基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理技術(shù)及應(yīng)用

宋爽 韓子鑫 安帥霖 孫鴻

摘要：物聯(lián)網(wǎng)屬于現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的必然趨勢(shì)。應(yīng)將用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉精確度的提升，從而降低灌溉成本，推動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展。因此本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討了農(nóng)業(yè)精量灌溉處理技術(shù)的現(xiàn)狀、實(shí)施對(duì)策及趨勢(shì)展望，希望能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展帶來一定助力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);精量;數(shù)據(jù)處理

0 引言

水資源短缺是世界各國(guó)面臨的重大難題，我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家，人均水資源占有量排在世界第109位，僅為世界平均水平的1/4。我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)有17個(gè)，其中有1/3分布在水資源緊缺地區(qū)，水資源與人口土地分布極不均衡，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加、社會(huì)的進(jìn)步、工業(yè)和城市用水的激增，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾日益突出，導(dǎo)致水資源處在臨界狀態(tài)或超載的地區(qū)范圍逐年增加。實(shí)施基于作物需水信息特征的精量灌溉是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的有效途徑。隨著隨人們節(jié)約用水意識(shí)的提高、獎(jiǎng)懲制度的不斷完善以及節(jié)水灌溉技術(shù)研究深入，我國(guó)年農(nóng)業(yè)用水總量逐年降低，由2015年的3 852.2億m3下降到2019年的3 675億m3，但總體下降幅度相對(duì)較低，一方面由于干旱缺水，另一方面由于浪費(fèi)水資源的現(xiàn)象及其普遍，與其他國(guó)家相比，我國(guó)的灌溉存在水資源利用率偏低、水肥一體化灌溉農(nóng)田占比低和灌溉系統(tǒng)智能化程度低等問題，全國(guó)范圍的有效利用率40% ，而在美國(guó)，有效利用率在60%～70%之間，在以色列則高達(dá)90%。為此，精量灌溉在實(shí)施過程，應(yīng)該因地制宜根據(jù)實(shí)際情況充分挖掘農(nóng)業(yè)精量節(jié)水灌溉的潛力，將自動(dòng)化、信息化、大數(shù)據(jù)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互融合實(shí)現(xiàn)水資源在農(nóng)業(yè)的科學(xué)高效發(fā)展。

我國(guó)在基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理技術(shù)起步較晚，但也取得了一些成就。周海蓮等人通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建出精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng);朱洪清等人通過太陽能供電系統(tǒng)優(yōu)化精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很好地解決了田間布線施工難等問題，李德旺等對(duì)灌溉系統(tǒng)的通信技術(shù)作了進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理技術(shù)將會(huì)在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中得到更加廣闊的應(yīng)用前景。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將傳感器嵌入到電網(wǎng)、供水系統(tǒng)等各種系統(tǒng)中，并將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)整合起來，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的人與機(jī)器、基礎(chǔ)設(shè)施等相互融合的實(shí)時(shí)控制管理技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對(duì)物體上的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)和采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至電腦終端從而實(shí)現(xiàn)物物通信。信息的感知技術(shù)有2種：第一種通過RFID 射頻技術(shù)標(biāo)記信息感知對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和采集，再將收集到的信號(hào)傳送至RFID的信息管理系統(tǒng)。第二種向需要采集信息的地點(diǎn)或物體中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，再借助因特網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。

1.1 互聯(lián)性應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的互聯(lián)性應(yīng)用，主要是通過有線技術(shù)與無線技術(shù)，將物聯(lián)設(shè)備與傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)相互融合，來處理不同層面的信息。

1.2 感知性應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知性應(yīng)用，主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，組建傳感器集群，各傳感器間協(xié)同作業(yè)。例如利用溫度傳感器、定位系統(tǒng)，紅外傳感器等組建傳感器集群，將采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供有效的支持。

1.3 智能性應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能性應(yīng)用，主要通過將傳感器集群接入網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)傳感器集群采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行智能化分類整合，發(fā)送至客戶終端。其特點(diǎn)不局限于單純的信息接收與處理，更體現(xiàn)在多設(shè)備間的協(xié)同作業(yè)層面。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過傳感器集群協(xié)同作業(yè)對(duì)影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算分析，給出的精量灌溉處方，從而實(shí)現(xiàn)精量灌溉作業(yè)。

我國(guó)天然水資源與人口土地分布不相匹配，17個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)中8個(gè)分布在北方水資源緊缺地區(qū)，水資源承載力與承載負(fù)荷不均衡的問題突出，水資源處于超載和臨界狀態(tài)的區(qū)域越來越多、范圍越來越大，約束程度越趨緊張。隨著節(jié)水意識(shí)的不斷增強(qiáng)、節(jié)水獎(jiǎng)懲制度的不斷完善和節(jié)水型灌溉技術(shù)的持續(xù)推廣應(yīng)用，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量逐年下降，從2015年的3 852.2億m3下降到2019年的3 675億m3，但整體下降幅度偏小，依舊存在灌溉水利用率較低、水肥一體化灌溉農(nóng)田占比低和灌溉系統(tǒng)信息化程度不高等問題，根據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年還需要發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積0.13多億hm2。為此，節(jié)水灌溉項(xiàng)目在實(shí)施過程中需要因地制宜，將防滲渠、低壓管道輸水、噴灌、微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)與泵站自動(dòng)化、信息化、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，充分挖掘農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力，實(shí)現(xiàn)水資源在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的高效、科學(xué)利用。

2.1.1 環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

用戶可以通過筆記本電腦、智能手機(jī)等遠(yuǎn)程便攜設(shè)備實(shí)時(shí)查看環(huán)境信息，例如土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等。

2.1.2 預(yù)警系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)不同用戶需求設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)閾值。當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)超出閾值，預(yù)警系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將預(yù)警信息反饋至用戶終端提醒用戶。用戶根據(jù)預(yù)警信息能夠更加及時(shí)、高效的處理相關(guān)問題。

2.1.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)

使用者可以通過筆記本電腦、智能手機(jī)等遠(yuǎn)程便攜設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制方案可根據(jù)用戶需求自由定制，例如當(dāng)土壤濕度過低時(shí)，遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成依處方精量灌溉作業(yè)。

2.1.4 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過采集、計(jì)算分析、對(duì)比歷史數(shù)據(jù)等得出不同條件組合下的數(shù)據(jù)模型，通過列表、直方圖等形式直觀呈現(xiàn)于用戶界面中。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)分析歷史數(shù)據(jù)，能夠得出更為行之有效的農(nóng)作物管理處方。

2.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1、圖2、圖3所示，基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從功能層次可將系統(tǒng)分為農(nóng)業(yè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、終端控制等，是以無線射頻識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器集群的協(xié)同系統(tǒng)。其主要特征是根據(jù)實(shí)際需求將括了傳感器、通信模塊和執(zhí)行器等安裝到農(nóng)業(yè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，將設(shè)備及傳感器等互聯(lián)于網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使農(nóng)業(yè)設(shè)備間具備自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

3 趨勢(shì)與展望

3.1 軟件和服務(wù)成為核心

在如今互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將成為未來智能農(nóng)業(yè)精量灌溉系統(tǒng)的核心。用戶學(xué)習(xí)門檻低，無需掌握農(nóng)業(yè)精量灌溉技術(shù)，僅通過便攜移動(dòng)設(shè)備便可收到基于物聯(lián)網(wǎng)信息感知的精量灌溉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的決策信息，實(shí)現(xiàn)硬件操作向軟件決策的智能化過渡。

3.2 大數(shù)據(jù)加連接

政府、示范企業(yè)、示范基地等均對(duì)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)做出了大量的前期投入，并且采集了大量數(shù)據(jù)，但由于在區(qū)域及主體上沒有相互聯(lián)接，導(dǎo)致數(shù)據(jù)沒有得到有效利用，從而導(dǎo)致信息孤島化現(xiàn)象的形成。隨著物聯(lián)網(wǎng)布局的廣度、深度以及密度的增加，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和共享，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)針對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水、智能化精量灌溉給出全面且完整的大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)事信息的全面掌控，同時(shí)更加全面的得出行之有效的農(nóng)作物管理處方，實(shí)現(xiàn)精量灌溉。

變量施藥技術(shù)主要先進(jìn)的傳感技術(shù)、電子信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等的技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物植保的按需噴藥，在保證農(nóng)藥施藥效果的同時(shí)有效降低農(nóng)藥的施用量，在提高施藥工作效率的同時(shí)，減少因過度施藥而對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。未來應(yīng)加大對(duì)農(nóng)業(yè)科研與資金投入力度，加強(qiáng)變量施藥技術(shù)與裝備及部件的研發(fā)、應(yīng)用及推廣。大力開展農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感技術(shù)與關(guān)鍵部件的研發(fā)，研發(fā)自主品牌的農(nóng)業(yè)運(yùn)算芯片，未來變量施藥技術(shù)將植保領(lǐng)域推向簡(jiǎn)單化、智能化、精準(zhǔn)化的方向。同時(shí)也要加大對(duì)變量施藥技術(shù)的推廣，切實(shí)的將技術(shù)應(yīng)用到植保領(lǐng)域，提高蟲、草、病害的防治能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油料作物主要病蟲害智能植保裝備能夠提高智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度，有效提升農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展進(jìn)程，充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化所要求的精細(xì)化、高效化與綠色化，減少農(nóng)藥投入使用。減少土壤污染，為黑土地的保護(hù)提供了重要的技術(shù)支持。

伴隨我國(guó)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變量施藥技術(shù)是公共植保和綠色植保的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)。變量施藥技術(shù)為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變量噴灑的施藥作業(yè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，或?qū)⒏纳苽鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力人口需求過多的現(xiàn)狀，加速推動(dòng)農(nóng)業(yè)向集約型、精準(zhǔn)型、可持續(xù)型轉(zhuǎn)化，加快推進(jìn)變量施藥技術(shù)與裝備的研發(fā)，對(duì)提高農(nóng)作物蟲、草、病害防治能力和促進(jìn)農(nóng)業(yè)高速發(fā)展及農(nóng)民穩(wěn)定增產(chǎn)增收具有重要意義。植保無人機(jī)的潛力不可小覷，應(yīng)在植保無人機(jī)的人機(jī)分離技術(shù)、人藥分離技術(shù)等進(jìn)行深入研究，提高植保無人機(jī)的產(chǎn)品可靠性、工作效率、智能變量施藥的準(zhǔn)確性及現(xiàn)代化智能水平。研發(fā)單位應(yīng)重視變量施藥技術(shù)研發(fā)過程中與新興技術(shù)的集成，盡量簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)、降低設(shè)備操作門檻高、控制成本、重視技術(shù)推廣，切實(shí)的將變量施藥技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保過程中去。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳興，馬朋，劉芳，等.大數(shù)據(jù)分析在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下大田農(nóng)作物精準(zhǔn)灌溉的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2020（11）：62-66.

[2] 羅嘉龍，劉衛(wèi)星，陳正銘，林佳煜.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（30）：186-189.