智慧農業視角下無線通信技術在灌溉中的應用

武裝

（山東農業大學信息科學與工程學院 山東省泰安市 271008）

目前中國的農業發展水平得到了前所未有的提升，現代化建設初步取得成果，播種設備等各種各樣的現代生產設備發揮了重要作用，解決了傳統農業生產模式中存在的一系列問題。而農田灌溉屬于農業生產當中必不可少的重要組成部分，利用先進的無線通信技術實現智慧農業發展目標、提升農業灌溉有效性，是目前業內人士研究和探索的重中之重。為了讓無線通信技術能夠在灌溉當中發揮應有作用，必須要盡快對本課題進行深入探討。

1 智慧農業、無線通信與農業灌溉

水資源是人類賴以生存的重要資源，水資源短缺所帶來的社會問題越來越嚴重，而農業生產無疑需要充足的水資源支持，通過一系列節水舉措的應用，2018年我國農業用水量得到了有效控制，但是仍然占據了全國總用水量的53%。與此同時，還有一部分地區的農業灌溉方式比較陳舊，無法達到作物灌溉標準的同時，還可能會導致嚴重的水資源浪費，農戶只能根據自己的生產經驗判斷灌溉時間和灌溉用水量，顯然與現代化農業發展目標背道而馳，在這種情況下，充分利用人工智能技術、無線通信技術等建設智慧農業灌溉技術體系，可謂是勢在必行。所謂的智慧農業，實際上是農業中智慧經濟的一種延伸和體現，在發展中國家，智慧農業甚至可以看作智慧經濟的主要構成部分，能夠助力發展中國家擺脫貧困、推動發展中國家經濟發展，對智慧農業下的各種技術進行研究，都是國家經濟發展的重要舉措。智慧農業視角下的無線通信技術，能夠在農業灌溉當中發揮重要作用，其主要可以分成中央控制系統、田間監測系統和控制終端、壓力傳感系統等，能夠對土壤水分含量進行分析計算，確定缺水程度以后，根據不同作物對水份的需求量、不同季節作物的生長規律等，準確計算農業灌溉的水量。更重要的是，在人工智能技術的支持下，智慧節水灌溉系統還能夠結合作物種類自動設定灌溉水量的上下閾值，在土壤含水量達到作物需水量下限值的時候進行灌溉、在含水量達到作物需水量上限值的時候自動停止灌溉，這樣一來就達到了節水和保障植物生長的雙重目標，相比于傳統人工灌溉模式，其優越性不言而喻。

2 無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用

無線通信技術屬于現代化技術發展的重要產物，能夠對文字、圖片、音頻乃至于視頻信息進行數字轉碼和傳輸，提升了各種信息的傳播速度，能夠避免大批量信息同時傳輸發生信息損毀、信息失真的問題，隨著人們對無線通信技術研究的深入，它開始在各行各業發揮作用。我國的農業灌溉用水量非常大，不符合農業節水發展目標，而將無線通信技術應用到灌溉當中，則能夠讓這一問題迎刃而解。為保證無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用質量，需對以下幾方面內容進行研究：

2.1 應用目的

利用無線電通信技術優化智慧農業灌溉系統，能夠從根本上解決傳統農業灌溉中水資源浪費的問題，使我國的農業生產朝著現代化、環保化方向發展，還能夠讓農戶更好地了解農田的實時情況和數據，幫助農民更好地掌握智慧農業技術應用方法。更重要的是，無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用，有助于提升農田灌溉的效率和有效性，降低灌溉所需要的成本，促進我國農業生產的進一步發展。

2.2 應用問題

無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用，離不開大量資金和高素質人才的支持，然而普通的農戶無法提供大量資金用于系統建設，他們對各種高新技術的了解程度也比較淺薄，很難在無線通信設備和灌溉設備出現故障的情況下，對設備進行故障維修和系統升級。這必然會影響到無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用效果，在了解這一問題的基礎上探究系統設計，才能取得實質成果。

2.3 具體系統設計

回顧傳統農業生產模式不難發現，農業灌溉當中一直存在水資源利用不合理的問題，必須對無線通信智慧灌溉系統的功能結構進行完善，根據農業智慧化發展模式的要求，做好無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用設計工作，才能從根本上提升農業智慧灌溉的有效性。

（1）要盡快對系統用戶操作界面的功能頁面進行調整，根據智慧灌溉過程中的操作需求，增設檢測、數據傳輸、傳感、控制等功能模塊，為農戶提供更加便利、更加流暢的使用體驗，提升系統應用效果。

（2）要盡快加強無線灌溉系統的通信功能測試，確保系統的穩定性，解決周邊環境可能帶來的負面影響，規避因距離、信號、溫度、濕度、噪聲等導致的應用問題，提升該系統的應用價值。

（3）要進行設備內部系統的后臺運算功能優化，結合農戶實際使用操作情況更改運算模式，對系統的農田監測能力進行優化，降低農業灌溉所需的人力成本，實現農業現代化的發展目標。就目前來看，LoRa 技術的土壤墑情實時監測控制系統顯然具有一定的應用價值，它能夠根據農業灌溉的具體需求，通過節點、網關、服務器對農業種植場地環境參數進行實時采集，對農作物生長環境進行判斷，并在自動灌溉系統的支持下，準確有效地為農業生產提供有力支持。在應用實驗當中，LoRa 最高的接收靈敏度比傳統技術高出20 dBm 以上，在這種情況下，系統之間的信號傳輸可靠性將成倍增長，能夠有效規避網絡干擾。最后，系統當中的集中器模塊還能夠同時對多個節點的數據進行處理和分析，降低了無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用成本。

2.4 研究目標

（1）系統具有農作物土壤條件監測功能，能夠讓農業灌溉用水的利用率達到九成以上，有助于解決我國干旱缺水的問題，避免水資源的不必要浪費。

（2）對決策體系結構進行完善，在分析節點收集到的數據的基礎上給出監測結果，并在控制系統的功能支持下，實現具體的灌溉操作，這樣一來農作物的灌溉水平將得到根本性提升，單位農作物產量可提升20%左右。

（3）了解作物種植環境對無線信道傳播效果的影響，為無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用提供數據支持，保證土壤墑情監測質量，推動我國智慧農業灌溉的發展進步。另外，設計多種傳感器節點數據融合技術，從而達到分析農作物生長特征、優化農作物生長環境的效果，利用無線通信技術對傳感器進行調試，并對數據采集設備進行完善，保證組網模型技術方案的合理性。

2.5 智慧農業灌溉中的無線通信技術

為了有效實現農作物土壤監測、灌溉決策體系建設等一系列研究目標，工作人員反復對無線通信技術和農作物灌溉需求進行探索，經過不斷地嘗試以后，得到了兩種常見的無線通信灌溉控制技術。這兩種技術各自具有較高的應用價值，能夠在農業生產中切實發揮作用，因此有必要對這兩種技術進行充分了解：

2.5.1 遠程遙控開關技術

目前市面上已經出現了比較成熟的遙控智能開關，比如杭州某信息技術公司就開發出了Smart Plug Wi‐Fi 開關，能夠通過手機APP 實現智能化遙控。農戶可以利用智能手機當中安裝的APP 控制智慧灌溉系統，這解決了過去農業灌溉需要控制時間、需要控制空間的問題，能夠連接網絡的智能手機，都可以成為灌溉設備的遙控開關，具有突出的應用價值。比如我國東北地區某農業生產大市就進行了無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用嘗試，實驗樓和農田之間距離比較遠，在過去的生產當中，實驗人員往往需要不斷地往返于實驗樓和農田之間，查看土壤含水量、明確農作物生長情況、進行農田灌溉，整體的工作效率比較低、同時實驗人員的工作量也無端地增長幾倍，在應用遠程遙控開關技術的情況下，這一問題得到了妥善地解決。實驗人員可直接利用無線通信技術——即Smart Plug Wi‐Fi 開關——進行上述工作，在附近有網絡的情況下連接無線網絡、在沒有網絡的情況下打開手機的4G/5G 信號，都可以實現遠程遙控開關目標，特別需要提到的是，這一開關過程所消耗的網絡數據可以說是微乎其微，并不會產生大量手機流量，因此農戶在應用的時候也不必考慮網絡費用，從根本上提升了無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用效果。

2.5.2 遠程畫面控制技術

利用無線Wi‐Fi 攝像機實現遠程監控、高清拍照，就能夠收集到農田內的實際信息，再加上無線通信技術的信息傳輸功能，農戶又可以借助遠程畫面技術接收實時畫面，并據此確定是否主動進行農田灌溉，這解決了自動灌溉系統可能存在的一些風險，保證了智慧農業的生產效率。在各種高新技術不斷去的新發展的今天，遠程畫面傳輸已經不再是新鮮事，交通道路監控攝像系統就是比較具有代表性的遠程畫面系統，它能夠在拍攝到違規車輛的時候第一時間把信息傳輸到交通部門的電腦系統當中，而無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用原理與之類似，都是以無線通信技術為基礎對某位置情況進行監控。無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用，是無線通信技術應用的一種創新，為未來智慧化農業發展指明了新方向，技術人員可在遠程畫面技術的基礎上進一步開發，構建數字化技術控制、無線通信技術傳輸的高科技智慧農業灌溉系統。目前，遠程畫面技術已經得到了廣泛應用，比如在水稻種植業當中，農戶需要根據水稻抽穗情況確定灌溉水量、灌溉頻率等，頻繁地到農田當中進行查看，顯然不利于農戶的高效生產，而利用無線Wi‐Fi 攝像機就可以24 小時不間斷地拍攝水稻生長情況，農戶在有需要的時候，打開手機上安裝的APP 即可實時觀察水稻抽穗情況，并了解稻田的水份存留情況、病蟲害嚴重程度等，在此基礎上進行合理灌溉和田間管理，往往能有效提升農田灌溉的準確性和有效性。在今后的發展中，必須要盡可能推廣這種遠程畫面技術，讓無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用質量得到根本性提升。

2.6 無線灌溉系統在農業中的應用展望

中國自古以來就是農業大國，即使是在工業化高度發展的今天，農業也仍然是保障人民群眾正常生活的根本性產業，經過幾十年的技術研究，我國的糧食產量已經完全能夠滿足人民需求，但是其中仍然存在水資源浪費等環保問題，特別是在農業灌溉的過程中，受到灌溉水量控制不合理、灌溉時間不科學等原因的影響，往往存在嚴重的水資源浪費風險，這顯然與可持續發展戰略目標背道而馳。在這種情況下，推動無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用十分有必要。在未來的工作中，技術人員需進一步提升對人工智能技術、無線通信技術的研究力度，根據農業灌溉的實際流程，完善現有智慧灌溉系統的功能，使我國農業朝著自動化、信息化、產業化方向發展，同時利用好電子通信技術、傳感器技術等一系列新技術，盡可能降低無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用成本，讓農業生產的綜合效益得到保障。

3 結語

無線通信技術能夠實現圖片、音頻、視頻等信息的無損傳輸，在智慧農業建設目標下應用無線通信技術，可以從根本上提升農田灌溉的科學性和合理性。現階段，我國無線通信技術在智慧農業灌溉中的應用還不夠成熟，存在控制效果比較單一等一系列問題。在今后的工作中，技術人員需根據無線通信技術、智慧農業發展目標、農田灌溉實際需求，進行進一步地深入探索，從根源上完善我國的現代化農業生產模式。