基于物聯網的農業智能節水灌溉系統的研究

劉嬌 余宗憲 胡梅 張文 內江師范學院物理與電子信息工程學院

引言

作為世界第一人口大國，中國對糧食的需求量是非常龐大的，只有擁有足夠的糧食才能不受制于人，而傳統農業受到了資源和環境的雙重制約。農作物的良好生長離不開先進灌溉技術及設備的投入，灌溉過度會導致農作物生長滋生細菌，灌溉不足則易導致農作物生長營養供應不足。為了高效提升農業現代化、自動化技術水平，合理進行農業灌溉，將物聯網管控技術引入智能灌溉體系勢在必行。節水灌溉就是根據農作物的生長規律，在作物需水的情況進行灌溉水的高效利用，從而實現農業效益的增加。它是以降低灌溉用水的無效損耗為核心，最大限度地提高灌溉水的有效利用率，以及提高農作物的水分利用率，進而提高生產效益。在全球水資源緊缺的情況下，對水資源的有效利用是非常重要的，由于農業用水在我國水資源利用中占有一定的比例，因此采用農業節水灌溉技術，能夠有效提高水資源的利用率，同時還能滿足作物對水的需求?？梢?，農業節水灌溉技術在作物灌溉中發揮著重要作用。

1 物聯網的相關概念及基本特征

1.1 基本概念

物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）是指把所有物品通過紅外感應器、射頻識別技術、激光掃描器、全球定位系統等各種裝置與技術與互聯網連接起來，通過實時采集物體或過程的聲、光、熱、電、力學、化 學、生物、位置等各種需要的信息，經各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的連接，實現信息交換和通訊，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡。

1.2 基本特征

物聯網的基本特征從通信對象和過程來看，人與物、物與物之間的信息交互是物聯網的核心。物聯網的基本特征可概括為智能處理、可靠傳輸和整體感知。

(1）智能處理。通過運用各種智能技術，對感知和傳送到的數據、信息一一進行分析與處理，使控制與監測變得智能化。

(2）可靠傳輸。為了使物體的信息實時、準確地傳送，達到信息的交流和分享的目的，可將互聯網、無線網進行融合。

(3）整體感知。通過利用二維碼、射頻識別、智能傳感器等感知設備來達到獲取物體的各類信息的目的。

2 系統

2.1 基本系統框架

基于物聯網技術的農業智能節水灌溉系統由數據采集處理部分、數據傳輸部分以及人機交互部分三部分構成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1系統結構框圖

依托于4G無線遠程通信技術，采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器獲取農作物的土壤環境指數，并將其發送至互聯網平臺實現對土壤環境的連續監測。

2.2 數據采集處理

數據采集處理部分以KZM4矩陣為中心，采用傳感器設備對農作物土壤環境指數進行采集并實時傳輸給中央系統，系統對采集的數據進行處理與分析，并生成相應的決策，對灌溉控制系統發出指令。土壤的各個節點都設置了監測設備，每一個節點都可以實時的采集控制區內的信息，從而達到監測農作物土壤水分的目的。采集到的信息可以在節點內進行處理，然后通過其他節點傳輸到匯聚節點，隨后利用無線通信技術把采集到的信息傳輸到網關。

根據農田的特性，傳感器節點的硬件設計應遵循以下幾點：

(1)低成本：由于傳感器節點的數量較多，單個節點的成本會很大影響整個系統的成本。為了有效降低整個系統的成本，必須盡可能降低單個節點的費用，但要在保證節點性能的前提下采用此方法。

(2)微型化：由于農田的特殊性，傳感器節點需要大量部署在監測區域，考慮部署簡易方便以及對目標系統本身的特性沒有影響等問題，傳感器節點的體積要非常小才能很好的監測信息。

(3)低功耗：由于傳感器節點通過電池供電，電量有限，等電腦耗盡后，傳感器節點會停止工作，整個系統的傳感器網絡的拓撲結構也會相應變化。故減少節點本身的功耗，延長節點使用壽命，對于整個系統穩定、運行高效是非常有意義的。

(4)可擴展性：在系統的后期應用中，可能會有新的需求，因此一個具有可擴展性的系統可以根據需求增加不同的功能器件。

(5)優良射頻性：節點間通信距離是限制無線傳感器網絡應用的重要原因[8]，由于農田環境的特殊性，無線信息的傳播與通信距離指數相關并衰減，節點之間的通信距離直接影響到發射功率的消耗，最后會引發功耗相關問題。因此，改善系統的工作能力可以提高射頻性能。

2.3 數據傳輸

數據傳輸的工作過程是：把傳感器部分采集到的數據，利用無線通信技術傳輸到網關，再利用合理的、有效的路由協議，將數據更安全更可靠的傳輸到監控中心。該系統可選用WiFi通信網絡、GPRS通信和藍牙通信等，但該系統主要選用GPRS通信。

WiFi通信網絡所利用的是網絡資源，它的優勢是可以使通信的距離延長，覆蓋面積更廣，使用成本低下，并且其兼容性強，傳輸速度快，此技術已經在國內很多領域被廣泛利用。

GPRS通信技術，它的工作模式是分組數據的承載，它具有的優勢是實時在線，高速傳輸， 快速登錄等等，它主要被廣泛應用于手持式的設備之中，也廣泛應用于農業物聯網中。此技術沒有距離的要求，但需要支付通信的費用。

藍牙通信技術是短距離無線通信的一種，擁有藍牙功能的設備之間都可以利用藍牙連接，傳輸速度也比較快，并且能夠抗外界干擾，所利用的頻譜在各個國家都不會被限制。

2.4 人機交互

人機互動實際上就是人與機器或者人與計算機的交互。監測中心把采集到的數據進行分析并處理，控制平臺接收到數據后，用戶根據所獲得的土壤濕度信息數據來決策是否發送開啟灌溉設備的命令。同時，數據采集端采集到的數據通過控制端存儲到數據庫中，倘若人們想了解農作物生長環境的土壤濕度參數，就可在在數據庫中提取。為使人們更加直觀地完成操作管理，可簡化讀取數據，在控制端上設計可顯示界面的編程。通過這樣的人機交互方式可更加精準地灌溉農作物。

2.5 系統主要功能特點

(1)灌溉可分為傳統灌溉和節水灌溉。傳統灌溉是指灌溉水從地的表面進入田間、直接侵入土壤的方法，主要有淹灌和漫灌。節水灌溉措施包括節水型地面灌溉、低壓管道輸水灌溉、噴灌、滴灌等。與傳統的灌溉相比，節水灌溉不僅能夠節約水資源、人力資源，還能減少能量的消耗，是現代農業的發展方向，也是實現水資源高效利用的途徑，而此系統將節水型地面灌溉與4G、物聯網結合起來。

(2)系統能夠對整個數據信息進行良好的管理，這一管理主要是針對內部的數據信息而言的。同時系統能夠有效搜集土壤的情況，并智能化地定制相應的灌溉方案，對灌溉設備進行智能化的控制。

(3)具有實用性、廣義性、經濟性、理論性。采用4G技術進行控制并采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器等模塊進行數據采集，可在手機上操作系統，能夠實時在線，高速傳輸，快速登錄等功能，更加貼近生活，節約時間及成本。

3 結語

在水資源日益匱乏的難題下，根據農作物需水量實施節水灌溉是亟需解決的難題。基于物聯網的農業智能節水灌溉設備是根據農作物的需水量進行科學灌溉，具有運行可靠、設計合理、實用性強的優點，解決了傳統灌溉中水資源浪費、穩定性差的問題，使得農業水資源得到充分利用，達到了保護環境，有效利用農村能源和農業可持續發展的目的在農業灌溉方面有很高的實用價值。