物联网技术在智慧农业节水灌溉中的应用

□ 宋卫东

（东港市水利事务服务中心，辽宁 东港 118300）

近年来，世界各国都在大力推广和应用智能节水灌溉设备，以缓解农业用水危机，推动农业产业的现代化发展。我国也不断加大先进节水灌溉技术的开发力度，特别是智慧节水灌溉的推广和普及，积极学习先进国家的节能灌溉经验和技术，从而进一步提高我国农业节水灌溉效果。由于先进的灌溉设备设施价格昂贵，操作复杂，使得这些设备无法在我国得到广泛应用。针对这一情况，必须加大物联网等先进技术在农业节水灌溉中应用的研究力度，充分发挥这些技术的优势和价值，实现科学、智慧的节水灌溉，从而有效缓解我国农业用水紧张现状。

一、物联网技术的简述

物联网技术又可称之为万物的互联网，英文名称为Internet of things，该技术在本质上就是借助互联网将实际事物连通在一起，实现彼此信息的互通共享。物联网技术是信息化时代下的新兴产物，能够将现实和虚拟加以有效统一和整合，以显著提高事务管理的精度和强度，为各行各业良好发展提供新的方法和模式，也为全球经济建设提供无限的活力。对于农业生产而言，通过物联网技术的有效利用，能够解决过去以人力为中心的农业生产模式中存在的诸多不足，推动农业向着现代化与机械化的方向发展，实现农业生产的智能化与智慧化［1］。农业物联网主要包括了感知层、传输层与应用层，在农业生产的不同阶段应用相应的信息传感器，建构系统性、统一性的信息监控中心平台，然后对农业生产中的土壤肥力、湿度、光照等各项参数数据加以实时监控测量，结合测量结果来科学调整农业生产方式，以提高农业生产效益。

二、农业物联网的基本架构

对于农业物联网工程的构建，主要依靠针对农作物生长过程的在线动态监测获取信息，也就是将不同类型的无线传感器安装到农业网络基础设施中，实现对农作物所处的土壤质量、气候环境等条件的全面监控，以便农业从业者随时随地获取到准确地信息数据，及时发现农业生产中存在的问题，并采取有效的技术措施进行处理［3］。通过有效结合集约农业生产模式与物联网技术，能够改变过去以人力为中心与依赖机械的农业生产模式，转变成以软件和信息为中心的农业生产模式，进而有效应用各种智能化、先进化、自动化的生产设备。农业物联网的技术结构主要包括：（1）远程监控层，可对各种对象进行检测，实时采集农业生产信息，由专门的网络检测设备和各种传感器共同构成，如：气象站、温湿度检测设备、监控设备等；（2）网络层，可对远程监控层获取的所有信息数据进行传输与处理，由不同的本地网络、互联网与通信网络等构成；（3）应用层，可有效连接起农业从业者与物联网，保证物联网功能的顺利实现。

三、智慧农业中物联网关键技术类型

（一）RFID技术

RFID技术也就是频率识别感知技术，该技术借助无线电对频率的感知能力来记录接收到的信息数据，但仅仅针对短距离的数据。RFID技术主要涉及到阅读器、应答器及软件处理系统三个部分，能够迅速地扫描物体，运行时间较为持久，具备较强抗干扰能力，记忆大容量的数据。其中阅读器设备能够在较短时间内检测到相关信号，然后上传到软件系统进行分析整理，再由阅读器全面呈现出被检测到的信号，以便操作人员更加及时、直观地看到数据分析内容，从而更加科学地把控信息数据。

（二）传感网络技术

传感网络技术具体由数据处理单位部件、传感器部件、通信部件等构成，其能够在多个领域中对各类数据信息进行检测，并将若干个不同点有效联系在一起，从而构建起一个完整的网络体系。由于传感器中遍布诸多的节点，且这些节点具备较强的适应能力，所以能够存储一定的能量，保证传感器设备处于良好的运行状态，其属于物联网技术中的核心部件，能够强化文件数据和人之间的交流［4］。

四、智慧农业节水灌溉中物联网技术的应用意义

物联网技术在实现智慧农业节水灌溉方面具备显著的优势。通过对该技术进行有效应用，将相关设备设施布设到田间，以对农作物生长过程中的土壤质量、温湿度等数据信息进行实时采集与传输，并借助专业的软件设备对这些数据信息进行接受与分析，然后结合分析结果明确出科学合理的决策，向田间设备发出合适的灌溉指令。如：借助先进的监测软件来分析田间的土壤水含量，明确土壤灌溉饱和点与补偿点，再提出具体的灌溉方案，利用中央控制系统将相关指令发送至阀门控制系统，由该系统结合指令来开启灌区阀门，从而实现农业节水灌溉的智能化。

五、智慧农业节水灌溉中物联网技术的具体应用

（一）节水灌溉工作流程

不同地区的灌溉设备与监测设备分布状况存在很大的差异，需要一个可以互动与有效控制的网络系统。对于农业节水灌溉管理而言，控制系统发挥着极为重要的作用，应用对象是无线通信设备与中央控制室，系统能够对灌溉区域的各项数据信息进行采集，然后对这些数据信息进行分析与处理，提出相应的决策［5］。具体应用中，可借助传感器来对有关农田水情动态的各类数据图像与信息进行实时收集、记录与分析，并将图像上传到控制中央系统，若控制器发现农田供水量已经满载或是大于预先设定的量值时，中央控制系统会马上发出警报，这时控制阀会自动紧急关闭田间的最后一根水管。同时，依靠于GPRS网络，可实现控制系统和基本参数传感器之间的网络数据传输通讯，利用中心控制平台的计算机终端，将控制测量指令数据传输至中央控制服务器，以便相关工作人员及时获取到田间的光密度、亮度、温度、作物生长状态等；并利用系统收集的备份系统，把通过非地面通信获取到的数据信息整合并传输至地面物联网上，农田节水灌溉作业提供科学指导，以提高节水灌溉效果，如：通过分析各项数据信息，明确目前作物生产过程中所需的水量，然后进行自动智能供水，有效避免缺水或是灌溉水量过大等问题的发生。另外，可利用专门的互联网服务平台与智能移动设备，对农田灌溉进行远程控制，还可通过智能移动设备来实时获取关于农田土壤、本地气候状况、作物生长等信息，然后结合自身具体情况，进行自动、半自动的水资源存储工作；该平台还支持对本地水域条件的多层面分析与论证，以便管理者实施掌握水域条件数据，提出更加科学合理的农业节水灌溉策略。

（二）节水灌溉的物联网方案

在农业节水灌溉过程中，可利用物联网技术构建专门的控制系统。该系统主要由控制室、农业通信设备、传感器、驱动器及无线通信网络等构成，其中无线通信网络的主要功能是：向远程监控系统室实时传递农田灌溉控制信息，监控系统室对这些信息进行分析和处理，明确是否需要启动灌溉水控制阀，并在灌水达到预设值以后，自动关闭控制阀。GPRS传感器能够对农业环境的变化情况进行全过程监测，然后将监测到的数据信息及时传输至农业设备，在这一环节中，可利用远程控制室内的计算机系统通过服务器对接收到的数据信息进行分析计算，且在远程决策时输出实时控制信号［6］。

农业物联网的网络模式主要是Laura+4G网络，并将移动通信网络技术应用到物联网服务平台的网关中，但由于该网络的应用存在诸多的局限性，部分农业服务不能提供，所以相关专业人士提出了更新农业企业网络计划——NBloT物联网计划，该计划的实施能够减少农业物联网系统的建设，节省农业物联网平台的运营成本，提高服务平台的可靠性与稳定性，还能够简化系统的网络结构，增强其服务的功能性。

（三）系统主要组成部分

一是智慧平台，即信息中心。可对多维信息数据进行存储与维护处理，更加精准的呈现农田的环境信息、作物水量信息、农业气候信息等，然后利用智能灌溉控制软件来指导农业生产。

二是田间灌溉控制系统。通过解码器来将农田中布设的流量传感器、压力传感器与电池阀连接起来，构建出一个实时通信系统，确保能够及时地获取农田灌溉数据，为灌溉方案的制定提供数据参考；农业管理者可利用计算机设备输入对应的IP地址，然后进入到农田灌溉控制页面，完成灌溉参数的设置。

三是农田气象环境监测系统。能够实时采集农田所在区域的雨量与温度、湿度等参数信息，然后传输至智慧平台中，依据内置数据库的需求来明确农作物的水量需求，为节水灌溉系统的运行提供精准的参数。

四是远程土壤墒情测报系统。该系统可结合实时的气象信息与农田土壤含水量，自动评估土壤墒情，并对农田灌溉水量的上限与下限值进行设定，并能够对农田的各项信息数据进行实时请求。

五是远程管道压力与流量监测系统。主要是借助低功耗传感器，对农田中各条管道的压力与流量数据进行实时采集，然后传输至灌溉控制器、信息中心综合管控平台，为农业管理者制定灌溉决策提供支持。

六是远程作物长势视频监测系统。主要是借助视频设备来对农作物的生长趋势数据进行实时采集，然后存储到数据库中，以便农业管理者随时随地查询农作物的生长状况，比较以往年限中灌溉与施肥方案。

七是能效监测系统。通过全面分析农业节水灌溉系统运行过程中的电能消耗状况，来提出更加合理的灌溉用电量方案，从而实现电能的节约。

（四）技术控制策略

一是数据的传输层研究。针对农作物的监控信息传输，可利用物联网技术来对农作物的整个生长过程进行实时监测，一旦发现问题，可马上发出报警信息，以便相关人员及时采取措施补救。数据可通过移动数据、蓝牙及无线网络进行传输，但为确保传输过程的高效率和安全性，必须结合不同传输方式的具体特征，采取相应的技术手段进行维护，如：通常更倾向于采用无线网络传输方式，既能够满足不同农业区域的信息传输需求，还能够实现对农作物生长过程的有效监控。

二是GPRS通信技术。主要是通过信息的传输来对农作物的生产过程进行全过程监控。在农业节水灌溉中应用GPRS通信技术，其优势在于利用智能手机的相互联结，即可完成信息的传输。

三是数据的终端处理。数据终端可对接收到的数据信息进行处理，然后将处理结果上传到监控平台，可以结合这一处理结果来制定科学的农业节水灌溉方案，明确灌溉设备启动的时间与灌溉时长。同时，终端数据处理可以对农作物土壤的参数进行全面的分析，并将分析结果保存到数据库中，以便后续工作开展的应用。

六、强化物联网技术在智慧农业节水灌溉中的应用效果

首先，注重传感器技术的合理利用。在智慧农业节水灌溉系统中合理布设传感设备，利用无线网络向中央处理器内传输数据信息，并通过嵌入式技术和无线射频等先进科学技术的综合运用，来自动识别农业灌溉数据信息，让该灌溉系统得以灵活制动，更好地满足农业节水灌溉实际需求。

其次，加大物联网产业投入力度。各地区政府部门应遵循因地制宜的原则，适当增加物联网产业投入力度，积极引入先进的物联网技术和相关设备，尽快建构出智慧农业节水灌溉系统，

最后，基于智能灌溉的物联网应用。要立足于Zigbee无线传感器网络技术，打造精准的灌溉监控系统，对农作物生长的各项数据进行准确测量与获取，从而实施掌握农作物对水的需求状况，实现精准灌溉。设置专门的无线传感器，打造智能节水灌溉控制系统，更加精准的监测农田水分含量和水层高度等，从而提出更加科学的灌溉决策，实现定量灌溉。

七、结语

综上所述，在当下，传统的农业灌溉模式已经无法满足我国农业生产发展的需要，所以我国提出了智慧农业节水灌溉的理念，通过有效应用物联网技术来对农作物的生长情况、本地气候环境等进行实时监测，然后明确农作物的土壤含水量等，提出更加科学合理的灌溉策略，实现适量与适时灌溉，也可实现局部灌溉，从而避免农作物灌溉水不足或是过量，确保农作物健康生长的同时，提高水资源的利用率。