物聯網技術在智慧農業節水灌溉中的應用

□ 宋衛東

（東港市水利事務服務中心，遼寧 東港 118300）

近年來，世界各國都在大力推廣和應用智能節水灌溉設備，以緩解農業用水危機，推動農業產業的現代化發展。我國也不斷加大先進節水灌溉技術的開發力度，特別是智慧節水灌溉的推廣和普及，積極學習先進國家的節能灌溉經驗和技術，從而進一步提高我國農業節水灌溉效果。由于先進的灌溉設備設施價格昂貴，操作復雜，使得這些設備無法在我國得到廣泛應用。針對這一情況，必須加大物聯網等先進技術在農業節水灌溉中應用的研究力度，充分發揮這些技術的優勢和價值，實現科學、智慧的節水灌溉，從而有效緩解我國農業用水緊張現狀。

一、物聯網技術的簡述

物聯網技術又可稱之為萬物的互聯網，英文名稱為Internet of things，該技術在本質上就是借助互聯網將實際事物連通在一起，實現彼此信息的互通共享。物聯網技術是信息化時代下的新興產物，能夠將現實和虛擬加以有效統一和整合，以顯著提高事務管理的精度和強度，為各行各業良好發展提供新的方法和模式，也為全球經濟建設提供無限的活力。對于農業生產而言，通過物聯網技術的有效利用，能夠解決過去以人力為中心的農業生產模式中存在的諸多不足，推動農業向著現代化與機械化的方向發展，實現農業生產的智能化與智慧化［1］。農業物聯網主要包括了感知層、傳輸層與應用層，在農業生產的不同階段應用相應的信息傳感器，建構系統性、統一性的信息監控中心平臺，然后對農業生產中的土壤肥力、濕度、光照等各項參數數據加以實時監控測量，結合測量結果來科學調整農業生產方式，以提高農業生產效益。

二、農業物聯網的基本架構

對于農業物聯網工程的構建，主要依靠針對農作物生長過程的在線動態監測獲取信息，也就是將不同類型的無線傳感器安裝到農業網絡基礎設施中，實現對農作物所處的土壤質量、氣候環境等條件的全面監控，以便農業從業者隨時隨地獲取到準確地信息數據，及時發現農業生產中存在的問題，并采取有效的技術措施進行處理［3］。通過有效結合集約農業生產模式與物聯網技術，能夠改變過去以人力為中心與依賴機械的農業生產模式，轉變成以軟件和信息為中心的農業生產模式，進而有效應用各種智能化、先進化、自動化的生產設備。農業物聯網的技術結構主要包括：（1）遠程監控層，可對各種對象進行檢測，實時采集農業生產信息，由專門的網絡檢測設備和各種傳感器共同構成，如：氣象站、溫濕度檢測設備、監控設備等；（2）網絡層，可對遠程監控層獲取的所有信息數據進行傳輸與處理，由不同的本地網絡、互聯網與通信網絡等構成；（3）應用層，可有效連接起農業從業者與物聯網，保證物聯網功能的順利實現。

三、智慧農業中物聯網關鍵技術類型

（一）RFID技術

RFID技術也就是頻率識別感知技術，該技術借助無線電對頻率的感知能力來記錄接收到的信息數據，但僅僅針對短距離的數據。RFID技術主要涉及到閱讀器、應答器及軟件處理系統三個部分，能夠迅速地掃描物體，運行時間較為持久，具備較強抗干擾能力，記憶大容量的數據。其中閱讀器設備能夠在較短時間內檢測到相關信號，然后上傳到軟件系統進行分析整理，再由閱讀器全面呈現出被檢測到的信號，以便操作人員更加及時、直觀地看到數據分析內容，從而更加科學地把控信息數據。

（二）傳感網絡技術

傳感網絡技術具體由數據處理單位部件、傳感器部件、通信部件等構成，其能夠在多個領域中對各類數據信息進行檢測，并將若干個不同點有效聯系在一起，從而構建起一個完整的網絡體系。由于傳感器中遍布諸多的節點，且這些節點具備較強的適應能力，所以能夠存儲一定的能量，保證傳感器設備處于良好的運行狀態，其屬于物聯網技術中的核心部件，能夠強化文件數據和人之間的交流［4］。

四、智慧農業節水灌溉中物聯網技術的應用意義

物聯網技術在實現智慧農業節水灌溉方面具備顯著的優勢。通過對該技術進行有效應用，將相關設備設施布設到田間，以對農作物生長過程中的土壤質量、溫濕度等數據信息進行實時采集與傳輸，并借助專業的軟件設備對這些數據信息進行接受與分析，然后結合分析結果明確出科學合理的決策，向田間設備發出合適的灌溉指令。如：借助先進的監測軟件來分析田間的土壤水含量，明確土壤灌溉飽和點與補償點，再提出具體的灌溉方案，利用中央控制系統將相關指令發送至閥門控制系統，由該系統結合指令來開啟灌區閥門，從而實現農業節水灌溉的智能化。

五、智慧農業節水灌溉中物聯網技術的具體應用

（一）節水灌溉工作流程

不同地區的灌溉設備與監測設備分布狀況存在很大的差異，需要一個可以互動與有效控制的網絡系統。對于農業節水灌溉管理而言，控制系統發揮著極為重要的作用，應用對象是無線通信設備與中央控制室，系統能夠對灌溉區域的各項數據信息進行采集，然后對這些數據信息進行分析與處理，提出相應的決策［5］。具體應用中，可借助傳感器來對有關農田水情動態的各類數據圖像與信息進行實時收集、記錄與分析，并將圖像上傳到控制中央系統，若控制器發現農田供水量已經滿載或是大于預先設定的量值時，中央控制系統會馬上發出警報，這時控制閥會自動緊急關閉田間的最后一根水管。同時，依靠于GPRS網絡，可實現控制系統和基本參數傳感器之間的網絡數據傳輸通訊，利用中心控制平臺的計算機終端，將控制測量指令數據傳輸至中央控制服務器，以便相關工作人員及時獲取到田間的光密度、亮度、溫度、作物生長狀態等；并利用系統收集的備份系統，把通過非地面通信獲取到的數據信息整合并傳輸至地面物聯網上，農田節水灌溉作業提供科學指導，以提高節水灌溉效果，如：通過分析各項數據信息，明確目前作物生產過程中所需的水量，然后進行自動智能供水，有效避免缺水或是灌溉水量過大等問題的發生。另外，可利用專門的互聯網服務平臺與智能移動設備，對農田灌溉進行遠程控制，還可通過智能移動設備來實時獲取關于農田土壤、本地氣候狀況、作物生長等信息，然后結合自身具體情況，進行自動、半自動的水資源存儲工作；該平臺還支持對本地水域條件的多層面分析與論證，以便管理者實施掌握水域條件數據，提出更加科學合理的農業節水灌溉策略。

（二）節水灌溉的物聯網方案

在農業節水灌溉過程中，可利用物聯網技術構建專門的控制系統。該系統主要由控制室、農業通信設備、傳感器、驅動器及無線通信網絡等構成，其中無線通信網絡的主要功能是：向遠程監控系統室實時傳遞農田灌溉控制信息，監控系統室對這些信息進行分析和處理，明確是否需要啟動灌溉水控制閥，并在灌水達到預設值以后，自動關閉控制閥。GPRS傳感器能夠對農業環境的變化情況進行全過程監測，然后將監測到的數據信息及時傳輸至農業設備，在這一環節中，可利用遠程控制室內的計算機系統通過服務器對接收到的數據信息進行分析計算，且在遠程決策時輸出實時控制信號［6］。

農業物聯網的網絡模式主要是Laura+4G網絡，并將移動通信網絡技術應用到物聯網服務平臺的網關中，但由于該網絡的應用存在諸多的局限性，部分農業服務不能提供，所以相關專業人士提出了更新農業企業網絡計劃——NBloT物聯網計劃，該計劃的實施能夠減少農業物聯網系統的建設，節省農業物聯網平臺的運營成本，提高服務平臺的可靠性與穩定性，還能夠簡化系統的網絡結構，增強其服務的功能性。

（三）系統主要組成部分

一是智慧平臺，即信息中心。可對多維信息數據進行存儲與維護處理，更加精準的呈現農田的環境信息、作物水量信息、農業氣候信息等，然后利用智能灌溉控制軟件來指導農業生產。

二是田間灌溉控制系統。通過解碼器來將農田中布設的流量傳感器、壓力傳感器與電池閥連接起來，構建出一個實時通信系統，確保能夠及時地獲取農田灌溉數據，為灌溉方案的制定提供數據參考；農業管理者可利用計算機設備輸入對應的IP地址，然后進入到農田灌溉控制頁面，完成灌溉參數的設置。

三是農田氣象環境監測系統。能夠實時采集農田所在區域的雨量與溫度、濕度等參數信息，然后傳輸至智慧平臺中，依據內置數據庫的需求來明確農作物的水量需求，為節水灌溉系統的運行提供精準的參數。

四是遠程土壤墑情測報系統。該系統可結合實時的氣象信息與農田土壤含水量，自動評估土壤墑情，并對農田灌溉水量的上限與下限值進行設定，并能夠對農田的各項信息數據進行實時請求。

五是遠程管道壓力與流量監測系統。主要是借助低功耗傳感器，對農田中各條管道的壓力與流量數據進行實時采集，然后傳輸至灌溉控制器、信息中心綜合管控平臺，為農業管理者制定灌溉決策提供支持。

六是遠程作物長勢視頻監測系統。主要是借助視頻設備來對農作物的生長趨勢數據進行實時采集，然后存儲到數據庫中，以便農業管理者隨時隨地查詢農作物的生長狀況，比較以往年限中灌溉與施肥方案。

七是能效監測系統。通過全面分析農業節水灌溉系統運行過程中的電能消耗狀況，來提出更加合理的灌溉用電量方案，從而實現電能的節約。

（四）技術控制策略

一是數據的傳輸層研究。針對農作物的監控信息傳輸，可利用物聯網技術來對農作物的整個生長過程進行實時監測，一旦發現問題，可馬上發出報警信息，以便相關人員及時采取措施補救。數據可通過移動數據、藍牙及無線網絡進行傳輸，但為確保傳輸過程的高效率和安全性，必須結合不同傳輸方式的具體特征，采取相應的技術手段進行維護，如：通常更傾向于采用無線網絡傳輸方式，既能夠滿足不同農業區域的信息傳輸需求，還能夠實現對農作物生長過程的有效監控。

二是GPRS通信技術。主要是通過信息的傳輸來對農作物的生產過程進行全過程監控。在農業節水灌溉中應用GPRS通信技術，其優勢在于利用智能手機的相互聯結，即可完成信息的傳輸。

三是數據的終端處理。數據終端可對接收到的數據信息進行處理，然后將處理結果上傳到監控平臺，可以結合這一處理結果來制定科學的農業節水灌溉方案，明確灌溉設備啟動的時間與灌溉時長。同時，終端數據處理可以對農作物土壤的參數進行全面的分析，并將分析結果保存到數據庫中，以便后續工作開展的應用。

六、強化物聯網技術在智慧農業節水灌溉中的應用效果

首先，注重傳感器技術的合理利用。在智慧農業節水灌溉系統中合理布設傳感設備，利用無線網絡向中央處理器內傳輸數據信息，并通過嵌入式技術和無線射頻等先進科學技術的綜合運用，來自動識別農業灌溉數據信息，讓該灌溉系統得以靈活制動，更好地滿足農業節水灌溉實際需求。

其次，加大物聯網產業投入力度。各地區政府部門應遵循因地制宜的原則，適當增加物聯網產業投入力度，積極引入先進的物聯網技術和相關設備，盡快建構出智慧農業節水灌溉系統，

最后，基于智能灌溉的物聯網應用。要立足于Zigbee無線傳感器網絡技術，打造精準的灌溉監控系統，對農作物生長的各項數據進行準確測量與獲取，從而實施掌握農作物對水的需求狀況，實現精準灌溉。設置專門的無線傳感器，打造智能節水灌溉控制系統，更加精準的監測農田水分含量和水層高度等，從而提出更加科學的灌溉決策，實現定量灌溉。

七、結語

綜上所述，在當下，傳統的農業灌溉模式已經無法滿足我國農業生產發展的需要，所以我國提出了智慧農業節水灌溉的理念，通過有效應用物聯網技術來對農作物的生長情況、本地氣候環境等進行實時監測，然后明確農作物的土壤含水量等，提出更加科學合理的灌溉策略，實現適量與適時灌溉，也可實現局部灌溉，從而避免農作物灌溉水不足或是過量，確保農作物健康生長的同時，提高水資源的利用率。