物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

石沖貌

（甘肅瑞盛·亞美特高科技農(nóng)業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730300）

中國是一個(gè)具備悠久農(nóng)耕歷史的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)一直以來都是一個(gè)國家重點(diǎn)發(fā)展問題。為了繼續(xù)加快甘肅省農(nóng)業(yè)信息化科技的發(fā)展，加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向信息化智慧農(nóng)業(yè)的深刻轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步加快我國數(shù)字農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的釋放，各級(jí)相關(guān)部門近年來一直積極地推動(dòng)信息物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等先進(jìn)的信息技術(shù)平臺(tái)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化生產(chǎn)經(jīng)營中卓有成效的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 節(jié)水灌溉問題的社會(huì)背景

中國灌區(qū)每年安排的各類農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉設(shè)備用水總量約需占全國計(jì)劃總設(shè)備用水量比重的近80%。我國農(nóng)村水資源相對(duì)豐富，但與農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉工程用水比例相比仍存在一些差距。這是由于我國的農(nóng)業(yè)水利灌溉設(shè)備技術(shù)水平很低，用水率仍遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)技術(shù)水平，導(dǎo)致我國大量農(nóng)業(yè)水資源尚未得到充分開發(fā)。農(nóng)業(yè)設(shè)施灌溉效率嚴(yán)重低下，嚴(yán)重制約和影響了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的全面發(fā)展。因此，節(jié)水施肥和灌溉是在促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全面發(fā)展的過程中不可或缺的重大戰(zhàn)略和基本措施。

目前，我國農(nóng)業(yè)正在加快智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。通過智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等工具，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化管理、檢測(cè)和生產(chǎn)，因地制宜，減少化肥、農(nóng)藥和水資源的使用，節(jié)約人力物力，增加生產(chǎn)收入，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械化到智慧化的農(nóng)業(yè)革命。

2 智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

2.1 智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國農(nóng)村的廣泛深入普及，農(nóng)民也在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)境中廣泛應(yīng)用各種現(xiàn)代科技，影響和改變了傳統(tǒng)的農(nóng)耕環(huán)境，以及傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。智慧農(nóng)業(yè)還必須積極收集整理各類農(nóng)業(yè)方面的現(xiàn)代化生產(chǎn)的技術(shù)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，依靠移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各地不同類型生產(chǎn)經(jīng)營信息系統(tǒng)的高度集成管理和知識(shí)共享，以進(jìn)一步提高現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)效率。

在中國，農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在迅速發(fā)展。我國的一些地區(qū)和城市正積極地嘗試發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。目前，為了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球一體化，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管理信息和農(nóng)產(chǎn)品銷售的現(xiàn)代化管理。

2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程的成功實(shí)施，主要依靠針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取信息。監(jiān)控農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中分布有很多在線傳感器節(jié)點(diǎn)。通過安裝這些無線傳感器，人們隨時(shí)可以獲取到土壤質(zhì)量和土壤氣候信息，農(nóng)民能夠更及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取檢查結(jié)果，并通過相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)參考信息，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)地解決相關(guān)生產(chǎn)問題。物聯(lián)網(wǎng)與集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的結(jié)合，將使農(nóng)業(yè)逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。

通過分析物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)，將物聯(lián)網(wǎng)分為3個(gè)層面：遠(yuǎn)程監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控層可以檢測(cè)各種對(duì)象和采集農(nóng)場信息，包括各種傳感器和專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)設(shè)備傳感器，例如，碳濃度檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、監(jiān)控?cái)z像頭、氣象站等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸和處理收集的任何信息。該體系結(jié)構(gòu)由不同的本地網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)組成，負(fù)責(zé)將農(nóng)業(yè)用戶與物聯(lián)網(wǎng)連接起來，確保物聯(lián)網(wǎng)的功能得以實(shí)現(xiàn)，并確保其真正有助于農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的具體應(yīng)用

3.1 智慧農(nóng)業(yè)中的節(jié)水灌溉工作流程

灌溉設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備在不同地區(qū)的分布情況各異，因此，我們需要一個(gè)能夠互動(dòng)和有效控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水管理中，控制系統(tǒng)非常重要。應(yīng)用對(duì)象是中央控制室和無線通信設(shè)備有限公司，系統(tǒng)從灌區(qū)采集信息和數(shù)據(jù)。然后，系統(tǒng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并制定相關(guān)決策。該系統(tǒng)檢查設(shè)備、土地灌溉和指定農(nóng)業(yè)區(qū)的灌溉說明、灌溉管道和相應(yīng)的控制閥。在農(nóng)田自動(dòng)灌溉過程中，傳感器實(shí)時(shí)收集記錄并分析傳輸出有關(guān)農(nóng)田水情動(dòng)態(tài)的各類數(shù)據(jù)圖像和相關(guān)信息，并及時(shí)將圖像傳輸回控制中央系統(tǒng)。如果控制器發(fā)現(xiàn)田間供水量已達(dá)到滿載或超過設(shè)計(jì)預(yù)定量值，中央控制系統(tǒng)即發(fā)出緊急警報(bào)，控制閥則自動(dòng)緊急關(guān)閉農(nóng)田最后一根水管?；緟?shù)傳感器與控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通訊方式目前主要是用GPRS網(wǎng)絡(luò)，控制測(cè)量指令數(shù)據(jù)主要還是通過中心控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)終端，通過流式以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制服務(wù)器。

利用節(jié)水系統(tǒng)的節(jié)水功能，我們可以快速高效地收集農(nóng)田的溫度、亮度、光密度、作物生長和其他功能，基于節(jié)水系統(tǒng)收集的備份信息，將通過非地面通信收集到的數(shù)據(jù)和信息整合并上傳到地面物聯(lián)網(wǎng)上，服務(wù)平臺(tái)為節(jié)水區(qū)域提供科學(xué)指導(dǎo)，幫助農(nóng)民確定安全用水和用水方法，在水處理過程中自動(dòng)分配安全用水和必要的水桶，安全的水控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用水情況，并及時(shí)調(diào)整供水模式，改善水質(zhì)。可根據(jù)作物需要進(jìn)行自動(dòng)智能供水，有效防止傳統(tǒng)供水模式下缺水或水量過大的情況。

此外，農(nóng)業(yè)管理者還可以通過智能手機(jī)和農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制農(nóng)田灌溉。同時(shí)通過手機(jī)屏幕接收關(guān)于農(nóng)田土壤、作物生長和當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r的實(shí)時(shí)信息。

實(shí)用的農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水服務(wù)平臺(tái)，提供不同的服務(wù)功能。用戶可以在線瀏覽。在瀏覽時(shí)，用戶可以根據(jù)自己的情況自動(dòng)、半自動(dòng)或立即儲(chǔ)存水。同時(shí)，該平臺(tái)還支持對(duì)水域條件的多邊論證和分析，用戶可以及時(shí)了解和獲取水域條件的數(shù)據(jù)。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)中節(jié)水灌溉的物聯(lián)網(wǎng)方案

控制系統(tǒng)包括控制室、安裝在水泵旁邊的無線通信網(wǎng)絡(luò)、專有設(shè)備、農(nóng)業(yè)通信設(shè)備、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器?？刂葡到y(tǒng)、信號(hào)發(fā)射器和信息反射等傳感器可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。灌溉過程開始進(jìn)行時(shí)，無線通信網(wǎng)絡(luò)可將實(shí)時(shí)灌溉控制信息及時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)室。監(jiān)控系統(tǒng)可打開自動(dòng)灌溉水控制閥，為農(nóng)業(yè)灌溉供水，并請(qǐng)求相應(yīng)的報(bào)警信息。當(dāng)灌溉水達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制閥自動(dòng)關(guān)閉。農(nóng)業(yè)環(huán)境的變化由GPRS傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)并發(fā)送到農(nóng)業(yè)設(shè)備?？刂菩盘?hào)輸出的方法是：遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)利用服務(wù)器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并在遠(yuǎn)程決策時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)控制信號(hào)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模式一般為Laura+4G網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)采用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于Laura Gate的使用受到限制，該Gate無法提供一些農(nóng)業(yè)服務(wù)，Laura Gate的用戶數(shù)量與功能數(shù)量的顯著減少有關(guān)。因此，有必要更新農(nóng)業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，并采用NB-loT物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將減少農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)營成本，提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的功能性。服務(wù)平臺(tái)的每個(gè)模塊都使農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)更加可靠。此外，還簡化了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后續(xù)維護(hù)。

3.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

3.3.1 系統(tǒng)管理

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能是管理內(nèi)部數(shù)據(jù)、確定數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)用戶賬戶、權(quán)限、文件和信息的完整性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以規(guī)范特定領(lǐng)域的知識(shí)管理。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行過程中，必須科學(xué)地管理內(nèi)部數(shù)據(jù)，不僅要確定數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，還要做好數(shù)據(jù)的維護(hù)工作。另外，管理系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)系統(tǒng)本身不能丟失，用戶賬戶、權(quán)限、信息等都需要保證安全。值得注意的是，具體領(lǐng)域的知識(shí)管理不應(yīng)被忽視，還應(yīng)確保其規(guī)范性。

3.3.2 查詢、信息收集和搜索性能

使用不同的方法查找信息，然后利用圖表和其他不同的形式來表達(dá)結(jié)果。研究方法主要包括點(diǎn)搜索、空間搜索和組合邏輯形式。在系統(tǒng)功能上，需要保證數(shù)據(jù)的查詢、采集和分析。信息搜索可以是點(diǎn)搜索、空間搜索等多種方法，并利用圖形等形式表達(dá)結(jié)果。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是基于各個(gè)位置，長信息和寬度可以準(zhǔn)確分類。中央計(jì)算機(jī)接收到監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)后，可以準(zhǔn)確地查找到信息。

3.3.3 數(shù)據(jù)收集的自動(dòng)識(shí)別

數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)不同的位置自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過精確采集經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行行為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

3.3.4 數(shù)據(jù)分析職能

在系統(tǒng)的使用過程中，數(shù)據(jù)和信息的收集、處理和分析起著非常重要的作用。在信息收集過程中，可以通過圖形幫助和其他方法顯示在某個(gè)點(diǎn)或空間中。在系統(tǒng)中，必須分析在所有位置獲取的數(shù)據(jù)，以確定顯示的準(zhǔn)確性。從監(jiān)控計(jì)算機(jī)收集信息和數(shù)據(jù)后，必須使用中央計(jì)算機(jī)來正確安排位置。分析不同地段的不同特點(diǎn)，并將結(jié)果以專題圖的形式打印出來。

4 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用范圍和重要意義。物聯(lián)網(wǎng)被世界公認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。它是以感知為前提，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中，基于信息采集點(diǎn)感知數(shù)據(jù)，集成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理知識(shí)模型，開發(fā)大田生產(chǎn)智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥、節(jié)水灌溉、病蟲害預(yù)警防治等生產(chǎn)措施的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)水灌溉是農(nóng)田節(jié)水灌溉的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)新技術(shù)，它不僅能夠根據(jù)相應(yīng)植物的需水特性、生育階段、氣候、土壤條件等做合理設(shè)計(jì)，制定相應(yīng)的灌溉制度，適時(shí)、適量，合理灌溉，也可以做到局部灌溉。還可避免土壤鹽堿化，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)鹽堿化的土壤，可利用灌溉沖洗土壤中的可溶鹽分，以改良土壤。此外科學(xué)灌溉方式還可起到預(yù)防果樹蔬菜霜凍和預(yù)防干熱風(fēng)危害，以及防止土壤風(fēng)蝕等作用。