物聯網技術在智慧農業節水灌溉中的應用

中國農業科學院 蘭紅宇

前言

農業物聯網技術涉及信息采集、傳輸，可對農業生產相關情況分析、研究，這個過程中應合理運用物聯網技術，比如：RFID 技術、傳感網技術、wifi 技術等，然后將物聯網技術運營應用于智慧農業節水灌溉中，充分發揮出其應用價值。

1 智慧農業、物聯網技術相關概述

智慧農業，為在傳統農業中使用智能技術、計算機和移動設備等，實現農業生產全過程智能化控制的農業生產模式。智慧農業涉及先進的信息技術，比如：大數據、云計算，以及物聯網和人工智能等技術，運用到農業生產中利于及時采集農業生產信息自動化，可借助計算機的作用實行相關處理，為做出智能決策奠定堅實的基礎[1]。當前，物聯網沒有統一的定論，可以理解為物物相連的互聯網，物聯網的重點部分為互聯網依賴互聯網形成新型網絡。除此之外，物聯網用戶端擴展至相關物品中，會達到物品間信息交換、信息通信的目的，利于在不同時間、不同場所、不同物體間進行互聯。

2 智慧農業中常用的物聯網關鍵技術研究

2.1 RFID 技術應用情況

這一技術為射頻識別、通信技術的手段之一，工作原理為通過使用無線電訊號感知監測目標，完成數據記錄工作。在短距離信息傳輸、識別中應用效果較佳，經應答器、閱讀器、軟件系統等構成，數據記憶容量非常大、抗污染能力較強，而且具有耐久性佳、掃描速度快等優勢。除此之外，掃描的速度較快，可在智能農業物聯網技術中發揮關鍵作用，設備的內部芯片會及時傳輸儲存信息，此時閱讀器會接收到頻率信號、實行信息數據處理。最后，傳輸至后臺操作系統，利于有效控制信息數據，物聯網技術中通過頻率波段完成短距離直線傳輸和信息傳輸的速度較快[2]。

2.2 Wifi 技術應用情況

Wifi 技術為電子設備和局域網連接的技術，支持多個電子產品無線上網，能達到無線網絡傳輸的效果。較多公共場所逐漸實行無線網絡覆蓋，封閉空間下輻射的范圍約為100m, 如果處于空曠的室外覆蓋距離約為210m。可見，物聯網技術智能農業中應用、推廣，該項技術的應用能負責重要的信息感知任務，便于更好地完成信息傳輸工作。其中信息感知方面傳感器收集環境、傳感器收集信息，需借助wifi 技術作用處理，然后將所收集的信息交換、傳輸到應用縫隙層，說明這一技術作為物聯網技術，在智能農業中運用可發揮重要的作用。

2.3 傳感網技術應用情況

該項技術的應用需及時采集信息，數據處理部件、通信部件為隨機分布，加強聯系的同時會形成網絡結構——傳感器。節點數量非常大，處于復雜環境下適應力得以保障，信息傳輸能力尚可，信號間會產生一定的干擾情況，然而單個節點部件傳遞數據量較小、節點密集、隨機分布，因而不會造成過大的干擾。但需具備能量儲存功能，及時完成自身能量補充工作，傳感網技術作為物聯網技術的核心，在物和物間連接、信息交換、信息傳輸等多個方面，均可發揮關鍵作用[3—5]。近年來，這一技術的不斷發展，有效促進了物聯網技術領域的發展，達到物聯化的效果，并將信息感知層、傳輸層、應用層聯系起來。

3 智慧農業物聯網基本架構研討

3.1 物聯網感知層情況

RFID 設備、傳感器，以及視頻監控設備，均屬于物聯網感知層的重要部分，可以收集相關數據信息，使用zigbee 和CAN 節點，在收集信息后及時傳輸至物聯網智能網，滿足現場數據信息采集、監測方面的需求。使用系統處于上層位置，傳達指令經智能網關傳輸至繼電器，會對農業設備開關調控，從而獲得農業生產環境智能調控的理想效果。

3.2 系統結構設計情況

智慧農業物聯網系統涉及智能監管及自動調控系統、信息采集器、智能網關等設備，采取信息采集器能收集環境相關信息，及時處理后形成模擬信號，再由模數轉換器處理變為數字信號，借助無線傳輸設備的作用，促使信號——電磁波發生轉變。無線傳輸設施使用能耗不會很大，但是健網活動的空間比較大，能夠以多終端介入zigbee 技術，智能網關主要負責數據信息處理工作，便于及時將信號傳輸到監控中心，再通過監控中心實行信息分析、信息存儲，經專家系統判斷采集的信息。此時，便于在第一時間將調控指令發送于自動控制器，進行現場設施自動化控制，現場圖像信息傳輸到監控中心，可以實現遠程可視化監控的效果[6—9]。

3.3 物聯網應用層情況

物聯網應用層可為終端用戶提供服務，作為智慧農業的主要部分，能聯系用戶需要，構建相應的操作平臺。與此同時，物聯網應用層有較多應用系統，便于很好地辨識農業生產環境、農業生產整個過程、農業生產病蟲害等方面，應用層會將物聯網感知層所收集的信息，作以分析、處理，故此可為農業生產場地自動化管控提供良好的支持。應用層的使用可實時采集農業生產數據、農業產品流通過程數據，在數據分享、幫助工作人員做出相應決策、合理利用資源等方面的優勢突出，另外會對生產后流通、安全生產追溯，以及不同路徑銷售等環節進行管理、控制，有助于促進農業的整體發展[10]。

3.4 物聯網網絡層情況

網絡層會使用WLAN 技術、LAN 技術、CDMA 技術、4G 技術等，保證傳輸農田生產信息、控制指令的準確性和可靠性。同時，物聯網網絡層會將感知的相關數據信息，秉持安全、快速、無障礙的原則傳輸至所需區域，使得數據信息滿足長距離通信、大范圍通信的需要。

4 智慧農業節能灌溉中物聯網技術具體應用對策探討

4.1 在農業灌溉中的應用

農業灌溉作為農業生產的主要部分，在田地中安裝各類型傳感器，收集了作物生長溫濕度、光照相關資料，并編制了灌溉的計劃、發出灌溉指令，便于實現自動進行灌溉操作，促進農作物良好生長、節省水資源[11]。

4.2 在農業監管中的應用

農業監管的核心工作，為對農業生態環境、農產品質量及安全方面的監督和管理，農業生態環境直接關系到農產品的質量、安全問題，這個過程中使用物聯網技術能及時獲取農田環境質量方面的數據，然后通過系統分析并評估農田生態環境，編制完善的環境計劃。同時經信息傳輸分析獲得適合檢測土壤生長的農作物，檢測出這一土壤中存在的問題，在第一時間實行土壤調控、環境優化工作[12—15]。不僅如此，上述對策的實施還可達到農產品安全追溯監察的目的，物聯網技術開發追溯管理系統運用到了農產品安全質量追溯中，有助于對禽獸疫苗電子出證加以監管，在這個過程中使用RFID 技術和智能二維碼，均能夠獲得農產品生產整個過程追溯的效果，如此在提高生態環境、農資及農產品的安全性方面，均具有積極的影響。

4.3 在農業病蟲害防治中的應用

病蟲害的出現，會對農作物生長狀況構成嚴重威脅，進行該方面防治管理工作，可提高農作物的產量、控制農藥的使用量。利用物聯網獲取農作物不同生長時期病蟲害數據信息，可準確了解病蟲害相關情況，比如：發生時間、發生位置、藥劑類型等，在此之后實行農藥自動噴施處理即可，能夠有效防治病蟲害[16]。

4.4 在農業生產中的應用

物聯網技術在農業生產中應用，特別為在溫室大田種植、禽獸水產養殖，以及農機物聯網中運用，均可以獲得較好的效果。這就需要關注到監控環境的變化、進行智能化管理，可經無線傳感節點/有線傳感節點、太陽能供電系統，以及信息采集設備、傳輸系統等，及時獲取植物生長環境相關信息，以此準確掌握監控環境的變化。與此同時，應對土壤水分及溫度、空氣溫濕度、光照強度和植物養分含量等進行監測，在此之后聯系監測相關參數情況，對農業園區作以灌溉、自動降溫、卷模、液體肥料施肥、噴藥等處理。另外，需對實時圖像進行監測，建議在農業園區安裝視頻監控，旨在準確掌握實時狀態，反映出農作物生產、禽獸水產養殖相關情況，然后編制相應的種養計劃，獲得數據方面的支持[17]。

4.5 在農產品銷售中的應用

網絡在線銷售為農產品銷售的基本路徑，通過物聯網于電商平臺展示農產品生產的過程，幫助消費人群對農產品進行正確認識、取得其信任。智慧農業中采取物聯網技術構建農產品安全追溯系統，會對生產農產品/運輸包裝整個過程加以安全保障，在農產品上貼RFID 標簽有助于運輸、倉儲及銷售等過程中，于第一時間獲得重要的數據信息。因而，應構建農產品安全追溯系統，經這一系統加強對農產品生產、加工，以及運輸、銷售等數據信息進行共享及管理，以此加強對農產品整個過程的追溯管理。

4.6 在農業資源利用中的應用

通過使用衛星遙感技術、互聯網技術，收集并監測農作物生長情況、農作物品質、農作物面積和估產、土壤、植保信息等，從而實現規劃、監測某特定區域農業生產的效果。當前，我國物聯網技術得到了很好的發展前景，這和GIS 系統發展、GPS 系統發展，存在緊密的聯系，兩者為協調運作能及時收集、整理相關信息，然后選取wifi 技術處理信息、傳輸信息，利于達到農業統籌規劃的目的[18]。如此一來，不但能全面了解農田有益水分、土壤分布、肥料分布等狀況，并且能夠對監測區農作物生長、植物病蟲害進行預警，為準確做出農業生產決策奠定堅實的基礎[19]。

4.7 在農產品電商中的應用

對接農業物聯網，為農產品電商發展的主要方向，和淘寶、京東可很好地區分，使用物聯網技術便于為農產品電商平臺推薦農產品、進行網上交易提供支持，同時可以實現農產品生產全過程追溯的效果。主要經農業生產監控視頻和VR 體驗的形式，可有效取得消費人群對農產品的信任、調動其購買欲望，然后有目的地培養消費群體，維護農業生產者的經濟收益、推動農業的可持續發展。

5 智慧農業中物聯網技術應用未來發展趨勢、相關建議

為促使物聯網技術、智慧農業融合，達到農產業轉型、升級的目的，除了實行農業信息建設補貼外，還應明確農業物聯網相關產品設施、設施內農業購置補貼的范圍，制定相應的鼓勵機制，以此更好地調動科研院校、科技農業和電信運營商參與進來[20]。與此同時，需要對農業無線傳感網絡技術、相關產品進行深入研究和使用，通過專家團隊確定農業物聯網技術相關標準。

6 結語

物聯網技術應用于農業領域中可加強智慧農業建設水平，因而應該有效運用這項技術于智慧農業節水灌溉中，旨在發揮出物聯網技術在農業灌溉領域、農業監管領域、農業病蟲害防治領域及農產品銷售領域中的最大作用。