一種物聯(lián)網(wǎng)的智慧化遠(yuǎn)程滴灌系統(tǒng)

石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 王猷智 周 杰

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式開(kāi)始向信息化方向發(fā)展，已取得不錯(cuò)的成績(jī)，但仍有諸多問(wèn)題殘留，一是水利灌溉方式不合理，造成水資源浪費(fèi)。二是濫用肥料，導(dǎo)致化肥浪費(fèi)、農(nóng)藥化肥殘留。三是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地的環(huán)境因素基本依靠人們的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷調(diào)整，易產(chǎn)生誤差。因此，研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧化滴灌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植的精確控制，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。

近年來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展獲得了顯著成就，糧食產(chǎn)量已經(jīng)滿足國(guó)內(nèi)需要，但在生產(chǎn)技術(shù)、科技應(yīng)用、科學(xué)管理等方面仍存有諸多問(wèn)題：（1）在水利方面，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)施水采取的漫灌方法用水浪費(fèi)嚴(yán)重；（2）在施肥方面，過(guò)量使用化肥導(dǎo)致肥料浪費(fèi)，且易導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，重金屬過(guò)量，并且農(nóng)產(chǎn)品肥、藥殘留量增加，損害人類健康；（3）憑經(jīng)驗(yàn)人工調(diào)整的環(huán)境參數(shù)易產(chǎn)生誤差，致使農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境參數(shù)不精確，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。而通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與水肥一體化系統(tǒng)相結(jié)合的方式，利用傳感器技術(shù)，大數(shù)據(jù)與云技術(shù)，可對(duì)溫室大棚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及科學(xué)智能管理，并最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化與信息化?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧化遠(yuǎn)程滴灌系統(tǒng)可完成大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集與分析處理，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)需求采取合理調(diào)控措施，使農(nóng)作物始終處于最適生長(zhǎng)環(huán)境，可節(jié)約大量人力物力，具有良好的發(fā)展前景。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最早由麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)提出，其本質(zhì)為基于傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可促使信息技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植管理互相交融、發(fā)展與升級(jí)，幫助廣大農(nóng)民節(jié)約資源與勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，保證農(nóng)作物質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層。感知層主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通信，通過(guò)各種傳感器采集環(huán)境的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后通過(guò)通信網(wǎng)路發(fā)送廣域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層主要使用互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)等通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，使感知層收集的數(shù)據(jù)信息傳至應(yīng)用層。應(yīng)用層根據(jù)實(shí)際需求及數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)應(yīng)用控制與系統(tǒng)服務(wù)功能。

關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，感知層是信息化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵所在，其信息采集對(duì)象主要包括空氣質(zhì)量、溫濕度、土壤成分、水體環(huán)境等與農(nóng)作物生長(zhǎng)緊密相關(guān)的因素。傳輸層主要通過(guò)多種網(wǎng)絡(luò)途徑將感知層所有信息采集節(jié)點(diǎn)采集的各類數(shù)據(jù)安全精確傳送至服務(wù)器或客戶端上，完成長(zhǎng)距離、廣范圍的大數(shù)據(jù)通信、分析處理與存儲(chǔ)。應(yīng)用層對(duì)采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總、分析處理、信息共享、決策判斷，并建立基于農(nóng)產(chǎn)品實(shí)際需求的應(yīng)用平臺(tái)。

為確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，對(duì)感知層所采集信息選擇合適的數(shù)據(jù)融合處理算法，并集中收集傳感器數(shù)據(jù)，以無(wú)線方式完成傳輸，以此提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。與依靠經(jīng)驗(yàn)判斷農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境相比，通過(guò)傳感器自動(dòng)采集農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境因素，并進(jìn)行合理決策調(diào)整，既降低了勞動(dòng)力投入，又減少了成本，比前者更具客觀性與準(zhǔn)確性。

2 水肥一體化

水肥一體化技術(shù)會(huì)根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境所需，通過(guò)專業(yè)設(shè)施將肥料、土壤與水按照合適的比例充分混合，最終以滴灌或澆灌的方式供農(nóng)產(chǎn)品吸收。由于不同農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)不同，且所需的水肥比例不同，為打造最適合農(nóng)作物的生成環(huán)境，需區(qū)分設(shè)計(jì)水肥一體化供給系統(tǒng)，以確保水分和肥料按時(shí)、科學(xué)的傳輸至農(nóng)作物。通過(guò)水肥一體化的滴灌方式，可有效降低化學(xué)藥品的使用，提升了水肥的使用效率，進(jìn)而減少農(nóng)業(yè)用水肥的成本。水肥一體化在我國(guó)發(fā)展較晚，現(xiàn)階段仍存在一些問(wèn)題，例如設(shè)備體積大、操作繁瑣，需要在仿真應(yīng)用及管道鋪設(shè)等方面繼續(xù)投入大量的調(diào)查研究。

我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)化肥用量較大，但肥料利用率較低，農(nóng)作物無(wú)法有效吸收所施肥料，殘余肥料甚至?xí)绊懲寥澜Y(jié)構(gòu)，降低土壤蓄水功能，進(jìn)一步造成水資源浪費(fèi)。故研發(fā)精確可靠的水肥一體化系統(tǒng)可提高水肥利用效率，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植成本，避免因過(guò)度施肥造成的土壤惡化問(wèn)題，使農(nóng)作物更好的吸收養(yǎng)分。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中時(shí)，很大程度上可以提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展效率。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間的信息集成技術(shù)與目前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，及相對(duì)成熟的農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程管理機(jī)制，為確保農(nóng)作物及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的可靠運(yùn)行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)服務(wù)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)所需的人才及資金方面，在政府對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)重點(diǎn)關(guān)注之后，也通過(guò)技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)對(duì)其進(jìn)行人才及資金方面的扶持。但根據(jù)目前的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)完成的信息化進(jìn)度，仍存在部分遺留問(wèn)題，亟待解決。

一是根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，因各地域間的自然環(huán)境因素和地區(qū)經(jīng)濟(jì)體系的差異，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)信息化在各地區(qū)的發(fā)展存在一定不平衡性，使農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的應(yīng)用不能形成有效基準(zhǔn)，進(jìn)而造成部分地區(qū)的信息需求存在一定程度的差異性，若農(nóng)業(yè)信息的傳輸不再具備時(shí)效性，那么其必會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的正常勞作需要。

二是現(xiàn)階段大部分農(nóng)業(yè)體系堅(jiān)持以區(qū)域?yàn)橹行?，在技術(shù)層面實(shí)行自主研發(fā)策略，從物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化層次來(lái)看，這造成我國(guó)各地域農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展不平衡不充分，很大程度上限制了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，導(dǎo)致后續(xù)研發(fā)工作缺乏準(zhǔn)確的相關(guān)信息。故政府部分應(yīng)發(fā)揮宏觀調(diào)控作用，憑借其主導(dǎo)地位，明確各地區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，收集并整合相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃協(xié)調(diào)，確保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展一致。

最后，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系的建設(shè)關(guān)鍵以信息技術(shù)為基礎(chǔ)完成操作，實(shí)現(xiàn)同步傳輸及共享各種信息，這就要求農(nóng)業(yè)工作者自身應(yīng)具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，才可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的一系列操作。在專業(yè)技能層次，根據(jù)我國(guó)目前農(nóng)業(yè)工作者的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，大部分農(nóng)業(yè)人員無(wú)法適應(yīng)技術(shù)發(fā)展體系。故相關(guān)農(nóng)業(yè)工作者的技能培訓(xùn)需進(jìn)一步強(qiáng)化，確保其具備自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際操作基礎(chǔ)，以提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展效率。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次的應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)下的各類信息處理環(huán)節(jié)，通過(guò)各類傳感器將數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，完成對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的綜合分析。利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)運(yùn)行模式，依靠網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，提升數(shù)據(jù)感知能力，以確保農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中各類狀態(tài)數(shù)據(jù)可被系統(tǒng)精確采集。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)體系框架可將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)定，并可利用數(shù)據(jù)傳感技術(shù)將各類數(shù)據(jù)在指定終端存儲(chǔ)，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕Ｕ狭爽F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系的完善建設(shè)。

4.2 監(jiān)控層次的應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)加持下的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的全流程監(jiān)控，如對(duì)植物的狀態(tài)信息和空氣成分、溫濕度等生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可對(duì)農(nóng)業(yè)工作者提供實(shí)時(shí)、同步的準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，可有效節(jié)省人力資源。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)信息采集，并對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考值，可及時(shí)排除植物生長(zhǎng)過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為工作者的決策提供支持。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用

傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，利用RFID技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行無(wú)線傳輸，確保了對(duì)接過(guò)程中的數(shù)據(jù)可靠性。在云服務(wù)技術(shù)支持下，通過(guò)云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量數(shù)據(jù)的采集與處理，避免了數(shù)據(jù)過(guò)度傳輸導(dǎo)致的冗余問(wèn)題。并且憑借物品內(nèi)的二維化信息可通過(guò)信息傳感技術(shù)對(duì)其在物聯(lián)網(wǎng)空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)定位，且可利用這種信號(hào)識(shí)別提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信效率。這對(duì)于農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，農(nóng)作物及其生長(zhǎng)環(huán)境信息可真正的為后續(xù)的管理工作提供數(shù)據(jù)支持。

4.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于農(nóng)作物環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，將各類傳感器合理布置在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境信息如溫濕度、土壤成分等信息的采集，然后利用無(wú)線傳感器技術(shù)對(duì)所采集數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，從而對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類信息進(jìn)行精準(zhǔn)分析、整合。當(dāng)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在誤差時(shí)，可以通過(guò)模型及時(shí)定位，從而準(zhǔn)確地檢測(cè)出此傳感器存在的問(wèn)題，為農(nóng)業(yè)工作者提供數(shù)據(jù)支持。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧遠(yuǎn)程滴灌技術(shù)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能遠(yuǎn)程滴灌系統(tǒng)，可向農(nóng)業(yè)人員提供農(nóng)作物生長(zhǎng)的各類環(huán)境信息，包括土壤濕度、PH值、養(yǎng)分組成、大氣成分、氧氣濃度等數(shù)據(jù)，將采集所得數(shù)據(jù)分析處理并加以管控，使農(nóng)作物可以得到智能化管理，為農(nóng)民帶來(lái)便利。針對(duì)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，該模式可實(shí)現(xiàn)水肥自動(dòng)混雜、施水施肥一體化自動(dòng)操作，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫室遮陽(yáng)、通風(fēng)口開(kāi)閉等過(guò)程，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供最適環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)配置簡(jiǎn)便、規(guī)模大、具有較強(qiáng)的可控性與可靠性。故物聯(lián)網(wǎng)模式廣泛應(yīng)用于軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域。在實(shí)際環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)的安裝維護(hù)并不困難，后期維護(hù)成本與難度也并不高，為環(huán)境的信息采集與分析工作很大程度上提供了便利。

將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面，也可充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括土壤信息采集部分、總控部分、通信部分、開(kāi)關(guān)電路部分、管理控制部分、云服務(wù)等。系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各種信息進(jìn)行自動(dòng)化分析處理，也可依據(jù)特殊情況進(jìn)行人工處理。依托云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將所收集數(shù)據(jù)的分析處理，完成自動(dòng)控制操作，若有參數(shù)超過(guò)閾值，則會(huì)發(fā)出報(bào)警信息以示提醒。

總結(jié)：基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智慧滴灌技術(shù)在現(xiàn)階段較為新穎，其通過(guò)將肥料和水分混合的方式，使肥料持續(xù)、有效的滴入農(nóng)作物根部土壤，在灌溉施肥的同時(shí)可有效規(guī)避土壤徑流的風(fēng)險(xiǎn)，提高水肥的利用效率，并且可以根據(jù)周邊環(huán)境情況、土壤肥力等級(jí)、不同農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)料不同調(diào)節(jié)肥料類別與水肥配比，同時(shí)可以調(diào)節(jié)溫濕度、降低成本、從根本上改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。但現(xiàn)階段相應(yīng)系統(tǒng)普及率不高，具有很大的發(fā)展空間，如：（1）向針對(duì)特定環(huán)境、作物的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，以滿足我國(guó)各地區(qū)不同土壤環(huán)境種植農(nóng)作物的需求，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化和經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展。（2）向設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)的規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水肥灌溉統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，以提升農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量。（3）向規(guī)模化、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的品質(zhì)質(zhì)量，推動(dòng)中國(guó)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。