基于物联网技术的高标准农田建设模式初探——以天津市大钟庄农场为例

李建华，郝 炘，牛明雷

（1.天津农垦渤海农业集团有限公司，天津301823；2.农业农村部工程建设服务中心，北京100125）

我国是农业大国，农业是国民经济的基础，确保粮食安全对于保障国家安全、促进社会和谐稳定有着重要的意义[1]。高标准农田是指在划定的基本农田保护区范围内，建成集中连片、农电配套、生态良好、土壤肥沃、高产稳产、抗灾能力强、与现代农业生产和经营方式相适应的基本农田[2-4]。大力推进高标准基本农田建设、坚持因地制宜、提高基本农田质量、增加有效耕地面积、加强生态环境建设、建立保护和补偿机制，对于确保国家粮食安全和主要农产品有效供给、提高农民收入、促进城乡统筹发展、实现农业可持续发展具有重要意义[5-6]。实施“乡村振兴战略”是党的十九大作出的重大决策部署，为开展高标准农田建设和推动乡村发展指明了方向[7-8]。

2017年，经国务院同意，国家发展改革委员会、财政部、国土资源部、水利部、农业部、中国人民银行和国家标准委员会等7个部门联合印发了《关于扎实推进高标准农田建设的意见》，强调当前各地切实抓好落实高标准农田的各个环节，进一步提升建设质量和水平，推动高标准农田建设迈上新台阶。在中央财政的大力支持下，各地通过资金整合、推动新型农业经营主体建设等措施，在推进高标准农田建设方面取得了显著成效[9-11]。

本研究以天津市大钟庄农场为例，在560 hm2高标准农田项目区域内，结合农场地形、水源、种植情况等条件，进行物联网平台和物联网示范点建设，探索适宜天津市的高标准农田建设模式，以期为天津农业发展和高标准农田建设提供理论参考。

1 研究区概况

项目建设地位于天津市宝坻区大钟庄农场。该地属大陆性季风气候，四季分明，冷暖干湿差异明显，春旱突出，夏季高温多雨，秋季降温迅速，冬季少雪多风。年平均气温11.6℃；年降雨量613 mm，80%集中在农作物生长季，无霜期年均193 d，年平均≥10℃有效积温为4083.2℃。全年日照充足，年均日照时数为2 578.8 h，日照率为59%。研究区平均水资源总量为2.59亿m3，入境水量为12.48亿m3，年利用引滦水规模为900万m3。区内地表水一次性蓄水能力为1.65亿m3，地下水总供水能力为1.05亿m3。丰富的地表水和地下水资源，为项目的建设和生产运营提供了用水保障。项目区北部具有较厚的土层，土壤类型主要为壤土，有机质含量高，持水能力强，适于种植多种蔬菜和粮食作物。中部土壤主要是潮湿土，适合种植高粱、水稻和麻类等。盐化潮湿土分布在项目区南部，适宜种植生长周期较短的作物。东部土壤主要为黏质土，适宜种植水稻、大豆和小麦等作物，适合现代农业产业化项目的建设。

2 建设目标和规模

2.1 建设目标

项目根据生产经营需要，计划在560 hm2高标准农田项目区域内，进行物联网平台和物联网示范点建设，将区域内所有农业物联网建设点的地理信息、企业信息、环境变化信息、生产管理信息进行远程管理的维护。在区域内通过物联网应用示范带动农业科技支撑生产，带动科技支持农业生产的整体发展。

2.2 建设规模

项目区新建监控中心203 m2，新建联通基站1座，自动气象站4座，信息采集系统37套，泵站自动化及水位监测系统14套，视频监控系统1套。

3 建设工艺流程

项目本着科学合理的原则进行空间布局和规划，使监控中心、自动气象站、信息采集系统、泵站自动化及水位监测系统、视频监控系统等设备能够功能效率最大化，对农业生产起到重要的支持作用。

3.1 自动气象站

在研究区共4个气象站。建自动气象站分为以下7个步骤：埋设气象站杆混凝土基础；将立杆立起来固定在混凝土基础底座上；将太阳能电池板固定在气象杆上；把光照、温湿度、雨量、风速风向传感器和DDC控制箱安装到气象杆上；周围用4个2 m长、1.2 m高的不锈钢围栏将气象站围起来；在道路重要路口用不锈钢支架固定4块显示屏，支架用混凝土预埋件固定，用来及时显示气象站采集到的数据；检测调试。

3.2 信息采集系统

在每块地的进水渠安装一个信息采集系统，共计37套。建信息采集系统分为以下6个步骤：埋设信息采集系统太阳能杆混凝土基础底座；将杆立起来固定在混凝土基础底座上；将太阳能电池板固定在太阳能杆上；把水位、水分、温度、pH值和电导率传感器分别安装在枝干上并连接到DDC控制箱里的线；周围用4个1.0 m长、1.2 m高的不锈钢围栏将信息采集系统围起来；检测调试。

3.3 智能水位监测及灌溉控制系统

智能水位监测及灌溉控制系统共计14套。安装步骤为：在泵站加装电磁流量计和电动法兰蝶阀；在混流泵上加装液位监测装置；在蓄水池中安装太阳能供电的水位监测系统；设定水位监测系统上下限值，并与泵站DDC控制箱相连；智能施肥机安装；检测调试。

3.4 视频监控系统

视频监控系统建设及安装分为以下8个步骤：管路敷设；线缆布放及连接；网线布放及连接；电源线网线布放及连接；前端设备安装（摄像机、球机）；监控系统中交换机的选型和安装；中心设备安装；系统调试。

4 建设效果

4.1 自动气象站

其要素包括温度、湿度、雨量、光照、风速、风向。在现有的大田中，按照需求布置相应的测量点，对区域内不同深度的土壤温度、土壤pH值、水位及电导率等与水稻长势相关的信息数据进行测量和采集，并通过自动气象站把空气的温湿度、风速、风向、光照和二氧化碳等影响植物生长的数据通过无线传输设备发送到客户终端，并进行数据的积累和发掘，实现对大田详细信息的了解，并指导农田的实际生产操作。比如施肥时间、施肥种类、灌溉时间和种植时间等，依据采集到的信息对植物进行相应的施肥和种植，以达到农作物最适合的生长环境，起到防灾减害及增产增收的效果。同时在稻区的主要交通要道安装4个显示屏，实时显示稻区的环境。

4.2 信息采集系统

信息采集系统要素包括土壤水分、土壤温度、电导率、水位、pH值。通过信息采集系统检测设备掌握水稻不同生育阶段的需水规律，自动采集土壤信息：田间含水量、土壤pH值、水位等数据。通过实时在线监测，收集数据，建立数据库，从而掌握水稻不同生长时期最佳的生存环境，最终可实现高效节水、节约人工、降低能耗等，大幅提高水资源利用率；减少因墒改种、早种、晚种的种子、肥料、农药等损失，实现增产增收；根据墒情和农田环境及时调整产业结构，增加效益；及早采取抗旱、排涝等减灾措施，减少因灾损失等[12-13]。

4.3 智能水位监测及灌溉控制系统

水渠水位检测随时将水渠水位记录并上传客户终端，同时根据农作物不同生长周期需水量不同，来设置水渠的水位，设定水位的上、下限，用信号线与施肥机相连。通过施肥机灌溉控制系统（图1），能够自动控制泵站的开关，也可以进行远程控制，并实时上传灌溉量，随时进行精准灌溉，大大减少了时间及人力，并最终达到节水灌溉、增产增收的效果[14-15]。

4.4 视频监控系统

实时监测农田作物的环境信息、田间病虫害情况、作物生长管理情况和设备运行情况。通过视频监控系统获取图像，对我们了解农田实际情况更加直观明了[16-17]。例如，某个田块的灌溉情况，在物联网系统中可以看到相应土壤实时含水率的数值，但是由于农田土壤质地的空间变异性，导致同一个田块土壤含水率存在空间变异性，农田作物生长状况根据土壤质地和土壤含水率会有不同的响应特征，从而不能用某个土壤含水率数值表征农田的灌溉情况。通过视频监控系统采集农田图像信息，可以直观地了解农田作物的实时状况；通过对图像进行处理分析，不仅可以了解农田作物整体长势、病虫害实时情况，还可以了解农田作物营养盈亏状态，从而制定更加科学合理的种植策略[18-19]。同时对稻区一些重要设施起到防盗作用。

4.5 报警系统

在泵房安装报警装置，在未经许可进入泵房的时候，报警装置会把信号发送到监控中心，再通过报警软件发送到负责人手机上，以此来确保泵房设备的安全。

4.6 软件平台

将稻田里所采集的数据和监控画面实时进行记录和分析，并将异常结果以报警方式通知给监控者。同时通过采集到的数据进行远程或自动灌溉，减少人力。最后生产管理者通过专家知识库与专家进行网上互动，解决农业生产过程中遇到的问题[20]。

4.7 监控平台

上述所有采集的数据及监控画面都连接到监控中心，在监控中心通过现场视频及软件平台远程在线采集到的土壤墒情、pH值、水位、养分、气象信息等，实现墒情（旱情）自动预报，远程、自动控制灌溉设备等功能，最终达到精耕细作、精确施肥、合理灌溉、减少人力，实现增产增收。

5 效益分析

采用物联网技术应用后，可提高作物产量10%～15%，采用水肥一体化技术后土壤栽培节水、节肥效果明显。应用水肥智能控制系统后，实现作物生育期内的灌溉施肥智能判别和精细管理，有效降低了人工成本，提高了劳动效率，实现作物不同生育阶段按需灌溉施肥，可防止因施肥过量造成的环境污染问题，提高作物种植中水分、养分利用效率，显著提高作物的产量和品质，从而增加农民收入。

6 小结

本系统立足田间，基于物联网建立高标准农田，通过布置自动气象站、信息采集系统、泵站自动化及水位监测系统、视频监测系统、报警系统和软件平台等，实时采集灌区环境、墒情、设备运行和管理情况等信息，通过专家决策系统和生产者管理需求，实现灌区内农田的集约化、精准化和自动化管理，降低生产管理成本，提高劳动效率，节水节肥，实现作物高效生产。