農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

韓曉娟

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，將高新科技融入各類(lèi)生產(chǎn)工作當(dāng)中對(duì)于提升生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。在高新科技的加持下，各產(chǎn)業(yè)發(fā)展將得到進(jìn)一步推動(dòng)，在農(nóng)田灌溉方面，通過(guò)與高新科技的有機(jī)結(jié)合，農(nóng)業(yè)灌溉模式也由傳統(tǒng)的人工粗放灌溉轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄?jié)水灌溉。為確保國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉需求得到充分滿足，全面提升智能節(jié)水灌溉水平，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)智能節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效應(yīng)用，充分滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)的用水需求，并在一定程度上降低灌溉成本，進(jìn)而達(dá)成節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、增產(chǎn)的效果。

1 農(nóng)田灌溉設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田灌溉工作中最常用的技術(shù)手段依舊是渠道防滲和低壓管道灌溉，雖然近幾年國(guó)內(nèi)設(shè)備以及技術(shù)水平有了非常明顯的提升，但是高新信息技術(shù)與農(nóng)田灌溉工作的結(jié)合水平依舊相對(duì)一般，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化、現(xiàn)代化農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的有效構(gòu)建。這種情況所導(dǎo)致的直接結(jié)果就是農(nóng)田灌溉工作的節(jié)能效果依舊相對(duì)一般，并且存在無(wú)法充分滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)用水需求的情況，灌溉工作開(kāi)展過(guò)程中的水資源實(shí)際利用效率也相對(duì)較低。但是了解灌溉技術(shù)以及灌溉設(shè)備后，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制農(nóng)田自動(dòng)灌溉，基于農(nóng)田當(dāng)中的土壤水分傳感器、灌溉區(qū)域氣象站以及互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的適時(shí)供水、施肥[1]。信息化智能節(jié)水灌溉是目前世界上最前沿的灌溉技術(shù)之一，由于當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的完善程度依舊處于相對(duì)較低的水平，所以美國(guó)、日本、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家一直在對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化完善，并對(duì)配套的水利技術(shù)、材料技術(shù)、電子技術(shù)以及IT 技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。但是由于國(guó)外所研發(fā)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)與我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展情況的匹配度相對(duì)較低，且對(duì)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、灌溉設(shè)備選型以及操作技術(shù)的要求都相對(duì)較高，導(dǎo)致無(wú)法滿足我國(guó)農(nóng)田灌溉的實(shí)際需求。因此，相應(yīng)系統(tǒng)只是被應(yīng)用于國(guó)家園林灌溉以及高爾夫球場(chǎng)灌溉工作中。為實(shí)現(xiàn)信息化智能節(jié)水灌溉在農(nóng)田灌溉工作當(dāng)中的有效應(yīng)用，相關(guān)人員需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[2]。

2 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

在設(shè)計(jì)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)充分考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作內(nèi)容以及工作環(huán)境的實(shí)際需求，確保農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以得到有效應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)工作開(kāi)展過(guò)程中相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：1）保證工作誤差在合理范圍內(nèi)。由于農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效應(yīng)用需要得到傳感器的加持，所以必須保證傳感器的數(shù)據(jù)傳輸精度，降低數(shù)據(jù)誤差。因此，在開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)將傳感器均勻分布在農(nóng)田灌溉區(qū)當(dāng)中，通過(guò)多點(diǎn)采樣，提升信息采集的準(zhǔn)確率[3]。2）保證操作簡(jiǎn)便。在對(duì)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)保證系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性，從而降低系統(tǒng)操作難度，可以從系統(tǒng)平臺(tái)上直接獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，明確其生長(zhǎng)階段，進(jìn)而掌握其實(shí)際的用水需求。3）應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)。在對(duì)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，工作人員應(yīng)當(dāng)注重模塊化結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)形式便于系統(tǒng)更新?lián)Q代，只需要對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行升級(jí)處理即可[4]。4）提高傳輸效率。由于該系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中遠(yuǎn)程控制各項(xiàng)工作的運(yùn)作，而農(nóng)田灌溉工作具有一定的實(shí)時(shí)性，所以在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)工作人員必須保證系統(tǒng)具有較高的傳輸效率，使得農(nóng)田作物信息可以第一時(shí)間傳輸至控制中心，進(jìn)而幫助工作人員精準(zhǔn)掌握土壤濕度信息，實(shí)現(xiàn)灌溉工作的合理高效開(kāi)展。

基于以上設(shè)計(jì)理念，首先可以將農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為土壤濕度傳感模塊、降雨量傳感模塊以及集控中心。其次，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，可以通過(guò)兩個(gè)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息的有效采集與傳輸，進(jìn)而輸送至集控中心，并將信息內(nèi)容呈現(xiàn)出來(lái)。最后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入分析，選出最合理的灌溉方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)灌溉過(guò)程的有效控制。系統(tǒng)當(dāng)中的土壤濕度傳感器模塊以及降雨量傳感器模塊分別由相應(yīng)傳感器以及無(wú)線傳輸模塊組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田濕度以及降雨量信息的有效收集。集控中心主要包含的設(shè)備為電磁閥、繼電器、PLC 模塊以及PC 上位機(jī)，其中，電磁閥的主要功能為執(zhí)行灌溉指令；PLC 模塊的主要功能為收集傳感器信號(hào)，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理之后，將相關(guān)信息內(nèi)容傳輸至輸出端口，從而驅(qū)動(dòng)電磁閥對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉；PC 上位機(jī)的主要功能是對(duì)各模塊的狀態(tài)信息和天氣預(yù)報(bào)信息進(jìn)行呈現(xiàn)，綜合相關(guān)信息內(nèi)容并制定出農(nóng)田灌溉策略[5]。

農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體工作流程為：1）通過(guò)傳感器收集農(nóng)田土壤濕度信息以及降雨量信息。2）經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊將傳感器所采集的信息內(nèi)容傳輸至集控中心的PC 上位機(jī)處。3）基于PC上位機(jī)對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行深入分析，明確當(dāng)前農(nóng)作物的生長(zhǎng)階段以及環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物用水需求的合理判斷，進(jìn)而制定出相應(yīng)的灌溉策略。4）當(dāng)需要灌溉時(shí)，PLC 模塊會(huì)將灌溉信息傳輸至電磁閥，從而驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)始灌溉。另外，在PLC 模塊對(duì)信息進(jìn)行處理的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)信息適當(dāng)延長(zhǎng)農(nóng)作物灌溉時(shí)間，提升灌溉成效。這有效規(guī)避了傳統(tǒng)灌溉方式頻繁灌溉所導(dǎo)致的土壤長(zhǎng)期潮濕問(wèn)題，進(jìn)而避免了農(nóng)作物爛根以及受到病蟲(chóng)害侵襲等情況[6]。

3 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的落實(shí)方案

3.1 硬件落實(shí)方案

農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否發(fā)揮出實(shí)效性，主要受到硬件運(yùn)行水平的影響，例如傳感器信息采集工作的效率以及精準(zhǔn)性。因此，在對(duì)系統(tǒng)硬件尤其是傳感器進(jìn)行選擇的過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)保證硬件設(shè)備具有良好的實(shí)用性并且精度足夠高，確保將土壤濕度傳感器埋入土壤之后可以不受腐蝕，日常能夠向集控中心傳輸數(shù)據(jù)信息。另外，為進(jìn)一步降低系統(tǒng)落實(shí)難度，相關(guān)人員在對(duì)傳感器類(lèi)設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)盡可能選擇體積小巧、便于攜帶安裝的設(shè)備，這對(duì)于高效進(jìn)行后續(xù)操作以及維護(hù)工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。而在選擇降雨量傳感器的過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)確保其具有良好的抗干擾能力，并在底部設(shè)有水平調(diào)節(jié)泡，可以實(shí)時(shí)將傳感器調(diào)整到最佳水平度[7]。為防止傳感器數(shù)據(jù)傳輸工作受到距離限制，相關(guān)工作人員會(huì)選擇無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)向PC 上位機(jī)的傳輸。相應(yīng)的無(wú)線傳輸模塊在運(yùn)行過(guò)程中可以將傳感器信息輸送至GPRS 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而在互聯(lián)網(wǎng)的加持下，使得信息內(nèi)容在PC 上位機(jī)上顯示。在PC 上位機(jī)將信息整理好傳輸至PLC 模塊后，驅(qū)動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)灌溉操作或者停止灌溉操作。PLC 模塊是整個(gè)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的核心，為進(jìn)一步提升信息傳輸效率，相關(guān)工作人員可以將PC上位機(jī)與PLC模塊通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

3.2 軟件落實(shí)方案

在對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作主要通過(guò)PC 上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)將軟件設(shè)計(jì)與PC 上位機(jī)相結(jié)合，從而使得軟件平臺(tái)可以更好地滿足監(jiān)測(cè)需求，為相關(guān)工作人員提供良好的工作體驗(yàn)。在對(duì)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行選擇的過(guò)程中，相關(guān)人員除了需要保證平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制外，還要保證可以通過(guò)手動(dòng)方式對(duì)農(nóng)田節(jié)水灌溉方案進(jìn)行調(diào)整，從而全面提升灌溉工作實(shí)效，最大程度減少水資源的消耗[8]。通常情況下，在對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)保證其具有灌溉控制、參數(shù)調(diào)整、天氣預(yù)報(bào)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示等多個(gè)功能單元。例如，灌溉控制單元在運(yùn)行的過(guò)程中，首先會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)階段進(jìn)行判斷，進(jìn)而在單元當(dāng)中選擇相應(yīng)的灌溉方式，合理判斷使用手動(dòng)灌溉方式還是自動(dòng)灌溉方式。如果選擇手動(dòng)灌溉方式，相關(guān)人員直接執(zhí)行灌溉即可；若需要啟用自動(dòng)灌溉功能，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他單元的土壤濕度信息，將其與基準(zhǔn)土壤濕度設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)其是否需要灌溉進(jìn)行有效判斷，明確相應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)際需水量。另外，為進(jìn)一步提升灌溉準(zhǔn)確性，在灌溉控制單元運(yùn)行的過(guò)程中，相關(guān)人員還應(yīng)當(dāng)結(jié)合天氣預(yù)報(bào)單元的信息內(nèi)容，對(duì)近一段時(shí)間是否有雨進(jìn)行判斷，如果有雨，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)減少灌溉量并等待下雨，保證農(nóng)作物生長(zhǎng)基本水分需求即可[9]。在下雨之后，工作人員需要結(jié)合降雨量傳感器傳輸回的數(shù)據(jù)對(duì)灌溉量進(jìn)行調(diào)整，重新設(shè)置灌溉標(biāo)準(zhǔn)，防止灌溉量過(guò)大導(dǎo)致農(nóng)作物受水害侵?jǐn)_。而在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示單元運(yùn)行的過(guò)程中，相關(guān)工作人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度信息以及電磁閥狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取，了解清楚農(nóng)作物是否處于需要被灌溉的狀態(tài)以及農(nóng)田各區(qū)域土壤的實(shí)際濕度情況。在應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示單元開(kāi)展工作的過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)注重其與天氣預(yù)報(bào)單元的聯(lián)合使用，結(jié)合農(nóng)田區(qū)域最近降水實(shí)際情況對(duì)灌溉工作進(jìn)行調(diào)整，確保土壤濕度信息以及降雨量信息的實(shí)際價(jià)值可以得到充分發(fā)揮，全面提升農(nóng)田灌溉的節(jié)水水平，并為后續(xù)農(nóng)田節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)工作的高質(zhì)高效開(kāi)展提供有效助力[10]。

3.3 農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)建設(shè)方向

由于農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，所以工作人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高對(duì)相關(guān)技術(shù)設(shè)備開(kāi)發(fā)工作的重視程度。高校應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)的研究，全面提升節(jié)水灌溉技術(shù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制技術(shù)的研發(fā)水平，使得系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步優(yōu)化。而國(guó)家有關(guān)部門(mén)也應(yīng)當(dāng)加大對(duì)相關(guān)工作的支持力度，投入更多資金，推動(dòng)農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效應(yīng)用可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人工粗放灌溉模式，減少水資源浪費(fèi)，提升農(nóng)田灌溉效果。因此，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)與農(nóng)田灌溉工作的結(jié)合，全面提升農(nóng)田智能節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)水平，為國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。