探析物聯網精準灌溉技術在農田水利中的應用

水是農業生產的命脈，而全球水資源短缺問題日益嚴峻。農業作為用水大戶，灌溉方式亟待優化。傳統大水漫灌不僅造成嚴重的水資源浪費（利用率僅30%～40% ），還容易引發土壤鹽堿化等環境問題。隨著物聯網技術的飛速發展，精準灌溉技術為農業灌溉領域帶來變革契機。該技術通過實時監測農田環境信息，依據作物需水規律精準控制灌溉量與時間，實現水資源的優化配置與高效利用?；诖?，相關部門聚焦物聯網精準灌溉技術在農田水利中的應用開展探討，以期為行業提供參考。

一、物聯網精準灌溉技術的原理與組成架構

（一）技術原理

物聯網精準灌溉技術以物聯網體系為基礎，其核心在于借助各類傳感器實時采集農田環境信息，包括土壤濕度、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度等參數。傳感器將采集到的模擬信號轉換為數字信號，通過無線通信模塊（如ZigBee、Wi-Fi、4G/5G等）傳輸至數據處理中心，數據處理中心運用預先設定的算法與模型，對采集到的數據進行分析處理，判斷農作物當前的需水狀況，然后，根據分析結果向灌溉控制系統發送指令，控制灌溉設備（如電磁閥、水泵、滴灌帶等）的開啟與關閉，實現精準灌溉。例如，當土壤濕度傳感器檢測到土壤含水量低于農作物生長所需的閾值時，數據處理中心會自動啟動灌溉設備；當土壤濕度達到適宜水平后，再自動關閉灌溉設備。

（二）系統架構

基于物聯網的精準灌溉系統一般由感知層、傳輸層、應用層和用戶層組成。感知層是系統的底層，主要由各類傳感器和執行器組成。傳感器負責采集農田環境信息，執行器則根據控制指令控制灌溉設備的運行，如開啟或關閉電磁閥、調節水泵的流量等。傳輸層的主要功能是將感知層采集的數據傳輸到應用層，它包括通信網絡和數據傳輸協議。通信網絡負責數據的物理傳輸，數據傳輸協議則確保數據在傳輸過程中的準確性和完整性。應用層是系統的核心部分，它對傳輸層傳來的數據進行存儲、分析和處理。借助數據分析模型和智能控制算法，應用層能夠根據農作物的需水情況生成灌溉指令，并將指令發送到感知層的執行器。同時，應用層還提供數據可視化界面，方便用戶實時查看農田環境信息和灌溉狀態。用戶層面向農業生產者和管理人員，用戶可以通過手機APP、電腦終端等設備訪問應用層，查看農田數據、設置灌溉參數、接收灌溉預警信息等，實現對農田灌溉的遠程監控和管理。

二、物聯網精準灌溉技術在農田水利中的應用優勢

（一）提高水資源利用效率

傳統灌溉方式由于無法準確掌握土壤含水量和農作物需水情況，通常存在過度灌溉或灌溉不足的問題，導致水資源浪費嚴重。物聯網精準灌溉技術能夠實時監測土壤濕度等關鍵參數，根據農作物實際需水情況進行精準灌溉，避免了水資源的無效消耗。相關研究表明，與傳統灌溉方式相比，采用物聯網精準灌溉技術可使水資源利用效率提高 30%～50% ，大幅解決了農業用水緊張的問題。例如，在干旱地區的農田應用中，此技術可以根據土壤水分變化及時調整灌溉量，確保農作物在不同生長階段都能獲得適量的水分，同時減少水分蒸發和滲漏損失，實現水資源的高效利用。

（二）提升農作物的產量與質量

農作物的生長發育對水分條件極為敏感，水分過多或過少都會對其產量和質量產生不利影響。物聯網精準灌溉技術為農作物生長提供了理想的條件，其通過高精度傳感器和智能控制系統，精準控制灌溉水量和時間，為農作物營造出適宜的土壤水分環境。在農作物的關鍵生長時期，如花期、灌漿期等，系統能夠根據不同農作物的需水特點進行精準灌溉，滿足其生長需求，如下頁圖1所示。以新疆某葡萄園為例，采用精準灌溉技術后，能夠根據葡萄不同生長階段對水分的需求，適時適量地供水，這使得葡萄園產量從27000kg?hm^-2 提升至 37500kg?hm^-2 ，優果率從55% 提高至 82% ，果實糖分含量顯著增加。同時，適宜的水分條件還能減少病蟲害發生，降低農藥使用量，進一步提高葡萄的商品價值，為農戶帶來更可觀的經濟效益。

（三）降低人力成本

傳統灌溉方式高度依賴人力，每 6.67hm² 農田需5～6 人維護，而精準灌溉系統僅需1人定期巡檢，人力成本降低 70%～80% 。管理人員只需通過簡潔直觀的用戶操作界面，預先設置好灌溉參數，如灌溉時間、灌溉量等，系統便會根據農田環境變化自動控制灌溉設備的運行。例如，系統可以根據土壤濕度傳感器反饋的數據，自動開啟或關閉灌溉閥門，無需人工頻繁進行灌溉。此外，系統還具備實時監測功能，能夠隨時掌握灌溉設備的運行狀態。一旦設備出現故障，系統會立即發出報警信息，維修人員可根據提示快速定位故障點并解決問題，大幅減少了人力投入，降低了人力成本，提高了農業生產效率。

圖1智能化精準灌溉

（四）促進農業可持續發展

傳統大水漫灌易造成土壤板結、地下水位下降，引發土壤鹽漬化等生態問題，部分灌區因不合理灌溉導致鹽堿地面積年均擴大 2%～3% 。物聯網精準灌溉技術通過精準控制灌溉量，維持土壤孔隙結構穩定，減少水土流失和養分流失。在新疆棉花種植區，該技術配合滴灌系統，使土壤有機質含量每年提升 0.1%～ 0.2% ，有效改善了土壤理化性質。此外，結合精準施肥技術實現水肥一體化，將肥料隨灌溉水精準輸送至作物根系，使化肥利用率從 30%～35% 提升至 45%～ 50% ，減少了農業面源污染。同時，通過合理規劃灌溉用水，降低了地下水開采強度，部分地區地下水位年均回升 0.5～1m ，促進了農田生態系統的良性循環，為農業綠色可持續發展提供了有力支撐。

三、物聯網精準灌溉技術在農田水利應用中面臨的挑戰

（一）技術成本較高

基于物聯網構建精準灌溉系統，前期投入的資金數額巨大。高精度土壤濕度傳感器的國產單價為200～300 元，進口為 500～800 元，每 6.67hm² 農田僅傳感器費用超萬元。再加上通信設備、安裝調試等，國產系統建設成本為8萬 ～12 萬元，進口則為15萬 ～20 萬元。此外，通信設備組網、智能控制器部署及專業人員調試等環節均產生高額費用，且系統建成后還需持續投入維護資金。對于資金有限、收入不穩定的中小農戶而言，一次性承擔數萬元甚至更高的設備采購與安裝費用，經濟壓力巨大，這極大制約了該技術在中小規模農業生產中的推廣與普及。

（二）技術人才短缺

精準灌溉技術融合了傳感器原理、通信網絡配置、智能控制系統調試等多學科知識，其操作與維護對技術人員的專業能力要求較高。然而，當前農業生產一線的人員大多是傳統農民，他們的平均受教育程度較低，對新興技術的接受和學習能力有限，難以獨立掌握和應用該技術。盡管農業院校開設了相關專業，但課程設置與實際應用存在脫節現象，培養出的學生缺乏實際操作經驗，難以滿足企業和農戶對實操型人才的需求。此外，農村地區專業技術培訓機構匱乏，導致技術人才儲備嚴重不足。我國農業從業者中大專以上學歷僅占 5% ，具備物聯網操作能力的不足3% 。農業院校相關專業畢業生中，僅 20%～30% 進入一線生產崗位，農村技術培訓覆蓋率低于 40% 。

（三）存在數據安全與隱私保護問題

物聯網精準灌溉系統采集的農田數據具有極高的敏感性，包含土壤熵情、作物生長狀況等關鍵信息。一旦這些數據泄露，可能會被競爭對手利用，從而影響農戶的市場收益。若數據被惡意篡改，會導致灌溉決策出現嚴重失誤，最終造成作物減產。此外，用戶操作數據還涉及個人農田位置、灌溉習慣等隱私信息，一旦泄露，將嚴重侵犯農戶的隱私。然而，當前物聯網精準灌溉系統普遍存在數據加密強度不足、訪問權限管理松散等問題，同時農戶也缺乏數據安全意識，未采取有效的保護措施。在數據傳輸、存儲和使用等各個環節，存在諸多安全隱患，嚴重威脅數據的安全與農戶的隱私。

（四）通信網絡覆蓋不足

在偏遠山區和廣袤農村地區，通信基站建設密度極低，部分區域甚至存在網絡盲區。我國農村地區4G覆蓋率約 95% ，但山區深度覆蓋率不足 60% ，信號中斷導致數據丟失率為 15%～20% 。以部分山區農田為例，由于地形復雜、住戶分散，運營商建設基站的成本高昂，而收益卻相對較低，這導致網絡覆蓋難以到位。即便是在有網絡覆蓋的地區，也常常出現信號弱、不穩定的情況。傳感器數據傳輸因此出現延遲、丟包等問題，智能控制系統無法及時獲取準確的信息并做出響應，灌溉設備無法按照預定策略正常運行，精準灌溉的效果大打折扣。嚴重時，甚至會導致系統癱瘓，使該技術無法發揮其應有的效能，嚴重影響物聯網精準灌溉技術在農田水利中的實際應用效果。

四、物聯網精準灌溉技術在農田水利應用中的發展對策

（一）降低技術成本

降低技術成本是推動物聯網精準灌溉技術廣泛應用的關鍵，政府和企業應形成合力，加大在傳感器、通信設備等核心技術領域的研發投入。在研發過程中，積極探索國產化路徑。例如，我國部分企業已成功研發出具有自主知識產權的土壤濕度傳感器，其性能與國際同類產品相當，但成本降低了 30% ，這正是國產化帶來的顯著成效。通過產業化發展，擴大生產規模，利用規模效應進一步壓縮成本。同時，鼓勵企業根據不同農業生產場景和用戶需求，開發高中低不同檔次的精準灌溉系統。針對大型農場，可推出功能全面、自動化程度高的高端系統；針對中小農戶，設計操作簡單、價格親民的基礎款系統。此外，政府應發揮政策引導作用，設立專項財政補貼，對購買精準灌溉設備的農戶給予一定比例的資金返還，像某些地區實施的農機購置補貼政策，使得農戶購買相關設備的成本降低 20%～30% 。還可通過稅收優惠，減免生產精準灌溉設備企業的部分稅費，激勵企業降低產品價格，讓更多農戶能夠負擔先進的灌溉技術。

（二）加強人才培養

人才短缺嚴重制約精準灌溉技術的推廣與應用，加強人才培養刻不容緩。農業院校和職業培訓機構應緊跟行業發展需求，調整專業設置，開設物聯網農業應用、智能灌溉技術等相關專業和課程。在課程內容設計上，注重理論與實踐結合。例如，安排學生到安裝有精準灌溉系統的農場進行實地實習，讓學生親身體驗系統的安裝、調試與操作。同時，通過校企合作項目，邀請企業技術專家參與教學，使學生接觸行業前沿技術。針對農業生產者，定期舉辦形式多樣的技術培訓班，培訓內容涵蓋系統操作、常見故障排查等實用技能。以某農業大省為例，通過組織為期7天的集中培訓，讓數千名農戶掌握了精準灌溉技術的基本操作，有效提升了當地農業生產效率。此外，組建專業的農業技術服務團隊，深入農村一線，為農戶提供一對一的技術支持和咨詢服務，及時解決農戶在使用過程中遇到的問題，幫助農戶更好地運用精準灌溉技術。

（三）保障數據安全與隱私保護

在數字化時代，保障精準灌溉系統的數據安全與隱私保護至關重要。

1.加大數據加密技術的研發力度，采用先進的加密算法，如對稱加密與非對稱加密相結合的方式，對傳輸過程中的數據進行高強度加密，防止數據在傳輸途中被竊取或篡改。在數據存儲環節，運用區塊鏈技術，構建分布式存儲系統，提高數據的安全性和不可篡改性。

2.建立完善的數據安全管理制度。明確數據采集的范圍和標準，規范數據存儲的方式和期限，嚴格控制數據使用和共享的權限。例如，規定只有經過授權的農業技術人員才能訪問特定農田的詳細數據。加強對數據訪問權限的管理，采用多因素認證、訪問審計等手段，確保數據訪問的安全性。

3.加強對用戶隱私保護的宣傳教育。通過宣傳手冊、線上講座等多種方式，加強對用戶隱私保護的宣傳教育，提高農戶對數據安全的重視程度，讓農戶了解數據泄露的危害，以及如何保護自身數據隱私，形成全社會共同維護數據安全的良好氛圍。

4.建立數據安全應急響應機制。制定詳細的應急預案，一旦發生數據泄露等安全事件，能夠迅速啟動應急響應流程，采取措施阻止損失擴大，并及時通知相關用戶。事后對事件進行全面復盤，總結經驗教訓，完善安全防護體系。

5.加強與專業安全機構的合作不可或缺。專業機構擁有前沿技術和豐富實戰經驗，能定期對精準灌溉系統開展全面深入的數據安全評估，精準識別潛在風險。依據評估結果提供專業指導，助力優化安全策略與技術措施，持續提升系統安全防護水平，切實保障精準灌溉系統穩定運行，守護農戶數據隱私。

（四）完善通信網絡基礎設施

通信網絡是精準灌溉系統正常運行的重要支撐，完善農村通信網絡基礎設施勢在必行。政府需加大資金投入，制訂農村通信網絡建設規劃，優先在農業主產區、偏遠山區等通信薄弱地區鋪設光纖網絡，擴大4G/5G網絡的覆蓋范圍。以某邊疆地區為例，通過政府專項撥款，在當地農村新建了多個通信基站，使網絡信號覆蓋率從不足 50% 提升至 90% 以上，為精準灌溉技術的應用創造了條件。同時，鼓勵通信企業積極參與農村網絡優化和升級工作，對農村地區的網絡進行定期維護和優化，提高網絡信號的質量和穩定性。此外，探索多種通信方式相結合的模式，如將LoRa、NB-IoT等低功耗廣域網技術與傳統通信方式結合，在保證數據傳輸穩定性的同時，降低設備功耗，延長設備使用壽命。針對網絡信號不穩定的區域，可設置本地數據存儲和處理設備，在網絡中斷時暫存數據，待網絡恢復后再進行傳輸，確保精準灌溉系統持續穩定運行。

五、結語

綜上所述，物聯網精準灌溉技術是物聯網技術和精準灌溉技術相結合的產物，是現代農業發展的重要方向。該技術通過實時監測土壤熵情、氣象條件、作物生長狀況等信息，實現灌溉的精準控制和智能化管理，能夠顯著提高灌溉效率，節約水資源，提升農作物的產量和品質，具有良好的經濟效益和社會效益。目前，物聯網精準灌溉技術在國內外已經得到了廣泛應用，并取得了顯著的節水增產效果。未來，隨著技術的不斷進步和成本的降低，物聯網精準灌溉技術將朝著更低成本、更高精度、更智能化、更集成化、更標準化的方向發展，并在更廣泛的作物種類和地區得到應用，為農業節水增效和可持續發展作出更大的貢獻。

作者簡介：孫小雙（1993—），女，河北滄州人，碩士，助理工程師，主要從事水質檢測工作。