基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)

摘 要：農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器為基礎(chǔ)，對(duì)農(nóng)田氣象信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為農(nóng)田灌溉系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)依據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用信息傳感、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制等科技手段，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情及灌溉流量等信息的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)與分析以及灌溉的自動(dòng)控制，該系統(tǒng)的研究對(duì)智能灌溉的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；灌區(qū)監(jiān)控；農(nóng)田灌溉；智能灌區(qū)

物聯(lián)網(wǎng)是近年來新興的一種信息技術(shù)，它被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后一次新的技術(shù)革命，然而在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用還不是很多[1]。目前，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面的主要新技術(shù)有：1）與生物技術(shù)相結(jié)合的作物調(diào)控灌溉技術(shù)；2）應(yīng)用3S技術(shù)的精細(xì)灌溉技術(shù)。即：全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）；三是智能化節(jié)水灌溉裝備技術(shù)。就是把生物學(xué)、自動(dòng)控制、微電子、人工智能、信息科學(xué)等高新技術(shù)集成節(jié)水灌溉機(jī)械與設(shè)備。

一、農(nóng)業(yè)灌溉的現(xiàn)狀

隨著我國(guó)水資源的日漸緊缺，我國(guó)的水資源供需矛盾也逐漸表現(xiàn)出來，而農(nóng)業(yè)作為用水大戶，其發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)已經(jīng)成了農(nóng)業(yè)未來發(fā)展勢(shì)在必行的方向[2]。目前節(jié)水農(nóng)業(yè)主要采取了滴灌、噴灌、微灌等節(jié)水灌溉措施，雖然相對(duì)于大水漫灌而言，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的用水效率，但綜合分析，其精準(zhǔn)度依舊不夠，無法根據(jù)農(nóng)作物的具體需水要求進(jìn)行灌溉。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)的發(fā)展誕生了物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)，不僅提高了灌溉精準(zhǔn)度，同時(shí)也減輕了人力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，全面提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率。物聯(lián)網(wǎng)智能化農(nóng)業(yè)灌溉是指不需要人進(jìn)行其實(shí)控制，系統(tǒng)能夠自動(dòng)的感知對(duì)農(nóng)作物何時(shí)進(jìn)行灌溉，以及為農(nóng)作物灌溉多少的問題。物聯(lián)網(wǎng)智能化灌溉可以根據(jù)農(nóng)作物的數(shù)據(jù)采集結(jié)果自動(dòng)開啟灌溉系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)灌溉技術(shù)是目前我國(guó)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)支撐，也幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了向遠(yuǎn)程化、精細(xì)化、自動(dòng)化、虛擬化的轉(zhuǎn)型[3]。物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)提高了灌溉的綜合管理水平，將原本最需要人的經(jīng)驗(yàn)才可以進(jìn)行生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)，轉(zhuǎn)變成了科技化生產(chǎn)模式，不僅杜絕了人為操作的盲目性與隨意性，同時(shí)提高了全面管理水平，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)人對(duì)上萬畝地的管理。由此可見，推廣物聯(lián)網(wǎng)智能化節(jié)水灌溉，不僅可以有效地緩解我國(guó)的水資源短缺危機(jī)提高我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的水平，改變?cè)却址攀降墓嗨Ｊ剑瑫r(shí)也可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理水平的提升，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少人力勞動(dòng)，全面優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。所以基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，必然成為今后農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展趨勢(shì)。

二、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效灌溉系統(tǒng)的建設(shè)

為了全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)高效灌溉系統(tǒng)的建設(shè)，必須要大力推廣基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)用，這就需要建立基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉體系[4]。利用物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉體系首先應(yīng)該利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過傳感器采集土壤的溫度、濕度、墑情、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等基本信息，然后通過適合的無線傳感設(shè)備，將采集的基本信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過無線通訊方式將這些信息的數(shù)字信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)將采集的信息進(jìn)行智能化判斷，根據(jù)需要及時(shí)的控制相關(guān)的智能灌溉設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行智能化、精細(xì)化的灌溉。從而做到灌溉水量、灌溉時(shí)間和灌溉周期的三準(zhǔn)確，提高水資源的利用率，達(dá)到灌溉用水的智能化控制。且由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的網(wǎng)絡(luò)具有信息互遞、自主組建網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間同步等特點(diǎn)，因此可以對(duì)整個(gè)灌溉區(qū)域與灌溉節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，即便個(gè)別數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更正[5]。同時(shí)采集的數(shù)據(jù)也可以直接上傳到網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員的分析，可以根據(jù)分析結(jié)果對(duì)灌溉數(shù)據(jù)進(jìn)行更正，從而確保灌溉的準(zhǔn)確性與高效性，如果發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物發(fā)生病蟲害，也可以通過灌溉系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行除病害作業(yè)。同時(shí)隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)，也可以將這些數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)進(jìn)行管理，對(duì)于構(gòu)建一個(gè)高效、低耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水平臺(tái)就這十分重要的意義，然后也對(duì)平臺(tái)采集的信息進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行灌溉，甚至可以對(duì)預(yù)期將會(huì)發(fā)生的天災(zāi)進(jìn)行預(yù)防性灌溉，提高農(nóng)作物對(duì)災(zāi)害的抵抗能力，這也是未來物聯(lián)網(wǎng)智能化灌溉發(fā)展的必然要求。

三、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)以信息化為基礎(chǔ)，灌區(qū)信息化建設(shè)主要體現(xiàn)在灌區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌溉、智能灌溉的建設(shè)。基于智慧灌區(qū)發(fā)展的實(shí)際需要，依托現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)設(shè)施，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)等先進(jìn)技術(shù)，特別是將灌區(qū)信息化建設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，完善信息感知與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，以水利專網(wǎng)、公網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等多種傳輸方式為傳輸網(wǎng)絡(luò)，將水利信息采集、傳輸、處理與灌區(qū)水利業(yè)務(wù)管理聯(lián)系起來形成安徽“灌聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)。針對(duì)灌區(qū)管理的特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)信息中心，匯總灌排水利數(shù)據(jù)，形成灌區(qū)數(shù)據(jù)云。一方面為防汛抗旱、水資源調(diào)度、灌區(qū)管理等職責(zé)提供數(shù)據(jù)支撐，為后期開展數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算等做好鋪墊，另一方面信息中心具有控制平臺(tái)，可對(duì)防汛、抗旱進(jìn)行控制與管理。以灌區(qū)為單位，建設(shè)農(nóng)田灌區(qū)分中心，管理本灌區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)本灌區(qū)的灌溉及排澇進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

（二）系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

農(nóng)田水利自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：信息感知、物聯(lián)傳輸、平臺(tái)應(yīng)用。信息感知是灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的信息來源，主要包括墑情感知、流量感知、閘門開度感知。其中墑情感知通過墑情檢測(cè)傳感裝置采集土壤墑情的濕度、溫度等基礎(chǔ)信息，流量感知是流量計(jì)量設(shè)備實(shí)時(shí)采集灌溉用水流量，閘門感知是感知閘門開度等相關(guān)信息。物聯(lián)傳輸是系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與傳輸層，利用ＲTU控制器，采集感知數(shù)據(jù)，通過GPＲS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。平臺(tái)應(yīng)用是系統(tǒng)的決策應(yīng)用中心，系統(tǒng)完成土壤墑情、灌溉流量等數(shù)據(jù)的接收、顯示、分析等工作。根據(jù)分析結(jié)果，做出是否需要灌溉的決策，并通過GPＲS發(fā)送相應(yīng)的命令遠(yuǎn)程控制水泵、閘門，實(shí)現(xiàn)按需、按量的自動(dòng)化灌溉。系統(tǒng)中每一組GPＲS都采用一點(diǎn)雙發(fā)的方式，一是發(fā)送到農(nóng)田灌溉管理中心服務(wù)器，另一個(gè)是發(fā)送到農(nóng)田水利自動(dòng)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。農(nóng)田、水利等各管理部門可通過VPN方式訪問省農(nóng)田水利自動(dòng)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

四、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息化技術(shù)的高度集成與綜合性應(yīng)用，已經(jīng)成為了當(dāng)前科技界發(fā)展的戰(zhàn)略發(fā)展方向之通過物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)的相結(jié)合，為農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供了新的機(jī)遇，同時(shí)農(nóng)業(yè)也為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的應(yīng)用平臺(tái)，尤其是節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，可以直接有效地解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展遇到的問題，為農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程提供強(qiáng)勁的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)高效的精準(zhǔn)化灌溉，全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。