基于大數(shù)據(jù)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)建設(shè)分析

丁萬峰

（大連市金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116600）

1 研究背景

我國(guó)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的過渡時(shí)期，隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中越來越發(fā)揮積極作用，智慧農(nóng)業(yè)終將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）和云計(jì)算技術(shù)將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)源的生產(chǎn)提供有力的保障。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)覆蓋面廣、數(shù)據(jù)源復(fù)雜，如何挖掘有價(jià)值的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)分析處理能力為預(yù)測(cè)服務(wù)，將成為農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)研究的熱點(diǎn)問題。

2 系統(tǒng)的組成和功能

系統(tǒng)采用“四模塊四層”結(jié)構(gòu)。“四大模塊”包括田間監(jiān)測(cè)模塊、作物需水?dāng)?shù)據(jù)模塊、水分監(jiān)測(cè)模塊和總控模塊。田間監(jiān)測(cè)模塊是指監(jiān)測(cè)和收集影響作物生長(zhǎng)的土壤、水文和氣象信息，然后將信息傳輸?shù)侥繕?biāo)數(shù)據(jù)庫。供水監(jiān)控模塊是對(duì)供水管道內(nèi)的水量進(jìn)行采集和監(jiān)控。總控模塊根據(jù)作物需水量大數(shù)據(jù)模塊計(jì)算出的水量和供水管道系統(tǒng)采集的水量數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制閥門的啟閉，同時(shí)顯示工作狀態(tài)。水頭現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)水泵的狀態(tài)，自動(dòng)控制水泵的啟停，并實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)故障。作物需水?dāng)?shù)據(jù)模塊采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)原有作物生長(zhǎng)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，逐步形成基于大數(shù)據(jù)的作物生長(zhǎng)模型，得到作物不同生長(zhǎng)期的年需水量。

“四層”包括數(shù)據(jù)采集層、智能傳輸層、大數(shù)據(jù)中心層和決策管理層。數(shù)據(jù)采集層是利用采集數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控田間土壤、水分、日期、天氣等信息。數(shù)據(jù)采集層分為手動(dòng)采集和自動(dòng)采集。自動(dòng)采集層會(huì)將天氣、土壤、作物生長(zhǎng)狀態(tài)的各類傳感器科學(xué)分組，構(gòu)建作物生長(zhǎng)過程的環(huán)境信息智能感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集和傳輸各類數(shù)據(jù)，并對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供數(shù)據(jù)支持基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉智慧大數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成。人工采集作為大數(shù)據(jù)采集的重要手段和自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集的有效補(bǔ)充，其采集指標(biāo)包括項(xiàng)目指標(biāo)和采樣基本信息、作物播種、施肥、噴藥、苗木全生育期信息等。

智能傳輸層是利用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)、新方法，將采集到的信息自動(dòng)傳輸?shù)侥繕?biāo)數(shù)據(jù)庫，建設(shè)氣象、土壤水分、管網(wǎng)流量、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)傳輸系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際需要，可通過數(shù)據(jù)線傳輸、GPRS和互聯(lián)網(wǎng)等傳輸方式，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息的智能化傳輸。

大數(shù)據(jù)中心層通過存儲(chǔ)、校準(zhǔn)、挖掘和提取現(xiàn)有的歷史數(shù)據(jù)資源，得到作物不同生長(zhǎng)期需水量、土壤水分、天氣和降水之間的關(guān)系，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、水利部標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際需要，建立大數(shù)據(jù)中心層數(shù)據(jù)庫。節(jié)水灌溉智能大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)類型主要包括歷史和實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、管網(wǎng)交通數(shù)據(jù)、人工數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)類型建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括氣象數(shù)據(jù)庫、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)庫、管網(wǎng)流量數(shù)據(jù)庫、人工采集數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)形式包括表格、文字、圖形、圖像等多種形式的數(shù)據(jù)，它們共同輸出，形成一個(gè)綜合數(shù)據(jù)庫。

決策管理層要根據(jù)抽取關(guān)系，控制灌溉量、灌溉時(shí)間、管閥開閉。基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化和智能節(jié)水灌溉大數(shù)據(jù)，通過對(duì)氣象、土壤水分、網(wǎng)絡(luò)流量和視頻圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過人工土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集，逐步形成基于大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)作物需水量的灌溉施肥決策模型，根據(jù)作物實(shí)際需水量和施肥情況，自動(dòng)開啟水泵、閥門和施肥器，及時(shí)準(zhǔn)確地給作物澆水施肥。

決策管理層包括5個(gè)部分，水雨信息管理、土壤墑情信息管理、作物需水預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制和視頻監(jiān)控管理。通過系統(tǒng)信息管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種功能，如，信息發(fā)布、水雨量、土壤墑情等信息查詢、分析報(bào)告、作物需水預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)管理、計(jì)量泵遠(yuǎn)程控制、灌溉動(dòng)態(tài)管理、作物監(jiān)測(cè)管理、工程數(shù)據(jù)電子檔案數(shù)據(jù)管理等。

3 結(jié)論

我國(guó)農(nóng)田水利存在的主要問題是灌溉用水利用率低、灌溉用水浪費(fèi)、灌溉信息化管理水平不高。本文根據(jù)作物生長(zhǎng)模型和需水大數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的作物生長(zhǎng)環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與展示的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)平臺(tái)模型。可以科學(xué)地做出適時(shí)適量的灌溉決策，從而實(shí)現(xiàn)智慧灌溉，提高灌溉管理水平，也為智慧農(nóng)業(yè)新階段的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)和支撐平臺(tái)。