物联网技术在现代农业节水灌溉中的应用研究

我国是一个农业大国，近年来，我国一直在积极推动农业信息化、科技化的发展，促进传统农业向信息化智慧农业转型，解放劳动力。我国农村水资源较为丰富，但农业水利灌溉技术水平较低，农业灌溉浪费了大量的水资源。节水灌溉是加快我国现代农业全面发展的重要途径。为促进我国农业的稳定发展，应提升节水灌溉技术水平。将物联网技术应用于现代农业节水灌溉中，能够根据作物生长需要适量灌溉，节省人力物力，有效提高农业生产和节水的效率。

1 物联网技术

物联网技术就是将各种传感器和装备连接到电网、公路、铁路、供水系统和各种管道中，构建成一个网络，并将物联网连入互联网中，通过计算机群的普适计算和分析功能，人们可以实时控制和管理物联网的机器、设备等，实现物与物之间的有效沟通。物联网技术主要是利用传感器节点和RFID射频技术采集数据。传感器节点要放置在需要采集信息的位置或物体内，传感器将感知到的信息传输到汇聚节点，汇聚节点将汇集后的信息传至网关，通过互联网传输到监控中心。RFID射频技术就是在感知对象上粘贴标签，扫描标签可以获取信息，再将信息传输到RFID系统中。物联网技术具有智能感知的特点，已被应用于很多行业，为其带来了便利。将物联网技术应用于农业节水灌溉中，可改变以人力为中心的传统灌溉模式，转变为自动化、智能化的灌溉模式，物联网技术以感知为前提，和农作物的生长环境进行有效的连接，根据农作物不同的需水特性、生长阶段、生存环境制定合理的灌溉计划，保障适时、适量地灌溉，还能进行局部灌溉，提升水资源利用率，避免土地盐碱化，改良盐碱化土壤，提高农业生产效率。

2 物联网节水灌溉系统结构体系

2.1 节水灌溉系统的网络构架

应用物联网技术构建现代农业灌溉系统，主要是通过对农作物的动态监测，收集农业生产过程中的各种数据，全面分析农业生产和节水灌溉数据。整个网络包括传感器、计算机、控制和通信技术的监测系统，具有采集信息、传输数据和处理数据等功能。在集约化的农业生产过程中可以应用大量的自动化、智能化和远程控制设备，农民可随时了解土壤和环境信息，得到准确的检测结果，了解农作物生长情况，便于进行接下来的农业生产。

2.2 监测信息采集和控制层

农作物从土壤中吸取养分和水分，土壤中的水分和营养元素含量直接影响农作物的生长，水分和养分是农业生产中可人为调控的重要因素。物联网技术采集土壤中的水分、养分等进行数据量化，现在常用的传感器有温湿度检测、碳浓度检测、监控摄像头和气象站。分布在监测区域各个位置的传感器节点可定时检测养分和水分数据信息，传感器节点将信息初步处理后传输至汇聚节点，再通过无线通信技术给网关传送信息，网关通过互联网给监控中心传输信息，监控中心汇集、整理信息，并进行分析处理，给农民准确地检测信息，还可自行做出决策，给相应开关发出控制指令，打开或关闭相应的灌溉设备，为农作物生长提供水分和养分，一般使用继电器或电磁阀控制灌溉管道的开关。监测土壤水分的传感器主要有频域型和时域型两种，频域型传感器的优势较为突出，使用普遍。频域型传感器利用电磁脉冲的原理，测量电磁波在土壤中的传播频率，得到土壤表观介电数，以此得到土壤的含水量。频域型传感器安全性、准确性高，容易操作，检测时间短，可定点连续检测，自动化程度高，量程宽，标定少。目前频域型传感器种类较多，如土壤水分传感器NHSF48 、NHSF50，土壤温湿盐分一体性的传感器NH148，土壤温度水分盐分传感器Hydra，土壤水分温度电导率传感器NHCS650、NHCS655等。在现代农业灌溉中微处理器通常选择CC2530。CC2530使用成本低下的材料，具有RF收发器、增强型8051CPU、系统内可编程闪存和8-KB RAM等强大的功能，其设立的网络节点强大，转换速度快，能量消耗低。

2.3 数据传输层

数据传输层的功能就是通过无线网络技术将汇聚节点的农业消息传至网关，再通过合理、安全和有效的路由协议和网络安全协议将农业信息传输至监控中心，保障信息传输的安全可靠性。农业生产环境复杂，信息传输会受到气候、环境和农作物生长的影响，但不同于工业生产要求的信息实时传输，农业信息传输对时效性要求不高，可以有少许的时间延迟，不会影响农业生产。农业生产中应用的物联网通信技术有ZigBee、Wi-Fi、GPRS和蓝牙等通信技术。ZigBee通信技术在农业自动化的短距离、低速率信息传输中应用广泛，其网络容量大，成本低，传输迅速，信息传输可靠，安全性和兼容性强。Wi-Fi无线网络技术应用于工业、家具和精细农业生产等多个领域中，Wi-Fi可利用网络资源，使用成本低，普及性好，通信距离长，覆盖面积广，带宽大、传输速度快，信息传输标准化。GPRS通信技术不限制信息传输距离且传输迅速，主要应用于手持式设备中，但GPRS按量计费，使用成本较高。蓝牙无线传输技术可以实现短距离内带有蓝牙功能设备之间的通信，传输速度较快，传输稳定，不易收到外界干扰。四种通信技术各有优缺点，在实际应用中可组合应用，使信息能够远程、高效地传输。

2.4 数据的终端处理层

终端处理层也叫控制终端，信息传送到监测中心后，监测中心需要对信息进行有效的处理，再传输到监控平台，用户在平台上接收到土壤水分检测信息，并以此决定是否进行灌溉。控制终端会将收集到的土壤参数存储至数据库，便于以后调取信息，了解土壤湿度变化等。控制终端的界面经编程后，用户可以直观地读取数据操作起来也更简便。

3 物联网构建系统特点

3.1 系统供电

基于物联网技术的节水灌溉系统需要较多的传感器节点进行监测，传感器的应用需要电能，电池更换较为繁琐，因此在系统建设时就要考虑供电节能问题。可利用太阳能电池板满足系统用电需求，还能实现节能的效果。系统构建时选择耗能少的通信模块，可有效降低电能消耗。应用功率管理技术和动态调压技术也可达到节能的目的。

3.2 系统管理

物联网系统内存储大量土地监测数据，系统建设和运行过程中，需要搜集和处理信息，不仅要明确数据表的结构，还要进行数据维护管理。为保障用户账户、信息和权限的完整性，促进节水农业的可持续发展，物联网技术会定期维护系统的运行。物联网系统还应加强特定领域的知识管理，保障其规范性。

3.3 信息查询和分析

用户可以使用物联网系统查询信息。利用点位查找或是空间查找等方法，以容易被看懂的图表的形式表达结果。传感器节点在各个位置搜集信息，物联网系统可以明确具体位置，中心计算机接收到信息后可准确定位地点，并进行合理布设。

作者单位：葫芦岛市现代农业发展服务中心