物聯網技術在現代農業節水灌溉中的應用研究

我國是一個農業大國，近年來，我國一直在積極推動農業信息化、科技化的發展，促進傳統農業向信息化智慧農業轉型，解放勞動力。我國農村水資源較為豐富，但農業水利灌溉技術水平較低，農業灌溉浪費了大量的水資源。節水灌溉是加快我國現代農業全面發展的重要途徑。為促進我國農業的穩定發展，應提升節水灌溉技術水平。將物聯網技術應用于現代農業節水灌溉中，能夠根據作物生長需要適量灌溉，節省人力物力，有效提高農業生產和節水的效率。

1 物聯網技術

物聯網技術就是將各種傳感器和裝備連接到電網、公路、鐵路、供水系統和各種管道中，構建成一個網絡，并將物聯網連入互聯網中，通過計算機群的普適計算和分析功能，人們可以實時控制和管理物聯網的機器、設備等，實現物與物之間的有效溝通。物聯網技術主要是利用傳感器節點和RFID射頻技術采集數據。傳感器節點要放置在需要采集信息的位置或物體內，傳感器將感知到的信息傳輸到匯聚節點，匯聚節點將匯集后的信息傳至網關，通過互聯網傳輸到監控中心。RFID射頻技術就是在感知對象上粘貼標簽，掃描標簽可以獲取信息，再將信息傳輸到RFID系統中。物聯網技術具有智能感知的特點，已被應用于很多行業，為其帶來了便利。將物聯網技術應用于農業節水灌溉中，可改變以人力為中心的傳統灌溉模式，轉變為自動化、智能化的灌溉模式，物聯網技術以感知為前提，和農作物的生長環境進行有效的連接，根據農作物不同的需水特性、生長階段、生存環境制定合理的灌溉計劃，保障適時、適量地灌溉，還能進行局部灌溉，提升水資源利用率，避免土地鹽堿化，改良鹽堿化土壤，提高農業生產效率。

2 物聯網節水灌溉系統結構體系

2.1 節水灌溉系統的網絡構架

應用物聯網技術構建現代農業灌溉系統，主要是通過對農作物的動態監測，收集農業生產過程中的各種數據，全面分析農業生產和節水灌溉數據。整個網絡包括傳感器、計算機、控制和通信技術的監測系統，具有采集信息、傳輸數據和處理數據等功能。在集約化的農業生產過程中可以應用大量的自動化、智能化和遠程控制設備，農民可隨時了解土壤和環境信息，得到準確的檢測結果，了解農作物生長情況，便于進行接下來的農業生產。

2.2 監測信息采集和控制層

農作物從土壤中吸取養分和水分，土壤中的水分和營養元素含量直接影響農作物的生長，水分和養分是農業生產中可人為調控的重要因素。物聯網技術采集土壤中的水分、養分等進行數據量化，現在常用的傳感器有溫濕度檢測、碳濃度檢測、監控攝像頭和氣象站。分布在監測區域各個位置的傳感器節點可定時檢測養分和水分數據信息，傳感器節點將信息初步處理后傳輸至匯聚節點，再通過無線通信技術給網關傳送信息，網關通過互聯網給監控中心傳輸信息，監控中心匯集、整理信息，并進行分析處理，給農民準確地檢測信息，還可自行做出決策，給相應開關發出控制指令，打開或關閉相應的灌溉設備，為農作物生長提供水分和養分，一般使用繼電器或電磁閥控制灌溉管道的開關。監測土壤水分的傳感器主要有頻域型和時域型兩種，頻域型傳感器的優勢較為突出，使用普遍。頻域型傳感器利用電磁脈沖的原理，測量電磁波在土壤中的傳播頻率，得到土壤表觀介電數，以此得到土壤的含水量。頻域型傳感器安全性、準確性高，容易操作，檢測時間短，可定點連續檢測，自動化程度高，量程寬，標定少。目前頻域型傳感器種類較多，如土壤水分傳感器NHSF48 、NHSF50，土壤溫濕鹽分一體性的傳感器NH148，土壤溫度水分鹽分傳感器Hydra，土壤水分溫度電導率傳感器NHCS650、NHCS655等。在現代農業灌溉中微處理器通常選擇CC2530。CC2530使用成本低下的材料，具有RF收發器、增強型8051CPU、系統內可編程閃存和8-KB RAM等強大的功能，其設立的網絡節點強大，轉換速度快，能量消耗低。

2.3 數據傳輸層

數據傳輸層的功能就是通過無線網絡技術將匯聚節點的農業消息傳至網關，再通過合理、安全和有效的路由協議和網絡安全協議將農業信息傳輸至監控中心，保障信息傳輸的安全可靠性。農業生產環境復雜，信息傳輸會受到氣候、環境和農作物生長的影響，但不同于工業生產要求的信息實時傳輸，農業信息傳輸對時效性要求不高，可以有少許的時間延遲，不會影響農業生產。農業生產中應用的物聯網通信技術有ZigBee、Wi-Fi、GPRS和藍牙等通信技術。ZigBee通信技術在農業自動化的短距離、低速率信息傳輸中應用廣泛，其網絡容量大，成本低，傳輸迅速，信息傳輸可靠，安全性和兼容性強。Wi-Fi無線網絡技術應用于工業、家具和精細農業生產等多個領域中，Wi-Fi可利用網絡資源，使用成本低，普及性好，通信距離長，覆蓋面積廣，帶寬大、傳輸速度快，信息傳輸標準化。GPRS通信技術不限制信息傳輸距離且傳輸迅速，主要應用于手持式設備中，但GPRS按量計費，使用成本較高。藍牙無線傳輸技術可以實現短距離內帶有藍牙功能設備之間的通信，傳輸速度較快，傳輸穩定，不易收到外界干擾。四種通信技術各有優缺點，在實際應用中可組合應用，使信息能夠遠程、高效地傳輸。

2.4 數據的終端處理層

終端處理層也叫控制終端，信息傳送到監測中心后，監測中心需要對信息進行有效的處理，再傳輸到監控平臺，用戶在平臺上接收到土壤水分檢測信息，并以此決定是否進行灌溉。控制終端會將收集到的土壤參數存儲至數據庫，便于以后調取信息，了解土壤濕度變化等。控制終端的界面經編程后，用戶可以直觀地讀取數據操作起來也更簡便。

3 物聯網構建系統特點

3.1 系統供電

基于物聯網技術的節水灌溉系統需要較多的傳感器節點進行監測，傳感器的應用需要電能，電池更換較為繁瑣，因此在系統建設時就要考慮供電節能問題。可利用太陽能電池板滿足系統用電需求，還能實現節能的效果。系統構建時選擇耗能少的通信模塊，可有效降低電能消耗。應用功率管理技術和動態調壓技術也可達到節能的目的。

3.2 系統管理

物聯網系統內存儲大量土地監測數據，系統建設和運行過程中，需要搜集和處理信息，不僅要明確數據表的結構，還要進行數據維護管理。為保障用戶賬戶、信息和權限的完整性，促進節水農業的可持續發展，物聯網技術會定期維護系統的運行。物聯網系統還應加強特定領域的知識管理，保障其規范性。

3.3 信息查詢和分析

用戶可以使用物聯網系統查詢信息。利用點位查找或是空間查找等方法，以容易被看懂的圖表的形式表達結果。傳感器節點在各個位置搜集信息，物聯網系統可以明確具體位置，中心計算機接收到信息后可準確定位地點，并進行合理布設。

作者單位：葫蘆島市現代農業發展服務中心