物联网技术在农业水利灌溉中的应用

摘要 为进一步促进农业水利灌溉智能化发展，提高水资源的利用效率，本文探索物联网技术在农业水利灌溉中的应用。分析农业水利灌溉系统的发展现状，总结物联网技术的应用优势，如实时监测土壤温湿度，提升农作物产量和品质，增强灌溉系统的适应性和扩展性。实践证明，在农业水利灌溉系统中应用物联网技术，对实现水资源的优化配置和高效利用具有非常重要的意义，可以有效缓解水资源紧缺问题，促进农业产业可持续发展。

关键词 水利灌溉；智慧农业；物联网；监测

中图分类号 S275 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）03-0096-03

在农业水利灌溉中，传统的灌溉方式不仅浪费水资源，还难以实现精细化管理，最终影响农作物产量和质量。因此，通过技术手段提高水资源利用效率，提高农业水利灌溉水平，对推进农业可持续发展具有重要作用。部分地区在农业灌溉方面已经实现智能化，通过物联网技术对土壤和环境参数进行实时监测和数据分析，根据不同作物和土壤条件制定个性化管理方案，为农业生产提供更加精准的灌溉和施肥指导，并通过智能化的水资源管理系统对农业用水进行高效管理。

现阶段，农业水利灌溉研究集中在节水灌溉和智能灌溉两个方面。节水灌溉主要是通过改进灌溉方式和设备，减少水资源浪费。智能灌溉通过物联网技术，实现对土壤和环境参数的实时监测和数据分析，为农民提供更加精准的灌溉方案。近年来，我国大力发展智慧农业，智能灌溉控制系统应运而生，部分农业园区已经将物联网技术应用在智能灌溉系统中。后者集自动控制技术、专家系统技术、传感器技术、通信技术和计算机技术等于一体，实现农业水利灌溉智能化控制，对于提高农业生产力、节约水资源和保护环境具有重要意义。

本文分析了物联网技术在农业水利灌溉系统中的应用优势，研究了基于物联网技术的农业水利灌溉系统的架构和基础功能，从传感器的布设、数据模型的建立和农业水利灌溉系统的试运行3个方面入手阐述物联网技术的具体应用，并结合工作实践提出有针对性的发展建议，为农业水利事业的健康发展提供参考。

1 农业水利物联网技术的应用

将物联网技术应用于农业水利灌溉系统，可以实现农业水利灌溉的智能化和自动化控制，通过LoRa等无线传输技术，突破灌溉环境限制，实现远距离的通信传播，且穿透能力强，在精准控制下节约水资源，提升灌溉效率，提高农作物的产量和质量，增强农业抵御旱灾的能力。

1.1 监测土壤的温湿度

在农业节水灌溉领域，土壤温湿度传感器的应用日益广泛，主要用于农业生产、温室大棚、草地牧场等土壤含水量和温度的测量，可以实现24 h在线监测，并通过物联网技术将监测数据发送至云服务平台，智慧灌溉系统即可根据农田作物的实际灌溉需求，自动开启或关闭灌溉阀门。

1.2 提升农作物的产量和品质

基于物联网技术的农业水利灌溉系统可以对农田土壤环境及作物生长环境实时监测，对监测数据进行分析确定农作物的灌溉需求，从而精准控制灌溉时间和水量，为作物调节适宜的生长环境，减少旱涝出现，提高农作物的产量和品质。同时，将监测数据与气象预报相结合，及时预测和应对自然灾害，提高农作物的抗灾能力。

1.3 增强灌溉系统的适应性和扩展性

基于物联网技术的农业水利灌溉系统可广泛应用于大范围农田、果园和蔬菜等农作物种植场景，根据用户需求实现定制化、智能化灌溉，按照作物种类和生长环境自动调整灌溉方式和水量，保证作物得到充足的水分和营养。农业水利灌溉系统会监测作物的生长状况和生长环境，对干旱地区的作物自动降低灌溉水量，以维持作物的基本生长；监测作物的叶片颜色、生长状态等参数并进行精确灌溉。

2 基于物联网的农业水利灌溉系统

2.1 灌溉系统整体架构

基于物联网技术的农业水利灌溉控制系统，可以实现智能化管理、精准化灌溉，提高水资源利用效率，减少人力投入成本，提高农业生产效率，其主要由水泵控制系统、土壤墒情监测系统、无线通信系统和阀门控制等部分组成。

2.2 灌溉系統的基础功能

2.2.1 数据收集与传输  数据感知层主要安装土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器和pH值传感器等感知设备，全面监测灌溉区域的环境参数和灌溉水源的水文信息，包括土壤温湿度、降水、空气温湿度及CO浓度等。数据传输层负责将监控画面和监测数据传输至云服务平台，一般都是通过无线通信方式，包括4G、5G、LoRa和WiFi等，传输速度快。

2.2.2 智能化灌溉控制  对于数据感知层和传输层获取的数据信息，经过数据处理层进行智能分析和处理，结合农作物不同生长时期的灌溉需求，自动控制灌溉的时间、水量和方式。监测数据可以通过大屏呈现，用户也可以通过手机、平板和电脑等智能终端直观查看监测数据。当感知层监测到土壤含水量过低时，可自动启动设备进行浇灌，水量达到标准值时则自动停止灌溉。在智能化控制系统下，用户可制定多种灌溉方案，如循环灌溉、按时灌溉和远程控制灌溉等，通过云服务平台即可进行远程控制，实时查看灌溉策略及效果，根据作物的生长情况及时调整启停时间，达到较佳的灌溉效果。

2.2.3 自动报警  当灌溉系统出现设备故障，管道渗漏、开裂，或者监测到温湿度超出标准范围时，系统会启动报警装置，通过短信、云平台等多种方式将报警信息发送到客户端，提醒用户快速做出决策。

3 物联网技术在农业灌溉系统中的应用

3.1 传感器的布设

在农业生产场景中，根据监测需求安装不同类型的传感器。通过物联网形成监测网络，将传感器实时监测获取的土壤湿度、温度、降水量、pH值等数据，及时传输到云平台或农业管理系统。安装时需要注意以下几点：（1）根据农作物种植需求选择合适的位置安装传感器，通常选择离作物较近且易于观察的位置，避免被遮挡或被干扰；（2）固定传感器时应保证其牢固，可根据不同类型的传感器选择支架或固定夹等固定方式；（3）注意传感器周围环境，定期检查和维护，以保证数据的准确性和稳定性。

3.2 数据模型的建立

农业水利灌溉系统数据模型的建立需要综合考虑数据的收集、处理、分析和决策等模块，通过模式选择、指令调节和控制算法等功能更好地管理和控制灌溉系统，提高水资源的利用效率。（1）数据收集：通过传感器、记录器或其他数据源收集农业水利灌溉系统的历史数据，主要包括灌溉时间、水量和土壤温湿度等。（2）数据处理：对收集到的数据进行处理，如去除数据中的异常值、归一化数据等，保留具有可利用价值的数据。（3）模型建立：根据收集和处理后的数据建立数字模型，常见的有回归模型、人工神经网络模型和时间序列模型等，对农业生产场景的灌溉需求进行预测。（4）模型验证与优化：模型建立后，要对其进行验证和优化，一般采用交叉验证法来验证模型的准确性和可靠性，如果预测结果与实际需求存在较大差异，则需要对模型进行调整和优化。（5）决策支持：通过预测模型获取未来生产场景的灌溉需求，从而根据预测结果并结合实际情况对灌溉计划做出调整和优化。

3.3 农业水利灌溉系统的试运行

灌溉系统在投入运行之前需要试运行，确保能够正常工作。试运行时，需要根据设计方案，调整运行参数，并进行分组灌溉。（1）试运行前做好检查，确保灌溉系统的所有设备都已正确安装且正常运行；（2）试运行时应按照设计流量进行灌溉，整个设备所处的环境和水源水温一般在5～30°C范围内，温度过高或过低都可能会对灌溉系统造成影响；（3）针对喷灌系统，试运行时应分组进行，试运行过程中要检查水源、水泵、地面移动管道、喷头、闸阀和进排气阀等设备的工作状态，并适当调整；（4）针对微灌系统，试运行时应采取分组轮灌的方式，并确保各部分运行的稳定性，观察滴灌管的管壁、管件和阀门等处是否有渗水、漏水、破裂或脱落等情况出现，及时处理并做好记录，处理后再次试运行，直到试运行合格；（5）针对管灌系统，试运行前应先开启出水口，后启动水泵，再缓慢开启水泵出口控制阀。切换出水口时，按照先开后关的顺序进行；停灌时，先缓慢关闭水泵出口控制阀，再停泵，后关出水口。试运行过程中，重点检查机井、动力机、水泵、闸阀、进排气阀、给水栓和地面移动灌溉闸管或软管等设备的工作状况，并根据实际情况进行适当调整。

4 物联网技术在农业水利灌溉中的发展策略

4.1 提高设备可靠性和耐用性

随着技术的不断进步，未来的物联网设备应更加可靠、耐用，减少故障率，提高灌溉系统的整体稳定性。设备选型时应注重其性能的稳定与可靠，根据设备的使用情况、工作环境制定维护保养计划，并按计划做好维护保养工作。

4.2 提高用户友好性和易用性

考虑到农业从业人员的文化水平等实际情况，未来的物联网设备应提高用户友好性和易用性，以便从业人员接受和使用。在设计方面注重简洁和清晰，为用户提供明显的导航标志和菜单选项，使用户轻松使用网站或应用程序进行导航，迅速找到所需信息。农业水利灌溉系统应适应不同屏幕尺寸的多种设备，根据用户的行为和偏好提供个性化的内容和建议，这可以通过用户数据分析和个性化算法来实现。

4.3 智能决策与自动化

灌溉系统的智能决策与自动化是当前农业领域的重要发展方向。利用先进的传感器、算法和数据分析技术，可以使农业灌溉系统更加精准地监测土壤温湿度、气象条件和作物生长情况，并做出相应的决策和操作，最大限度地提高灌溉效率和水资源利用率。目前，智能灌溉系统的使用范围越来越广泛，功能越来越智能化，如根据传感器采集到的数据和算法分析结果，自主决定灌溉的时间、水量和方式。

5 结语

物联网技术在农业水利灌溉中的应用日益广泛，智慧农业的发展，使农业种植突破了传统农业生产模式的限制。本文探索物联网技术在农业水利灌溉中的应用，分析农业水利灌溉系统的发展现状，总结物联网技术的应用优势，如实时监测土壤温湿度，提升农作物产量和品質，增强灌溉系统的适应性和扩展性。实践证明，在农业水利灌溉系统中应用物联网技术，对实现水资源的优化配置和高效利用具有非常重要的意义，可以有效缓解水资源紧缺问题，促进农业产业可持续发展。

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作者简介 李文浩（1986—），男，甘肃庄浪人，工程师，从事水利工程研究。

收稿日期 2023-09-27