基于物聯網技術的高標準農田建設模式初探
——以天津市大鐘莊農場為例

李建華，郝 炘，牛明雷

（1.天津農墾渤海農業集團有限公司，天津301823；2.農業農村部工程建設服務中心，北京100125）

我國是農業大國，農業是國民經濟的基礎，確保糧食安全對于保障國家安全、促進社會和諧穩定有著重要的意義[1]。高標準農田是指在劃定的基本農田保護區范圍內，建成集中連片、農電配套、生態良好、土壤肥沃、高產穩產、抗災能力強、與現代農業生產和經營方式相適應的基本農田[2-4]。大力推進高標準基本農田建設、堅持因地制宜、提高基本農田質量、增加有效耕地面積、加強生態環境建設、建立保護和補償機制，對于確保國家糧食安全和主要農產品有效供給、提高農民收入、促進城鄉統籌發展、實現農業可持續發展具有重要意義[5-6]。實施“鄉村振興戰略”是黨的十九大作出的重大決策部署，為開展高標準農田建設和推動鄉村發展指明了方向[7-8]。

2017年，經國務院同意，國家發展改革委員會、財政部、國土資源部、水利部、農業部、中國人民銀行和國家標準委員會等7個部門聯合印發了《關于扎實推進高標準農田建設的意見》，強調當前各地切實抓好落實高標準農田的各個環節，進一步提升建設質量和水平，推動高標準農田建設邁上新臺階。在中央財政的大力支持下，各地通過資金整合、推動新型農業經營主體建設等措施，在推進高標準農田建設方面取得了顯著成效[9-11]。

本研究以天津市大鐘莊農場為例，在560 hm2高標準農田項目區域內，結合農場地形、水源、種植情況等條件，進行物聯網平臺和物聯網示范點建設，探索適宜天津市的高標準農田建設模式，以期為天津農業發展和高標準農田建設提供理論參考。

1 研究區概況

項目建設地位于天津市寶坻區大鐘莊農場。該地屬大陸性季風氣候，四季分明，冷暖干濕差異明顯，春旱突出，夏季高溫多雨，秋季降溫迅速，冬季少雪多風。年平均氣溫11.6℃；年降雨量613 mm，80%集中在農作物生長季，無霜期年均193 d，年平均≥10℃有效積溫為4083.2℃。全年日照充足，年均日照時數為2 578.8 h，日照率為59%。研究區平均水資源總量為2.59億m3，入境水量為12.48億m3，年利用引灤水規模為900萬m3。區內地表水一次性蓄水能力為1.65億m3，地下水總供水能力為1.05億m3。豐富的地表水和地下水資源，為項目的建設和生產運營提供了用水保障。項目區北部具有較厚的土層，土壤類型主要為壤土，有機質含量高，持水能力強，適于種植多種蔬菜和糧食作物。中部土壤主要是潮濕土，適合種植高粱、水稻和麻類等。鹽化潮濕土分布在項目區南部，適宜種植生長周期較短的作物。東部土壤主要為黏質土，適宜種植水稻、大豆和小麥等作物，適合現代農業產業化項目的建設。

2 建設目標和規模

2.1 建設目標

項目根據生產經營需要，計劃在560 hm2高標準農田項目區域內，進行物聯網平臺和物聯網示范點建設，將區域內所有農業物聯網建設點的地理信息、企業信息、環境變化信息、生產管理信息進行遠程管理的維護。在區域內通過物聯網應用示范帶動農業科技支撐生產，帶動科技支持農業生產的整體發展。

2.2 建設規模

項目區新建監控中心203 m2，新建聯通基站1座，自動氣象站4座，信息采集系統37套，泵站自動化及水位監測系統14套，視頻監控系統1套。

3 建設工藝流程

項目本著科學合理的原則進行空間布局和規劃，使監控中心、自動氣象站、信息采集系統、泵站自動化及水位監測系統、視頻監控系統等設備能夠功能效率最大化，對農業生產起到重要的支持作用。

3.1 自動氣象站

在研究區共4個氣象站。建自動氣象站分為以下7個步驟：埋設氣象站桿混凝土基礎；將立桿立起來固定在混凝土基礎底座上；將太陽能電池板固定在氣象桿上；把光照、溫濕度、雨量、風速風向傳感器和DDC控制箱安裝到氣象桿上；周圍用4個2 m長、1.2 m高的不銹鋼圍欄將氣象站圍起來；在道路重要路口用不銹鋼支架固定4塊顯示屏，支架用混凝土預埋件固定，用來及時顯示氣象站采集到的數據；檢測調試。

3.2 信息采集系統

在每塊地的進水渠安裝一個信息采集系統，共計37套。建信息采集系統分為以下6個步驟：埋設信息采集系統太陽能桿混凝土基礎底座；將桿立起來固定在混凝土基礎底座上；將太陽能電池板固定在太陽能桿上；把水位、水分、溫度、pH值和電導率傳感器分別安裝在枝干上并連接到DDC控制箱里的線；周圍用4個1.0 m長、1.2 m高的不銹鋼圍欄將信息采集系統圍起來；檢測調試。

3.3 智能水位監測及灌溉控制系統

智能水位監測及灌溉控制系統共計14套。安裝步驟為：在泵站加裝電磁流量計和電動法蘭蝶閥；在混流泵上加裝液位監測裝置；在蓄水池中安裝太陽能供電的水位監測系統；設定水位監測系統上下限值，并與泵站DDC控制箱相連；智能施肥機安裝；檢測調試。

3.4 視頻監控系統

視頻監控系統建設及安裝分為以下8個步驟：管路敷設；線纜布放及連接；網線布放及連接；電源線網線布放及連接；前端設備安裝（攝像機、球機）；監控系統中交換機的選型和安裝；中心設備安裝；系統調試。

4 建設效果

4.1 自動氣象站

其要素包括溫度、濕度、雨量、光照、風速、風向。在現有的大田中，按照需求布置相應的測量點，對區域內不同深度的土壤溫度、土壤pH值、水位及電導率等與水稻長勢相關的信息數據進行測量和采集，并通過自動氣象站把空氣的溫濕度、風速、風向、光照和二氧化碳等影響植物生長的數據通過無線傳輸設備發送到客戶終端，并進行數據的積累和發掘，實現對大田詳細信息的了解，并指導農田的實際生產操作。比如施肥時間、施肥種類、灌溉時間和種植時間等，依據采集到的信息對植物進行相應的施肥和種植，以達到農作物最適合的生長環境，起到防災減害及增產增收的效果。同時在稻區的主要交通要道安裝4個顯示屏，實時顯示稻區的環境。

4.2 信息采集系統

信息采集系統要素包括土壤水分、土壤溫度、電導率、水位、pH值。通過信息采集系統檢測設備掌握水稻不同生育階段的需水規律，自動采集土壤信息：田間含水量、土壤pH值、水位等數據。通過實時在線監測，收集數據，建立數據庫，從而掌握水稻不同生長時期最佳的生存環境，最終可實現高效節水、節約人工、降低能耗等，大幅提高水資源利用率；減少因墑改種、早種、晚種的種子、肥料、農藥等損失，實現增產增收；根據墑情和農田環境及時調整產業結構，增加效益；及早采取抗旱、排澇等減災措施，減少因災損失等[12-13]。

4.3 智能水位監測及灌溉控制系統

水渠水位檢測隨時將水渠水位記錄并上傳客戶終端，同時根據農作物不同生長周期需水量不同，來設置水渠的水位，設定水位的上、下限，用信號線與施肥機相連。通過施肥機灌溉控制系統（圖1），能夠自動控制泵站的開關，也可以進行遠程控制，并實時上傳灌溉量，隨時進行精準灌溉，大大減少了時間及人力，并最終達到節水灌溉、增產增收的效果[14-15]。

4.4 視頻監控系統

實時監測農田作物的環境信息、田間病蟲害情況、作物生長管理情況和設備運行情況。通過視頻監控系統獲取圖像，對我們了解農田實際情況更加直觀明了[16-17]。例如，某個田塊的灌溉情況，在物聯網系統中可以看到相應土壤實時含水率的數值，但是由于農田土壤質地的空間變異性，導致同一個田塊土壤含水率存在空間變異性，農田作物生長狀況根據土壤質地和土壤含水率會有不同的響應特征，從而不能用某個土壤含水率數值表征農田的灌溉情況。通過視頻監控系統采集農田圖像信息，可以直觀地了解農田作物的實時狀況；通過對圖像進行處理分析，不僅可以了解農田作物整體長勢、病蟲害實時情況，還可以了解農田作物營養盈虧狀態，從而制定更加科學合理的種植策略[18-19]。同時對稻區一些重要設施起到防盜作用。

4.5 報警系統

在泵房安裝報警裝置，在未經許可進入泵房的時候，報警裝置會把信號發送到監控中心，再通過報警軟件發送到負責人手機上，以此來確保泵房設備的安全。

4.6 軟件平臺

將稻田里所采集的數據和監控畫面實時進行記錄和分析，并將異常結果以報警方式通知給監控者。同時通過采集到的數據進行遠程或自動灌溉，減少人力。最后生產管理者通過專家知識庫與專家進行網上互動，解決農業生產過程中遇到的問題[20]。

4.7 監控平臺

上述所有采集的數據及監控畫面都連接到監控中心，在監控中心通過現場視頻及軟件平臺遠程在線采集到的土壤墑情、pH值、水位、養分、氣象信息等，實現墑情（旱情）自動預報，遠程、自動控制灌溉設備等功能，最終達到精耕細作、精確施肥、合理灌溉、減少人力，實現增產增收。

5 效益分析

采用物聯網技術應用后，可提高作物產量10%～15%，采用水肥一體化技術后土壤栽培節水、節肥效果明顯。應用水肥智能控制系統后，實現作物生育期內的灌溉施肥智能判別和精細管理，有效降低了人工成本，提高了勞動效率，實現作物不同生育階段按需灌溉施肥，可防止因施肥過量造成的環境污染問題，提高作物種植中水分、養分利用效率，顯著提高作物的產量和品質，從而增加農民收入。

6 小結

本系統立足田間，基于物聯網建立高標準農田，通過布置自動氣象站、信息采集系統、泵站自動化及水位監測系統、視頻監測系統、報警系統和軟件平臺等，實時采集灌區環境、墑情、設備運行和管理情況等信息，通過專家決策系統和生產者管理需求，實現灌區內農田的集約化、精準化和自動化管理，降低生產管理成本，提高勞動效率，節水節肥，實現作物高效生產。