監測的數據量多，數據存儲要求高，這是實現農田智能化管理的要點。

1.1.4 可靠性

在智慧農業灌溉系統中有效利用無線傳輸和傳感器系統，實現各個傳感采集節點和集控中心數據的雙向交流，這種方式能更好地提升整個灌溉網絡的穩定性和可靠性。

1.1.5 智能化

智慧農業灌溉系統能在人力更少的情況下實現精準灌溉，同時還能滿足作物自身生長的需求，實現用最少的水資源達到最好的灌溉效果。這樣既能讓作物得到更好的生長，同時還減少了水源的損耗，系統也更加智能化。

1.2 系統整體結構設計

該系統主要作用在大面積農田灌溉上，設計初衷是實現農業智慧灌溉。該系統中應用了無線傳輸技術、傳感器技術、數據存儲技術，可實現數據收集、傳輸、存儲、調用、篩選、智能化處理等功能。系統整體結構還包含了數據感知層、數據存儲層、灌溉應用層等很多方面。

1.2.1 數據感知層

在該系統中，數據感知層屬于底層。該層的作用是全方位感知，為系統收集原始數據，需要由無線傳輸技術和傳感技術共同支撐，實現消耗低、效率高、穩定性強、性價比高、操作便利等方面的目的，從技術和科學性能方面為精準灌溉提供根據。這個層面的作用包含傳感器的信息采集、傳遞灌溉指令等，以便實現為農作物精準和高效的灌溉。

1.2.2 無線網絡層

該層包含局域網系統、廣域網系統、互聯網系統。無線網絡層負責傳輸數據，并且與數據感知層緊密結合，繼而收集上一層的傳感器信息并高效地傳遞到數據存儲層，同時將灌溉應用層的決策及時反饋到數據感知層，確保灌溉更高效、更準確。另外，該系統具有極強的穩定性、廣泛性、兼容性等特性，能突破空間的限制，實現作物種植和管理的便利性，還能了解到農田作物的實際情況。

1.2.3 數據存儲層

數據存儲層能為無線網絡層傳輸來的數據做相關的完善和管理工作。一般情況下，數據傳輸層傳輸的數據包含數據感知層的數據、網絡數據庫中的數據、歷史數據庫中的數據等。而該系統數據存儲層和管理中的數據也有具體的類型，其中就包括從農田收集得來的數據以及歷史數據等。

1.2.4 灌溉應用層

灌溉應用層是這個系統中的主要層。該層可以高效、及時、準確地執行數據存儲層所傳遞出來的數據，并且還會根據結果來傳遞指令，從而實現農業大田的自動灌溉。通過智能算法，在灌溉時間、灌溉量、施肥量、灌溉次數、灌溉方法等方面形成指令，并借助無線網絡層傳輸到數據感知層，以此來進行控制，實現智能化控制。

1.2.5 人機交互層

顧名思義，人機交互層就是讓智慧農業灌溉系統和使用者形成交互，在實際的交互中借助于上位機和手機app 來實現，讓使用者自主完成數據的管理。此外，使用者還可以從現實情況出發，重新規劃有關信息內容，如灌溉策略、系統采集數據、系統運狀態等。

1.3 系統功能設計

該系統所包含的功能模塊有實時信息監測子系統、通訊子系統、歷史及實時數據管理子系統、實時灌溉預報及渠系動態配水子系統、閘門監測控制子系統、文件管理子系統等六大模塊。

1.3.1 實時信息監測

信息監測包含了對整個農田區域內的各個類型信息進行布局監測，監測點類型包含田間水層、土壤墑情、渠道水位、氣象信息、作物信息等。

1.3.2 信息通訊

針對監測點的模擬信號進行轉換，將其轉換為數字信號，同時還借助于GPRS技術完成信號的傳輸，并上傳到服務器端口的模塊上。

1.3.3 歷史及實時數據管理

將監測點的數據進行展示。在展示方式上，實時數據要借助于地圖標準和表格來展示，歷史數據借助于折線圖和表格來展示。

1.3.4 實時灌溉預報及渠系動態配水

從各種類型的信息中完成實時灌溉預報，其中就包含天氣預報、參考作物蒸發蒸騰量ET0 預報、田間水層預報和灌水預報。在中國天氣網上獲取天氣預報的數據，將天氣預報數據和2種模型計算ET0，從水平衡原理中得到灌溉預報，根據預報結果設置渠系動態配水，從而建立渠系配水結果表。

1.3.5 閘門監測控制

從渠系配水結果上完成閘門啟閉的控制，并且還要檢測閘門的相關信息，如閘前水位、流量等信息內容。

1.3.6 文件管理

針對系統運行中產生的信息進行管理，如基礎信息、監測信息、預報信息、配水信息等都要以圖表文件的形式下載和打印下來，以便實現灌溉區用水調度的文件管理。

1.4 數據庫設計

從系統功能和信息類別上將數據庫劃分為監測數據庫、決策數據庫、基礎數據庫。其中監測數據庫包括監測點中的歷史數據表、實時數據表、基礎信息表，而基本信息表存儲監測點的地理位置、名稱等內容。決策數據庫包括的內容有歷史天氣預報表、灌溉預報表、渠系配水表。基礎數據庫包含的方面比較多，如灌區工程情況表、用戶信息表、實時灌溉預報、渠系動態配水模型中所需要的基本參數。

2 結語

本文研究的智慧農業灌溉系統的設計與實現是大數據時代基于物聯網技術發展智慧農業的重要環節，能切實推動當代農業的轉型發展。該系統采用物聯網技術，有效連接了農作物灌溉設備和互聯網，借助于數據傳播的媒介實現通訊目的，對灌溉設備實行遠程控制，其目的在于節約水資源，實現科學灌溉的需要。同時，該系統還要借助傳感器來收集和農業灌溉有關的數據信息，從農作物生長的實際情況來完成在線監測，而且還能獲得統計報表，為農民提供適合的灌溉方案，為優化灌溉系統提供了根據。此外，運用物聯網技術為農業灌溉實行環保、節能、高效的一體化管理方式，也能優化人與農業、生態、經濟發展之間的關系，實現農業可持續發展的局面。