一種物聯網的智慧化遠程滴灌系統

石河子大學機械電氣工程學院 王猷智 周 杰

隨著我國經濟的發展和科學技術的進步，農業生產方式開始向信息化方向發展，已取得不錯的成績，但仍有諸多問題殘留，一是水利灌溉方式不合理，造成水資源浪費。二是濫用肥料，導致化肥浪費、農藥化肥殘留。三是農業生產基地的環境因素基本依靠人們的經驗來判斷調整，易產生誤差。因此，研究一種基于物聯網的智慧化滴灌系統，實現農作物種植的精確控制，對現代農業生產意義重大。

近年來，我國的農業發展獲得了顯著成就，糧食產量已經滿足國內需要，但在生產技術、科技應用、科學管理等方面仍存有諸多問題：（1）在水利方面，傳統農業施水采取的漫灌方法用水浪費嚴重；（2）在施肥方面，過量使用化肥導致肥料浪費，且易導致土壤結構破壞，重金屬過量，并且農產品肥、藥殘留量增加，損害人類健康；（3）憑經驗人工調整的環境參數易產生誤差，致使農作物生長所需的環境參數不精確，影響農作物產量。而通過物聯網與水肥一體化系統相結合的方式，利用傳感器技術，大數據與云技術，可對溫室大棚等農業生產基地進行實時監控，實現遠程控制及科學智能管理，并最終實現農業生產過程的自動化與信息化。基于物聯網的智慧化遠程滴灌系統可完成大棚內環境參數的采集與分析處理，根據農作物生長需求采取合理調控措施，使農作物始終處于最適生長環境，可節約大量人力物力，具有良好的發展前景。

1 物聯網技術

物聯網技術最早由麻省理工學院科研團隊提出，其本質為基于傳感器技術、電子信息技術、互聯網技術的傳感器網絡。將物聯網應用于農業生產可促使信息技術和現代農業種植管理互相交融、發展與升級，幫助廣大農民節約資源與勞動力，實現精準農業，保證農作物質量。

物聯網系統結構包括感知層、網絡層與應用層。感知層主要包括數據采集系統、通信系統與信號處理系統，其負責數據采集、通信，通過各種傳感器采集環境的各類數據，經過預處理后通過通信網路發送廣域網。網絡層主要使用互聯網與移動通信網等通信傳輸網絡，使感知層收集的數據信息傳至應用層。應用層根據實際需求及數據處理結果實現應用控制與系統服務功能。

關于農業物聯網，感知層是信息化農業生產的關鍵所在，其信息采集對象主要包括空氣質量、溫濕度、土壤成分、水體環境等與農作物生長緊密相關的因素。傳輸層主要通過多種網絡途徑將感知層所有信息采集節點采集的各類數據安全精確傳送至服務器或客戶端上，完成長距離、廣范圍的大數據通信、分析處理與存儲。應用層對采集所得數據進行收集匯總、分析處理、信息共享、決策判斷，并建立基于農產品實際需求的應用平臺。

為確保物聯網系統性能穩定可靠，對感知層所采集信息選擇合適的數據融合處理算法，并集中收集傳感器數據，以無線方式完成傳輸，以此提升系統的穩定性與可靠性。與依靠經驗判斷農產品的生長環境相比，通過傳感器自動采集農產品的生長環境因素，并進行合理決策調整，既降低了勞動力投入，又減少了成本，比前者更具客觀性與準確性。

2 水肥一體化

水肥一體化技術會根據農產品生長環境所需，通過專業設施將肥料、土壤與水按照合適的比例充分混合，最終以滴灌或澆灌的方式供農產品吸收。由于不同農作物生長特點不同，且所需的水肥比例不同，為打造最適合農作物的生成環境，需區分設計水肥一體化供給系統，以確保水分和肥料按時、科學的傳輸至農作物。通過水肥一體化的滴灌方式，可有效降低化學藥品的使用，提升了水肥的使用效率，進而減少農業用水肥的成本。水肥一體化在我國發展較晚，現階段仍存在一些問題，例如設備體積大、操作繁瑣，需要在仿真應用及管道鋪設等方面繼續投入大量的調查研究。

我國傳統農業化肥用量較大，但肥料利用率較低，農作物無法有效吸收所施肥料，殘余肥料甚至會影響土壤結構，降低土壤蓄水功能，進一步造成水資源浪費。故研發精確可靠的水肥一體化系統可提高水肥利用效率，降低農業生產種植成本，避免因過度施肥造成的土壤惡化問題，使農作物更好的吸收養分。

3 物聯網技術在農業中的應用現狀

物聯網技術應用在農業生產環節中時，很大程度上可以提升現代農業系統的發展效率。通過物聯網和互聯網間的信息集成技術與目前的精準農業生產技術，及相對成熟的農作物生長過程管理機制，為確保農作物及農業生產工作的可靠運行提供準確的數據服務。基于物聯網技術的現代化農業所需的人才及資金方面，在政府對現代化農業重點關注之后，也通過技術產業園區對其進行人才及資金方面的扶持。但根據目前的物聯網農業完成的信息化進度，仍存在部分遺留問題，亟待解決。

一是根據當前農業信息化發展現狀來看，因各地域間的自然環境因素和地區經濟體系的差異，導致農業信息化在各地區的發展存在一定不平衡性，使農業信息系統的應用不能形成有效基準，進而造成部分地區的信息需求存在一定程度的差異性，若農業信息的傳輸不再具備時效性，那么其必會影響農業生產人員的正常勞作需要。

二是現階段大部分農業體系堅持以區域為中心，在技術層面實行自主研發策略，從物聯網標準化層次來看，這造成我國各地域農業現代化發展不平衡不充分，很大程度上限制了農業現代化進程的科學性與準確性，導致后續研發工作缺乏準確的相關信息。故政府部分應發揮宏觀調控作用，憑借其主導地位，明確各地區農業現代化發展進程，收集并整合相關數據，實現統一規劃協調，確保相關標準的制定與農業現代化的發展一致。

最后，現代化農業體系的建設關鍵以信息技術為基礎完成操作，實現同步傳輸及共享各種信息，這就要求農業工作者自身應具有一定的知識儲備，才可實現物聯網農業的一系列操作。在專業技能層次，根據我國目前農業工作者的相關知識儲備，大部分農業人員無法適應技術發展體系。故相關農業工作者的技能培訓需進一步強化，確保其具備自動化系統的實際操作基礎，以提升農業現代化的發展效率。

4 物聯網技術在農業中的實際應用

4.1 系統設計層次的應用

基于物聯網技術，可有效結合智慧農業系統下的各類信息處理環節，通過各類傳感器將數據傳遞至數據系統中，完成對數據系統的綜合分析。利用互聯網、物聯網，可以實時監控智能農業系統整體的數據運行模式，依靠網絡信息傳輸，提升數據感知能力，以確保農作物生長過程中各類狀態數據可被系統精確采集。在現代化農業系統設計過程中，物聯網體系框架可將農業系統實現模塊化設定，并可利用數據傳感技術將各類數據在指定終端存儲，提升了數據傳輸的可靠性，保障了現代化農業體系的完善建設。

4.2 監控層次的應用

在物聯網加持下的農業監控系統可實現生產的全流程監控，如對植物的狀態信息和空氣成分、溫濕度等生長環境數據進行分析處理，可對農業工作者提供實時、同步的準確測量數據，可有效節省人力資源。通過物聯網傳感器網絡對農作物生長信息采集，并對比數據庫中的參考值，可及時排除植物生長過程中的潛在風險，為工作者的決策提供支持。

4.3 物聯網傳感器系統的應用

傳感器可實現對內部數據進行收集，利用RFID技術對信息進行無線傳輸，確保了對接過程中的數據可靠性。在云服務技術支持下，通過云平臺可實現對大容量數據的采集與處理，避免了數據過度傳輸導致的冗余問題。并且憑借物品內的二維化信息可通過信息傳感技術對其在物聯網空間進行結構定位，且可利用這種信號識別提升物聯網系統的通信效率。這對于農業來說，農作物及其生長環境信息可真正的為后續的管理工作提供數據支持。

4.4 無線傳感器網絡子系統的實際應用

目前，無線傳感器網絡主要服務于農作物環境的遠程監控，將各類傳感器合理布置在農業生產環境，可實現對整個生產環境信息如溫濕度、土壤成分等信息的采集，然后利用無線傳感器技術對所采集數據建立數據模型，從而對數據庫中的各類信息進行精準分析、整合。當傳感器傳輸的數據存在誤差時，可以通過模型及時定位，從而準確地檢測出此傳感器存在的問題，為農業工作者提供數據支持。

5 基于物聯網的智慧遠程滴灌技術

本文提出的基于物聯網的智能遠程滴灌系統，可向農業人員提供農作物生長的各類環境信息，包括土壤濕度、PH值、養分組成、大氣成分、氧氣濃度等數據，將采集所得數據分析處理并加以管控，使農作物可以得到智能化管理，為農民帶來便利。針對不同農作物的生長環境，該模式可實現水肥自動混雜、施水施肥一體化自動操作，自動實現溫室遮陽、通風口開閉等過程，為農作物生長提供最適環境。

物聯網配置簡便、規模大、具有較強的可控性與可靠性。故物聯網模式廣泛應用于軍事和醫療等領域。在實際環境下，物聯網的安裝維護并不困難，后期維護成本與難度也并不高，為環境的信息采集與分析工作很大程度上提供了便利。

將物聯網系統的應用于農業方面，也可充分發揮物聯網體系結構的優點。本文設計系統包括土壤信息采集部分、總控部分、通信部分、開關電路部分、管理控制部分、云服務等。系統可對農作物生長環境的各種信息進行自動化分析處理，也可依據特殊情況進行人工處理。依托云平臺，實現將所收集數據的分析處理，完成自動控制操作，若有參數超過閾值，則會發出報警信息以示提醒。

總結：基于物聯網的農業智慧滴灌技術在現階段較為新穎，其通過將肥料和水分混合的方式，使肥料持續、有效的滴入農作物根部土壤，在灌溉施肥的同時可有效規避土壤徑流的風險，提高水肥的利用效率，并且可以根據周邊環境情況、土壤肥力等級、不同農作物生長所需養料不同調節肥料類別與水肥配比，同時可以調節溫濕度、降低成本、從根本上改善農產品品質。但現階段相應系統普及率不高，具有很大的發展空間，如：（1）向針對特定環境、作物的精準農業方向發展，以滿足我國各地區不同土壤環境種植農作物的需求，促進農業的現代化和經濟化的發展。（2）向設施的標準化、技術的規范化的標準體系發展，實現農業水肥灌溉統一的技術規范，以提升農產品的品質與產量。（3）向規模化、現代產業化發展，以提升農業生產的效率，進一步提高產品的品質質量，推動中國農業向現代化農業發展。