智慧農業灌溉系統在種植業的應用及發展策略

摘" 要：我國長期存在著水資源分布不均衡的問題，部分地區水資源十分稀缺，當地農戶在進行農業灌溉時，無法得到充足的水資源，若農戶單純依靠經驗進行灌溉，可能會導致水資源的利用率較低，出現浪費現象。為有效提升我國水資源利用率，實現避免水資源浪費的目的，以智慧農業灌溉系統輔助農戶展開灌溉作業是當下較為常見的手段之一。因此，該文首先概述智慧農業灌溉系統的工作原理與關鍵技術，其次闡述智慧農業灌溉系統在多個不同場所中的應用案例，最后分析智慧農業灌溉系統面臨的問題，并借鑒國外優秀管理提出發展策略，以期能夠為我國農業灌溉模式的智能化、自動化轉變提供思路。

關鍵詞：智慧農業；灌溉系統；技術應用；技術發展；農業灌溉

中圖分類號：Ｓ274" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）09-0005-04

Abstract： There is a long-standing problem of uneven distribution of water resources in China. In some areas， water resources are very scarce. When local farmers carry out agricultural irrigation， they can not get sufficient water resources. If farmers rely solely on their experience to carry out irrigation， then there will be low utilization and waste of water resources. In order to improve the utilization rate of water resources and avoid the waste of water resources， smart agricultural irrigation system is one of the common means to assist farmers to carry out irrigation operations. Therefore， this paper first introduces the smart agricultural irrigation system， summarizes the working principle and key technologies of the system， and then expounds the application cases of the smart agricultural irrigation system in many different places. Finally， the problems faced by the smart agricultural irrigation system are analyzed， and the development countermeasures are put forward with reference to the excellent management of foreign countries， in order to provide ideas for the intelligent and automatic transformation of agricultural irrigation mode in our country.

Keywords： smart agriculture; irrigation system; technology application; technology development; agricultural irrigation

我國在農業灌溉用水方面長期存在著供不應求的問題，據調查顯示，在農業灌溉上消耗的水量占據了我國每年總耗水量的3/4。2020年度《中國水資源公報》中顯示，我國2020年水資源在農業灌溉方面的有效利用系數為0.565，這一數字表明我國農業灌溉對水資源的利用率尚需加強。與此相比，在部分智能技術更加發達的國家中，農業灌溉水資源的有效利用系數達到了0.7以上，說明智能技術是提升農業灌溉水資源利用率的良好渠道。為了滿足我國各地區對農業灌溉水資源的需求，提升水資源的利用合理性與高效性，本文結合智能化技術，將傳統的農業灌溉模式轉化為智慧農業灌溉系統，進而為提升我國農業灌溉水資源的實際利用效率提供參考。

1" 智慧農業灌溉系統概述

1.1" 智慧農業灌溉系統工作原理

在智慧農業灌溉系統被提出前，我國還存在一種將人工智能技術應用在農業灌溉中的案例，但這種案例是單純以智能技術控制農業灌溉，將人工農業灌溉的經驗整理成數據模式，再結合物聯網技術打造出一種簡單的系統。這種系統大多會在農業田地中設置用于檢測土壤濕度的傳感器，傳感器會定時展開檢測，并將檢測到的數據立即傳輸至系統的控制中心，進而通過數據對比和計算等，判斷此時土壤濕度是否達到預設標準。若判斷土壤濕度足夠，則無須進行農業灌溉；若判斷此時土壤濕度不足，則系統控制中心會結合遠程控制技術等自動開啟田地中的水泵，實現農業自動灌溉。這種智能控制灌溉的系統與傳統人力漫灌灌溉相比，在灌溉操作上更加簡易，消耗的人力資源成本也更低。但在實際工作中，這種系統完成灌溉工作的唯一依據就是傳感器傳輸的土壤濕度數據，無法以田地中種植的具體作物對水資源的實際需求為依據，進而無法對農業灌溉的水量進行調整，致使灌溉工作整體的精細度不足，水量控制相對粗糙，無法實現對農業灌溉的精細化管理。

當下，新興的智慧農業灌溉系統在進行工作時，收集數據信息的主要對象為農作物，這種體系與智能控制灌溉系統不同，不僅僅會收集土壤濕度數據，還會對田地中種植的具體作物的成長規律進行詳細分析，找出作物在不同時期對水資源的需求，兩者相結合進行農業灌溉時對所需水量實施分析，建立精準的農業灌溉模型，再利用智能遠程控制技術，以模型為標準完成智慧農業灌溉工作。農業灌溉模型與智能控制技術的結合是智慧農業灌溉系統的特點，也是其最大的優勢。以這種形式決定灌溉的時間和用水量，滿足作物的實際需水量，減少灌溉過程中水資源的消耗。除了作物實際需水量外，智慧農業灌溉系統在制作農業灌溉模型時，還會綜合考慮田地本身土壤的濕度、pH等，同時結合當地當天的溫度、降水量和風速等多種外在條件，精確獲取農作物的需水量。

智慧農業灌溉系統在實際工作中的具體流程如下：①結合物聯網技術和傳感器，收集整理田地環境的各項指標；②通過大數據技術與人工經驗等，結合田地各項數據，建立適用于田地作物的個性化用水需求灌溉模型，進而制定出適宜作物生長的灌溉方案；③結合智能控制技術，以作物真實需水量為依據，實時調整農業灌溉的水量，提升水資源在農業灌溉中的利用率。

1.2" 智慧農業灌溉系統關鍵技術

智慧農業灌溉系統的建設需要使用大量人工智能、計算機相關技術，常見的體系大多以物聯網技術為搭建基礎，結合無線通信、智能通信等其他技術，實現農業灌溉的智能化，以此提升農業灌溉水資源利用率，減少水資源的浪費。本文在此簡述智慧農業灌溉系統中的幾項關鍵技術，包括傳感器技術、無線通信技術和智能控制技術，具體如下所示。

1.2.1" 傳感器技術

傳感器技術指的是在智慧農業灌溉系統中，收集各種與農作物需水量計算相關的信息與數據的技術。工作人員在建設智慧農業灌溉系統時，需要在田地中選擇適當的地點安裝傳感器，以此作為數據采集節點，再通過連接田地中的多個節點，構建出田地數據采集網絡。傳感器的種類包括濕度傳感器、溫度傳感器、風速傳感器和光照傳感器等，這些傳感器分別負責采集土壤的濕度和氣溫的變化、風速的大小和當天光照強度等數據信息，為后續智慧農業灌溉系統制定農業灌溉方案提供基礎數據支持。

1.2.2" 無線通信技術

當下在我國智慧農業灌溉系統的建設中，較常使用的無線通信技術主要包括Modbus技術、ZigBee技術、LoRa技術、NB-IoT技術和4G/5G技術等。這些無線通信技術在工作中主要負責向控制中心傳輸傳感器收集到的大量田地檢測數據，以及負責向農業灌溉設備傳輸控制中心下達灌溉指令等。不同無線通信技術的使用為智慧農業灌溉系統帶來的優勢是不同的，進而使其適用環境發生的變化。因此在實際建設智慧農業灌溉系統時，工作人員應根據田地中種植的作物種類、田地環境、面積大小和設備與控制中心距離等多種實際情況對無線通信技術進行選擇。

在本文例舉的5種無線通信技術中，Modbus無線通信技術與其他4種技術相比更加簡單、易操作。這種無線通信技術能夠為用戶提供豐富多樣的接口，用戶在使用過程中不需要進行復雜的編程，就能夠完成在不同設備中的信息數據傳輸，因此這種技術目前在我國的應用最為廣泛。ZigBee無線通信技術是一種服務對象為灌溉范圍較小田地的智慧農業灌溉系統技術。如智慧農業灌溉系統建設對象為農業大棚時，ZigBee技術能夠在幾百米的范圍內穩定地傳輸數據與信息，但若在大棚中存在較多障礙物，可能會導致傳輸信號被削弱，進而使得農業灌溉方案無法被精準地執行。LoRa無線通信技術在工作中主要通過使用擴頻技術擴大信息數據的傳輸范圍，其最大傳輸距離可達到直徑15 km。同時，由于這種技術的工作頻段相對較低，其在工作中不易受到外部的影響。LoRa技術具有功能消耗低、數據傳輸范圍廣和數據傳輸安全性強等優勢，對于部分面積較大的田地灌溉體系建設更加合適。NB-IoT無線通信技術與LoRa技術具有相同的優勢，在功能消耗、信息傳輸范圍上均有較好的表現，同時這種技術還具有數量較多的網絡連接節點，在自然環境相對惡劣的田地中能夠更加穩定地傳輸監測數據。4G/5G無線通信技術在完成數據傳輸工作時的效率極高，同時其信息傳輸的時間延遲也較低，因此對于部分大型農場而言能夠更加順暢且快速地完成數據采集、傳輸與處理工作。

1.2.3" 智能控制技術

在我國智慧農業灌溉系統中常用的智能控制技術主要為MCU智能控制技術或PLC智能控制技術。智能控制技術的應用使得控制中心能夠在分析收到的數據信息時制定出灌溉決策，并自動執行灌溉方案。具體來說，當田地中農作物需水量沒有被滿足時，傳感器收集到數據信息并上傳至控制中心，控制中心通過分析確定此時需要進行農業灌溉，則立即通過無線通信技術向灌溉設備下達灌溉指令，啟動設備自動進行灌溉。當灌溉水量達到灌溉方案要求后，設備自動關閉，結束灌溉工作。目前，我國智慧農業灌溉系統的控制中心在實際工作中大多會采用模糊控制、神經網絡免疫等技術對收集的數據進行處理，進而下達相應的指令，控制灌溉設備的電磁閥開啟或關閉，實現灌溉設備的自動化運行。

2" 智慧農業灌溉系統的應用

2.1" 高校與科研院所案例

1）河北工程大學：該高校學者通過對種植地的土壤、氣象和種植作物等歷年數據的收集，對作物的需水量進行分析，建設了作物需水量預測模型，展開了區域化的農業智能需水感知與灌溉決策系統的研發。其研發出的系統作用對象為青椒種植田地，學者通過使用Matlab技術建設了需水量預測模型，并通過使用Python技術建設了灌溉決策系統，最后結合JavaScript技術建設了系統控制平臺，最終該系統的應用結果證明其能夠實現對氣象、土壤等多種信息的收集與分析，并能夠制定出適宜當下情況的灌溉決策。

2）電子科技大學：該高校學者基于都江堰現代化示范性灌區建設項目展開了智慧農業灌溉系統的設計研究，其設計的系統主要采用了機器學習算法與大數據分析技術，包含了6個工作模塊，分別為負責管理灌溉設備的田間設備管控模塊、負責灌溉水量監測的管道輸水計量監控模塊、負責灌溉時各種數據傳輸與整理的灌溉數據展示模塊、負責監測的視頻傳輸與整理實施食品監控模塊、負責系統整體管理的系統綜合管理模塊和負責數據分析與處理的智慧灌溉分析模塊。這一系統的開發基礎為B/S架構，其信息發布渠道多樣，包括網站、公眾號等，在前端建設時主要采用Vue.js框架，而在后端建設時主要采用SpringBoot框架，在建設系統數據庫時主要采用HBase數據庫，系統進行數據分類時主要采用回歸樹算法。研究表明該系統能夠對田地土壤狀態變化進行預測，結合其他信息數據，自動形成適宜的灌溉方案，實現田地中各種灌溉設備自動運行，實現農業灌溉的定時定量。

3）安徽省水利科學研究院：科研院所中的學者們提出了一種農田水利智能灌溉監控系統，該系統共包含3個模塊，分別為田間信息監測模塊、灌溉智能控制模塊和監控決策平臺模塊。其中田間信息監測模塊主要由負責信息實時采集的傳感器技術和負責信息傳輸的物聯網技術構成。灌溉智能控制模塊主要使用了嵌入式技術，以此對灌溉設備進行控制。監控決策平臺模塊采用的技術包括大數據技術、GPRS技術和互聯網技術等。這一系統在應用時有效進行了農田灌溉管理工作，定制出相對科學合理的灌溉決策，減少了農業灌溉需要的人力資源。

2.2" 管理部門案例

1）“數字化果園”項目：該項目為安徽省與阿里云企業進行合作后建設出的智能化灌溉果園，在該果園中設置了24 h不間斷監控系統，對灌溉相關的物聯網設備進行實時監測，同時果園內的溫度、濕度、風速和光照等信息也被智能化灌溉系統實時監測分析，為果園梨樹種植工作提供了自動化管理服務。果園的工作人員在實際工作中，只需要通過查看系統反饋的果園情況，對系統提供的灌溉方案進行選擇，最后通過智能控制技術實現自動灌溉與施肥。

2）“獼猴桃特色水果種植產業園”項目：該項目主要由連云港市贛榆區水利局開展，產業園中由專業人員建設了節水灌溉系統。這一系統能夠監測的數據包括灌溉水源地的水位、水質變化情況，產業園內土壤的狀態變化情況，產業園附近氣象變化信息，種植地作物生長信息等，同時該系統能夠自動智能化完成供水、灌溉、水質監測和土壤濕度控制等工作，在水資源的使用方面實現精細化管理，有效提升水資源的利用率。此外，該系統還可以根據作物品種、種植季節和種植地域的不同，制定相對應的控制策略，實現了科學種植與管理。

2.3" 農場案例

本文主要以北大荒集團七星農場為例，該農場在哈爾濱工業大學的幫助下，研發出了一種適宜農場的智能節水灌溉系統。農場的主要種植作物為水稻，因此其研發出的智能節水灌溉系統包含葉齡診斷技術，這種技術能夠快速識別出田地中種植的水稻生長狀態，進而以此為依據對水層進行智能調控。該系統在進行數據的采集時使用了大量物聯網設備，并且保留了數據的個性化智能輸入功能，以此引導系統在實際應用中找到需要改進的問題與缺點，積累運行經驗與農場種植數據信息。通過以上方式，目前該農場已經逐步形成了相對穩定完整的農業大數據鏈條，并建立了水稻生產全程智能管控平臺，實現了對農業生產的24 h不間斷監測，對農業大數據進行采集、處理和分析，對各生產環節技術措施實時進行指揮和調度，對水稻生長全過程智能化監管，有效促進了農場農業的智能化轉型。

3" 智慧農業灌溉系統的發展策略

3.1" 面臨的問題

我國智慧農業灌溉系統的發展目前面臨的問題如下所示。

1）對于個體農戶而言，應用智慧農業灌溉系統能夠有效節省水資源、人力成本與后期維護管理成本，但在體系建設初期需要農戶投入較多的預算，包括各種硬件設施與智能化輔助軟件的購買等，這對于個體農戶而言是一個較沉重的經濟負擔，因此大多數個體農戶都難以實現智慧農業灌溉系統的大面積應用。

2）就目前常見的智慧農業灌溉系統而言，已經盡可能考慮了多種外部因素對農作物需水量的影響，但實際上測量的因素還是不夠全面，使得系統在應用中灌溉的精確性還需要進一步提升。

3）傳感器作為智慧農業灌溉系統中的重要組成部件，是需要長期埋于田地土壤中的，以此支持土壤濕度等數據的收集，但傳感器作為電子元器件，長期掩埋容易受到土壤中各種成分的影響，檢測出的數據易出現誤差，導致檢測精度降低。

4）智慧農業灌溉系統涉及的智能化設備眾多，體系運行精密度相對較高，工作中所收集的各種數據數量繁多，想要長期保持設備運行良好，農業灌溉方案穩定可靠，需要建設系統的人員掌握一定的專業技術，對于普通農戶而言難度相對較大。

3.2" 國外優秀案例借鑒

縱觀全球各個國家在智慧農業灌溉系統方面的發展，部分西方發達國家一直領先于我國，如美國、以色列等。分析這些國家的常見智慧農業灌溉系統可以發現，其大多會更加全面地考慮田地所在地的氣象變化、土壤質量和作物種類等因素對作物需水量產生的影響，并通過結合計算機控制技術、專家系統控制技術和神經網絡智能控制技術等，打造出全面考慮作物需水、土壤濕度和蒸發蒸騰量等因素的灌溉系統。這些智慧農業系統能夠全面監測田地種植作物的用水需求，結合灌溉技術與氣象環境情況，實現“按需按量”的自動化農業智能灌溉。

3.3" 發展策略

通過分析我國智慧農業灌溉系統發展面臨的問題，同時借鑒國外優秀案例，本文在此提出以下幾條智慧農業灌溉系統發展策略。

1）智慧農業灌溉系統在實際工作中，若灌溉的水源與田地中的灌溉設備之間存在相對復雜的系統，則應針對該系統單獨設置一個智能化決策軟件，以此實現自動化管理，實現灌溉過程中各種相關設備的智能化運行，減少水資源的浪費，節省智慧農業灌溉系統運行消耗的能源，同時降低灌溉水量與作物需水量不符等問題發生的可能性。

2）實現整體現代化是當下我國農業的發展目標，農業灌溉的智能化、自動化發展是新時代提出的需求，對于促進我國農業長遠發展有著重要的意義。在智慧農業灌溉系統的應用中，工作人員應更加全面綜合思考作物需水量變化的影響因素，并針對不同影響因素設計不同的檢測措施，提升農業灌溉的精確性與針對性，實現智慧農業灌溉方案的最優化。

3）智慧農業灌溉系統的發展是農業現代化建設的標志之一，相關領域學者應積極應用世界先進技術與理念，以最新的手段促進智慧農業灌溉系統的改革與創新，推進我國高效精準、低耗節能和智能控制的智慧農業灌溉系統的形成，創建智慧水利引導下的美好現代化農業強國。

4" 結束語

智慧農業灌溉系統的建設是我國農業現代化建設的重要環節之一，只有有效實現農業灌溉的智能化與自動化，才能在最大程度上節省農業灌溉消耗的水資源與人力成本，實現農業灌溉水資源的高利用率與種植業農戶的現代化工作。本文針對智慧農業灌溉系統在種植業中的應用及發展策略展開了研究，為我國智慧農業灌溉系統的研究發展提供參考。

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