大數(shù)據(jù)時代農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中人工智能技術(shù)的實踐探索

張曉龍

甘肅工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，甘肅天水 741600

當前，我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式主要是以機械、信息化管理為基礎(chǔ)的智能化生產(chǎn)模式，其不僅實現(xiàn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細化管理，還大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。在農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中，對農(nóng)田進行自動化監(jiān)測是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)，尤其是在當前我國農(nóng)田水利建設(shè)過程中，要對農(nóng)田水利進行全面監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)田出現(xiàn)的問題并采取解決措施。在農(nóng)田水利監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)進行快速處理和分析，實現(xiàn)精準化監(jiān)測。

1 人工智能在農(nóng)田自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用價值

1.1 人工智能

人工智能技術(shù)能夠完成各種復(fù)雜的任務(wù)，其中，最重要的任務(wù)就是模式識別。模式識別是人工智能技術(shù)的重要組成部分，通過該部分工作，能夠?qū)r(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精準的分析和判斷。利用模式識別完成對農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以減少人工工作量、提高數(shù)據(jù)分析效率、提高農(nóng)作物產(chǎn)量；此外，通過模式識別還能夠發(fā)現(xiàn)農(nóng)田出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，并及時采取處理措施。

近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廣泛使用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，這些監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠?qū)r(nóng)田進行精準監(jiān)測和管理，還可以及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤出現(xiàn)的問題，并及時予以解決[1]。因此，我國越來越多的企業(yè)開始注重在生產(chǎn)過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)，以增強企業(yè)的競爭力，提高生產(chǎn)效率。在農(nóng)田水利建設(shè)過程中，要加強對人工智能技術(shù)的應(yīng)用，促進人工智能技術(shù)和農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的融合，為提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供幫助。

1.2 應(yīng)用價值

人工智能技術(shù)能夠?qū)r(nóng)田的溫度、濕度、土壤墑情等相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析處理，進而實現(xiàn)精準化監(jiān)測。當前，我國的農(nóng)田自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感裝置、數(shù)據(jù)傳輸與處理中心、管理中心等部分構(gòu)成。在農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以全面檢測農(nóng)田環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)問題，并采取解決措施[1]。

首先，在農(nóng)田自動化監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)可以通過傳感器采集農(nóng)田相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，并對這些參數(shù)進行分析處理，從而判斷農(nóng)田是否存在異常，并及時采取相應(yīng)的解決措施。在實際的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集過程中，人工采集的效率非常低。人工智能技術(shù)在采集過程中通過數(shù)據(jù)分析軟件可以實現(xiàn)自動化分析。通過人工智能技術(shù)采集到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分析軟件可以對這些數(shù)據(jù)進行自動化分析和處理，并判斷相應(yīng)的問題點。

其次，應(yīng)用人工智能技術(shù)可以實時監(jiān)測農(nóng)作物的生長過程，及時掌握農(nóng)作物的生長狀態(tài)和土壤墑情信息。這不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物出現(xiàn)的問題并予以解決，還可以幫助農(nóng)民掌握農(nóng)作物生長狀態(tài)，適時調(diào)整農(nóng)田灌溉方案和灌溉時間。

最后，人工智能技術(shù)還可以通過數(shù)據(jù)分析，判斷農(nóng)作物的生長狀況和出現(xiàn)病害的原因，及時提出解決方案。在大數(shù)據(jù)時代背景下，應(yīng)用人工智能技術(shù)不僅能夠提高自動化監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和精確性，還能減輕工作人員的工作量和負擔。人工智能技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)田自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供了更加豐富、便捷、精準的信息，不僅能提高監(jiān)測工作人員對農(nóng)田情況的了解程度，還有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍的不斷擴大，人工智能技術(shù)在未來將有更廣闊的應(yīng)用前景[2]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中較為關(guān)鍵的組成部分，也是實現(xiàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其主要通過無線傳感器和智能終端等，實現(xiàn)對農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容的有效監(jiān)測[2]。物聯(lián)網(wǎng)具有較強的滲透性與廣覆蓋性特點，能將多個傳感器設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域，通過有效采集不同區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息等，有效彰顯物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價值。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)設(shè)置農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的各個監(jiān)測區(qū)域，在此基礎(chǔ)上，可以合理布置物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及的不同類型的傳感器節(jié)點，進而有效采集整個農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)信息[3]。

物聯(lián)網(wǎng)具有較強的兼容性與開放性，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所應(yīng)用的各類傳感器可以將采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳輸至相應(yīng)區(qū)域（圖1）。

圖1 無線傳感器工作流程

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶可以通過手機端查看、下載相關(guān)信息數(shù)據(jù)。同時，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，該技術(shù)還可以在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有效監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容。在我國未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為其不可或缺的重要組成部分之一。

3 農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)思路

農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)主要包括農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和決策管理等環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)的收集、傳輸、處理和存儲等進行統(tǒng)一管理，為農(nóng)田生產(chǎn)提供智能化管理[3]。在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)過程中，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以充分發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢，減少人工勞動的工作量，提高工作效率和質(zhì)量。目前，農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)仍存在不足之處，如監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)存儲能力有限、數(shù)據(jù)采集傳輸穩(wěn)定性不足等。要想解決這些問題，需要深入挖掘農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中所蘊含的大量數(shù)據(jù)信息，并通過人工智能技術(shù)進行處理和分析，為農(nóng)田水利工作提供更加精準、有效的技術(shù)支撐。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成，即傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制中心[4]。傳感器安裝在農(nóng)田土壤中，主要測量土壤含水量、土壤溫度、空氣濕度等。數(shù)據(jù)采集器是將傳感器數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送至控制中心的設(shè)備。控制中心主要負責處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對信息進行分析整理，為農(nóng)田灌溉提供科學依據(jù)。其中，數(shù)據(jù)采集器中的控制器是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，負責根據(jù)傳感器的測量值計算農(nóng)田土壤狀態(tài)參數(shù)值。

控制器一般安裝在控制中心的控制室，控制器與其他設(shè)備通過有線方式連接。控制中心與農(nóng)田采用無線方式連接，在控制中心收到農(nóng)田傳感器上傳的數(shù)據(jù)后對其進行處理，并計算出農(nóng)田狀態(tài)參數(shù)值。若農(nóng)田環(huán)境發(fā)生變化，則可及時向控制中心發(fā)送預(yù)警信息。

通過智能分析系統(tǒng)，農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)能將采集到的大量歷史數(shù)據(jù)存儲至云端服務(wù)器，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析與處理歷史數(shù)據(jù)，及時掌握農(nóng)田環(huán)境情況。同時，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，再將其結(jié)果通過分析系統(tǒng)傳送至用戶手機客戶端。

3.2 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要包括傳感器、氣象信息采集儀、水位監(jiān)測系統(tǒng)、土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)等，通過傳感器和氣象信息采集儀可以收集農(nóng)田的氣候數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)等，并通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)采集后傳輸至農(nóng)田數(shù)據(jù)庫。在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集層主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)備，包括傳感器、氣象信息采集儀、土壤水分采集儀等。不同類型的設(shè)備具有不同的特點，在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的采集設(shè)備。如氣象信息采集儀可以實時檢測氣象信息，并進行存儲，土壤水分采集儀則采集土壤的溫度、濕度等信息。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，人工智能技術(shù)可以快速記錄并保存農(nóng)田水利信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析打下堅實的基礎(chǔ)，為后續(xù)工作提供重要參考。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是指將采集到的農(nóng)田生產(chǎn)信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理中心的技術(shù)系統(tǒng)，主要由農(nóng)田傳感器和無線通信基站組成。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)田傳感器是監(jiān)測和采集農(nóng)業(yè)信息的主要工具，它是一種自動檢測農(nóng)田土壤環(huán)境中水分、養(yǎng)分、大氣溫度、空氣濕度，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸至管理中心的技術(shù)系統(tǒng)[4]。無線通信基站是數(shù)據(jù)傳輸層中的重要組成部分，主要由通信服務(wù)器、基站天線和終端設(shè)備組成，負責將農(nóng)田傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給管理中心的技術(shù)系統(tǒng)。因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性，在選擇無線通信技術(shù)時，必須選擇技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的通信方式。

數(shù)據(jù)采集與傳輸是整個農(nóng)田水利監(jiān)測系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，需要確保數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏蚀_性和時效性。數(shù)據(jù)采集是通過傳感器對環(huán)境信息進行檢測，包括溫度、濕度、風速和雨量等，以滿足灌溉工作的需要。通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并利用無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸層

在數(shù)據(jù)傳輸方面，一般采用TCP/IP協(xié)議和無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。由于農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用于小型農(nóng)田，因此，選擇TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，既可以保證數(shù)據(jù)的準確、及時傳輸，又可以提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。無線通信方面一般采用LoRa、NBIoT和ZigBee等技術(shù)進行無線通信。

3.4 數(shù)據(jù)分析與顯示

數(shù)據(jù)分析與顯示主要是指根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析農(nóng)田環(huán)境，并以圖形和圖表的方式直觀地展示農(nóng)田的實時數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方式難以滿足管理人員及時了解和掌握的需求，而人工智能技術(shù)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果，快速生成圖表，并能夠直觀地將農(nóng)田中的環(huán)境、氣象、作物等信息展現(xiàn)出來。在實際工作中，利用人工智能技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析與顯示時，應(yīng)保證系統(tǒng)的實時性和準確性。

一方面，在監(jiān)測過程中，要保證土壤水分監(jiān)測傳感器設(shè)置在土壤濕度較大的位置，防止因監(jiān)測誤差而導(dǎo)致分析結(jié)果不準確。另一方面，人工智能技術(shù)要求將農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)采集到的傳感器數(shù)據(jù)及時上傳至計算機，并將采集到的土壤水分、溫度等信息，通過云平臺發(fā)布至各農(nóng)田區(qū)域顯示。為提高云平臺顯示數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，可在云平臺增加機器學習模塊。

在大數(shù)據(jù)平臺，采用智能算法能夠快速地處理與分析采集到的大量數(shù)據(jù)，提升自動化監(jiān)測的精準度，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、機器學習算法等，為農(nóng)田水利自動化監(jiān)測提供新思路。在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，利用人工智能技術(shù)可以快速傳遞各農(nóng)田水利監(jiān)測站點之間的信息，使管理人員能夠在第一時間獲得實時監(jiān)測情況。

4 應(yīng)用效果評價

經(jīng)過實際應(yīng)用，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)，取得了較好的效果。以農(nóng)田灌溉為例，灌溉時，可根據(jù)土壤水分情況制定灌溉方案，調(diào)節(jié)水量和時間，并將信息上傳至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，一方面，可以迅速確定農(nóng)田的合理灌溉時間和水量，減少水資源浪費。另一方面，在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以快速分析大量歷史數(shù)據(jù)，并將結(jié)果上傳至分析平臺，使管理人員能夠及時了解農(nóng)田灌溉情況和農(nóng)作物的生長情況。此外，在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)可以提高農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的管理效率和準確性，使管理人員更好地進行農(nóng)田灌溉工作。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)的應(yīng)用一方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的自動化、智能化，另一方面提高了數(shù)據(jù)分析計算的效率，對促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

研究了大數(shù)據(jù)時代農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)中人工智能技術(shù)應(yīng)用實踐，對農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及需要重點考慮的問題進行了分析，并提出了基于大數(shù)據(jù)的農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方法。人工智能技術(shù)在農(nóng)田水利自動化監(jiān)測中的應(yīng)用能夠提高數(shù)據(jù)處理的精確度和工作效率，推動農(nóng)田水利自動化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化升級與發(fā)展。