物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

摘" 要：隨著全球人口的不斷增長和氣候變化的影響，旱作農(nóng)業(yè)越來越受到關(guān)注。而農(nóng)業(yè)灌溉作為旱作農(nóng)業(yè)的核心環(huán)節(jié)，也面臨著許多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式通常采用定時定量的方法，無法根據(jù)植物的實際需水量進行智能控制，導(dǎo)致浪費水資源和能源，并且可能會對環(huán)境造成負面影響。為解決這些問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被引入到農(nóng)業(yè)灌溉中，實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。該文將介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用實踐和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；旱作農(nóng)業(yè)；智能節(jié)水灌溉；傳感器；PLC

中圖分類號：S126" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）12-0014-04

Abstract： With the continuous growth of global population and the impact of climate change， dry farming has attracted more and more attention. As the core link of dry farming， agricultural irrigation is also faced with many challenges. Traditional agricultural irrigation methods usually use timing and quantitative methods， which can not be intelligently controlled according to the actual water demand of plants， resulting in a waste of water resources and energy， and may have a negative impact on the environment. In order to solve these problems， the Internet of Things technology is introduced into agricultural irrigation to achieve intelligent water-saving irrigation. This paper will introduce the application practice and development trend of Internet of Things technology in intelligent water-saving irrigation of dry agriculture.

Keywords： Internet of Things technology; dry farming; intelligent water-saving irrigation; sensor; PLC

旱作農(nóng)業(yè)是指在缺水條件下進行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，是全球許多地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)形式。然而，旱作農(nóng)業(yè)面臨的最大問題之一是水資源的匱乏和不穩(wěn)定性[1]。為了實現(xiàn)高效利用水資源和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，智能節(jié)水灌溉技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為智能節(jié)水灌溉提供了新的機遇和挑戰(zhàn)，本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用實踐與相關(guān)問題。

1" 旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉的挑戰(zhàn)和需求

據(jù)統(tǒng)計，全球約有40%的人口生活在水資源稀缺的地區(qū)，其中大部分人口依賴農(nóng)業(yè)為生，因此農(nóng)業(yè)灌溉成為這些地區(qū)解決水資源問題的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式通常采用定時定量的方法，無法根據(jù)植物的實際需水量進行智能控制，導(dǎo)致浪費水資源和能源，并且可能會對環(huán)境造成負面影響。同時，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式也存在以下挑戰(zhàn)：一方面，缺乏準確的土壤水分監(jiān)測方法。傳統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測方法通常采用手工采樣分析，費時費力，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制。另一方面，缺乏精準的植物需水量預(yù)測模型。由于氣象條件、土壤特性等因素的影響，植物的需水量存在很大的不確定性，因此需要建立精準的植物需水量預(yù)測模型。

2" 傳感器技術(shù)在智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

2.1" 傳感器在農(nóng)業(yè)灌溉中的作用和種類

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中不可或缺的組成部分之一，可以實時感知物理、化學(xué)和生物參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中進行分析和處理，為決策提供數(shù)據(jù)支持。在智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，傳感器可以實現(xiàn)實時監(jiān)測土壤水分、氣象條件、植物生長情況等參數(shù)，從而實現(xiàn)對灌溉的智能控制和管理。傳感器的種類有很多，以下是在農(nóng)業(yè)灌溉中常用的幾種傳感器：①土壤水分傳感器。土壤水分傳感器可以實時監(jiān)測土壤中的水分含量，通過精準的水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對植物的精準灌溉控制[2-3]。②氣象傳感器。氣象傳感器可以實時監(jiān)測氣溫、濕度、風速和光照等氣象參數(shù)，為灌溉決策提供必要的氣象信息。③植物生長傳感器。植物生長傳感器可以監(jiān)測植物生長情況，如葉面積、葉片厚度、葉綠素含量等，為精準灌溉提供必要的生長數(shù)據(jù)。④水位傳感器。水位傳感器可以監(jiān)測水位的高度和變化情況，為灌溉決策提供必要的水位信息。以上傳感器可以通過無線通信技術(shù)將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉的精準控制和管理。

2.2" 傳感器的安裝和校準

在安裝傳感器之前，必須確保傳感器的選擇和校準是準確的。傳感器的安裝位置應(yīng)該能夠準確反映作物的水分狀況，常見的位置是土壤中心線以下的1/3處，或者作物根系生長區(qū)域。在安裝傳感器之后，需要進行校準以保證其準確性。校準的方法包括干濕法、電導(dǎo)法、真空法等。同時，需要定期維護和檢查傳感器，例如清洗傳感器和更換損壞的部件，以確保傳感器的長期穩(wěn)定工作和準確性。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理方法

傳感器采集到的數(shù)據(jù)是決策制定的重要依據(jù)，因此對傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理至關(guān)重要。傳感器數(shù)據(jù)的采集可以通過有線或無線方式實現(xiàn)。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以使用低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）等技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交净蛟破脚_進行處理。傳感器數(shù)據(jù)的處理方法包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取、數(shù)據(jù)建模等。例如，在智能節(jié)水灌溉中，可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對傳感器數(shù)據(jù)進行建模，預(yù)測未來作物的需水量并制定相應(yīng)的灌溉計劃。此外，也可以使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來挖掘傳感器數(shù)據(jù)中的規(guī)律和異常，以提高決策制定的準確性。

例如：某旱作農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)使用了土壤水分傳感器來采集土壤水分數(shù)據(jù)。傳感器通過LoRaWAN技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗和特征提取后，使用支持向量機算法進行建模，預(yù)測未來作物的需水量。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)灌溉量，使得作物得到足夠的水分同時避免過度灌溉。這種智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)不僅可以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還可以節(jié)約水資源和降低灌溉成本。傳感器的具體應(yīng)用見表1。

3" 無線通信技術(shù)在智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

3.1" 無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的作用和種類

無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中扮演著重要的角色，可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸和與控制中心的遠程通信。常見的無線通信技術(shù)包括WiFi、藍牙、ZigBee及LoRaWAN等。其中，WiFi和藍牙等短距離無線通信技術(shù)適用于控制中心與節(jié)點之間的通信，其通信距離一般在幾十米范圍內(nèi)；而ZigBee和LoRaWAN等長距離無線通信技術(shù)則適用于節(jié)點之間的通信，其通信距離可達幾公里。在農(nóng)業(yè)灌溉中，無線通信技術(shù)的應(yīng)用使得灌溉系統(tǒng)的控制更加精準和高效。例如，通過遠程控制中心與傳感器節(jié)點之間的LoRaWAN通信，可以實時獲取土壤水分、氣象等環(huán)境參數(shù)，以便更好地判斷灌溉水量和時機。同時，通過基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)節(jié)點之間的通信和數(shù)據(jù)協(xié)同，進一步提高灌溉系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性[4]。

3.2 無線通信的網(wǎng)絡(luò)拓撲和數(shù)據(jù)傳輸方式

在農(nóng)業(yè)灌溉中，無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲和數(shù)據(jù)傳輸方式會影響到灌溉系統(tǒng)的可靠性、覆蓋范圍和功耗等方面。常見的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓撲包括星型、樹型、網(wǎng)狀等。其中，星型拓撲結(jié)構(gòu)是一種常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以中心節(jié)點為核心，連接多個傳感器節(jié)點，通過中心節(jié)點與控制中心進行通信。星型拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)和維護，但由于所有節(jié)點都與中心節(jié)點相連，單點故障容易導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰。與星型拓撲相比，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)更加靈活和可靠，每個節(jié)點可以與多個鄰居節(jié)點直接通信。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以自適應(yīng)地擴展和優(yōu)化，具有良好的容錯性和自愈能力，但同時也會增加節(jié)點間通信的復(fù)雜度和功耗。在數(shù)據(jù)傳輸方式方面，常見的無線通信方式包括廣播、單播和多播等。廣播方式將數(shù)據(jù)同時發(fā)送到所有節(jié)點，具有廣覆蓋和簡單的特點，但會浪費大量的能量和帶寬資源。單播方式是點對點的數(shù)據(jù)傳輸方式，具有較高的傳輸效率和可靠性，但需要事先知道目標節(jié)點的地址信息。多播方式則是將數(shù)據(jù)同時發(fā)送給多個節(jié)點，可以減少能量和帶寬的浪費，但也需要一定的網(wǎng)絡(luò)支持和復(fù)雜度。在實際應(yīng)用中，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲和數(shù)據(jù)傳輸方式是需要根據(jù)具體的場景和應(yīng)用需求進行綜合考慮的。

一個農(nóng)場采用LoRaWAN技術(shù)建立了智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，通過部署一系列的傳感器和執(zhí)行器，對土壤濕度、氣溫、濕度和光照等參數(shù)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來自動控制水泵和閥門的開關(guān)，以實現(xiàn)對植物的精確灌溉。這些傳感器和執(zhí)行器使用LoRaWAN協(xié)議與一個LoRaWAN網(wǎng)關(guān)相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器上進行處理和分析。見表2。

3.3 無線通信在農(nóng)業(yè)灌溉中的實際應(yīng)用

無線通信在農(nóng)業(yè)灌溉中的實際應(yīng)用有很多，其中包括以下幾種：①遠程監(jiān)測和控制。通過傳感器采集農(nóng)田的環(huán)境數(shù)據(jù)和作物生長數(shù)據(jù)，利用無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，農(nóng)民可以通過智能手機或電腦遠程查看農(nóng)田的狀態(tài)并進行控制[5-6]。②遙測遙控。利用無線通信技術(shù)遠程控制農(nóng)田的灌溉系統(tǒng)，可以根據(jù)不同作物的需水量進行智能化調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)準確、高效、節(jié)水的灌溉。③數(shù)據(jù)共享和分析。通過將農(nóng)田數(shù)據(jù)上傳到云端，可以實現(xiàn)多方數(shù)據(jù)共享和交流，同時也可以利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析和處理，提供更加準確和科學(xué)的灌溉建議。表3列舉了一些典型的無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用場景和特點。

這些無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用，都為農(nóng)民提供了更加便利和高效的灌溉方式，能夠在提高產(chǎn)量的同時節(jié)約用水、減少成本。

4" 數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)在智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

4.1" 數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的作用

數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的作用非常重要。通過采集和處理傳感器、氣象、土壤等多源數(shù)據(jù)，可以對農(nóng)田的水分、養(yǎng)分等狀況進行實時監(jiān)測和分析，進而幫助決策者制定更加科學(xué)、合理的灌溉計劃和措施，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和資源利用效率。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)還可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提高對土地的管理能力，優(yōu)化土地利用方式，減少灌溉對環(huán)境的不良影響，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7-8]。

4.2" 數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)的算法和模型

數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)的算法和模型是實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉的核心部分。常用的算法和模型包括決策樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、模糊邏輯控制和遺傳算法等[9]。這些算法和模型能夠根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和處理目標，對數(shù)據(jù)進行分類、回歸、優(yōu)化及預(yù)測等處理，從而為決策者提供科學(xué)的決策支持。例如，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型可以預(yù)測土壤濕度隨時間的變化趨勢，幫助決策者制定灌溉策略；基于遺傳算法的模型可以優(yōu)化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，提高水資源的利用效率。同時，數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)的算法和模型需要與具體的農(nóng)業(yè)環(huán)境和實際情況相結(jié)合，進行針對性優(yōu)化和調(diào)整，才能實現(xiàn)最佳的智能節(jié)水灌溉效果。

4.3 數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的實際應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的實際應(yīng)用越來越普遍。其主要目的是通過收集、處理、分析和利用傳感器采集的大量數(shù)據(jù)來優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉決策，實現(xiàn)節(jié)水和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。在實際應(yīng)用中，決策支持技術(shù)通常涉及以下幾個方面：首先，農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)需要實時監(jiān)測土壤濕度、氣象條件等多個因素。基于這些數(shù)據(jù)，可以使用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)算法開發(fā)模型，對土壤水分的變化進行預(yù)測，從而指導(dǎo)灌溉決策。其次，通過將農(nóng)作物的生長數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以幫助農(nóng)民了解作物的生長情況并調(diào)整灌溉計劃。這些信息可以用于制定更好的灌溉策略，從而提高產(chǎn)量和減少浪費。

5" 旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)架構(gòu)及整體設(shè)計

5.1" 系統(tǒng)架構(gòu)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)架構(gòu)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層組成。其中應(yīng)用層由遠程監(jiān)測中心構(gòu)成，主要包括傳感器、PLC控制系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)及水泵供水設(shè)置。應(yīng)用層的主要功能在于利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時監(jiān)測田間的溫濕度相關(guān)信息，倘若溫濕度超過正常范圍，則會通過PLC控制系統(tǒng)向蓄水池執(zhí)行設(shè)備及水泵等各種設(shè)施發(fā)布實施控制命令。該系統(tǒng)中傳感器基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測種植區(qū)域水位溫濕度信息及相關(guān)流量資訊。應(yīng)用平臺的功能主要包括對農(nóng)業(yè)各類信息數(shù)據(jù)的采集收集及整合，能夠根據(jù)實際運行情況，通過智能灌溉節(jié)水軟件控制系統(tǒng)決策。應(yīng)用平臺能夠自動設(shè)定閥值控制電機電磁閥的開關(guān)，確保每一次灌溉水量及水流速能夠在合理范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)平臺則利用通信技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器接收的數(shù)據(jù)信息實時上傳至服務(wù)器當中，網(wǎng)絡(luò)平臺外部采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部采用ZigBee通信技術(shù)。業(yè)務(wù)平臺主要包括故障報警系統(tǒng)、實時控制系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)場。空間數(shù)據(jù)場能夠?qū)⒍S的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為三維立體結(jié)構(gòu)，以清晰直觀的方式呈現(xiàn)出來，幫助管理者了解各項數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，并為后續(xù)灌溉決策提供重要數(shù)據(jù)支持。

5.2" 系統(tǒng)總體電氣設(shè)計

電氣系統(tǒng)由PLC控制器、變頻器、上位機、傳感器和人機交互界面構(gòu)成。電氣系統(tǒng)按照硬件可以劃分成控制部分、執(zhí)行部分及檢測部分。PLC控制器及變頻器為電氣系統(tǒng)的控制部分，通信模塊及執(zhí)行模塊為電氣系統(tǒng)的執(zhí)行部分，傳感器為電氣系統(tǒng)的檢測部分。

5.3 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)計

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)需要負責整個種植區(qū)域各項環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及執(zhí)行。該系統(tǒng)中的上位機及下位機需要嚴格遵循順序編號，發(fā)揮自身在通信過程中的重要作用。系統(tǒng)控制對象為水泵組及電磁閥，系統(tǒng)每過30 s會自動采集一次物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并將田間實際信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至PLC。隨后會將實時溫濕度信息與設(shè)定值進行比較，倘若實時溫濕度超過設(shè)定值，則會通過分析獲得命令，并傳達給執(zhí)行機構(gòu)操作相關(guān)命令。

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)的無線傳輸使用GPRS網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是目前較為流行的移動數(shù)據(jù)頁無線通信技術(shù)，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率。通過GSM網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)PLC控制器與PC機的直接連接，充分提高了數(shù)據(jù)信息實時傳輸及共享。GPRS無線傳輸?shù)某跏蓟布K會對軟件進行初始化操作，隨后通過握手應(yīng)答協(xié)議溝通是否進行數(shù)據(jù)信息的傳遞及傳輸數(shù)據(jù)的地址值獲取。當順利建立傳輸數(shù)據(jù)關(guān)系后，便可開展數(shù)據(jù)傳輸工作，當數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后會終止操作并返回系統(tǒng)的主程序。

5.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的參數(shù)設(shè)計需要結(jié)合綜合仿真及測試結(jié)果進行優(yōu)化調(diào)整，同時也需要根據(jù)農(nóng)田灌溉后的土壤濕度信息變化情況進行綜合考量。智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣周期可以設(shè)置為30 min，在每次灌溉30 min后需要進行1次數(shù)據(jù)采樣工作，以便決定電磁閥的動作。當系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集完畢土壤濕度信息后，需要與設(shè)定的下限值進行比較，如果小于下限值，則需要打開電磁閥進行灌水操作。為了避免誤判，需要在停止灌水后才能夠繼續(xù)采集土壤濕度信息進行數(shù)據(jù)對比。

6" 結(jié)束語

本文探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在旱作農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉中的應(yīng)用。通過傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理和決策支持技術(shù)的應(yīng)用，旱作農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的效率得到了顯著提升。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以期待更加先進、智能化的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的出現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的效益。

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