物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應(yīng)用

摘要 為進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)水利灌溉智能化發(fā)展，提高水資源的利用效率，本文探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應(yīng)用。分析農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，如實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤溫濕度，提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增強(qiáng)灌溉系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。實(shí)踐證明，在農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和高效利用具有非常重要的意義，可以有效緩解水資源緊缺問題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 水利灌溉；智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)測

中圖分類號 S275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）03-0096-03

在農(nóng)業(yè)水利灌溉中，傳統(tǒng)的灌溉方式不僅浪費(fèi)水資源，還難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，最終影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，通過技術(shù)手段提高水資源利用效率，提高農(nóng)業(yè)水利灌溉水平，對推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。部分地區(qū)在農(nóng)業(yè)灌溉方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對土壤和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同作物和土壤條件制定個(gè)性化管理方案，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加精準(zhǔn)的灌溉和施肥指導(dǎo)，并通過智能化的水資源管理系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行高效管理。

現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)水利灌溉研究集中在節(jié)水灌溉和智能灌溉兩個(gè)方面。節(jié)水灌溉主要是通過改進(jìn)灌溉方式和設(shè)備，減少水資源浪費(fèi)。智能灌溉通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對土壤和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為農(nóng)民提供更加精準(zhǔn)的灌溉方案。近年來，我國大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，智能灌溉控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，部分農(nóng)業(yè)園區(qū)已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能灌溉系統(tǒng)中。后者集自動(dòng)控制技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利灌溉智能化控制，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、節(jié)約水資源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

本文分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的架構(gòu)和基礎(chǔ)功能，從傳感器的布設(shè)、數(shù)據(jù)模型的建立和農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的試運(yùn)行3個(gè)方面入手闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用，并結(jié)合工作實(shí)踐提出有針對性的發(fā)展建議，為農(nóng)業(yè)水利事業(yè)的健康發(fā)展提供參考。

1 農(nóng)業(yè)水利物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水利灌溉的智能化和自動(dòng)化控制，通過LoRa等無線傳輸技術(shù)，突破灌溉環(huán)境限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信傳播，且穿透能力強(qiáng)，在精準(zhǔn)控制下節(jié)約水資源，提升灌溉效率，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)抵御旱災(zāi)的能力。

1.1 監(jiān)測土壤的溫濕度

在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉領(lǐng)域，土壤溫濕度傳感器的應(yīng)用日益廣泛，主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、溫室大棚、草地牧場等土壤含水量和溫度的測量，可以實(shí)現(xiàn)24 h在線監(jiān)測，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)平臺，智慧灌溉系統(tǒng)即可根據(jù)農(nóng)田作物的實(shí)際灌溉需求，自動(dòng)開啟或關(guān)閉灌溉閥門。

1.2 提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)可以對農(nóng)田土壤環(huán)境及作物生長環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定農(nóng)作物的灌溉需求，從而精準(zhǔn)控制灌溉時(shí)間和水量，為作物調(diào)節(jié)適宜的生長環(huán)境，減少旱澇出現(xiàn)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象預(yù)報(bào)相結(jié)合，及時(shí)預(yù)測和應(yīng)對自然災(zāi)害，提高農(nóng)作物的抗災(zāi)能力。

1.3 增強(qiáng)灌溉系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于大范圍農(nóng)田、果園和蔬菜等農(nóng)作物種植場景，根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)定制化、智能化灌溉，按照作物種類和生長環(huán)境自動(dòng)調(diào)整灌溉方式和水量，保證作物得到充足的水分和營養(yǎng)。農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測作物的生長狀況和生長環(huán)境，對干旱地區(qū)的作物自動(dòng)降低灌溉水量，以維持作物的基本生長；監(jiān)測作物的葉片顏色、生長狀態(tài)等參數(shù)并進(jìn)行精確灌溉。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)

2.1 灌溉系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)水利灌溉控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能化管理、精準(zhǔn)化灌溉，提高水資源利用效率，減少人力投入成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，其主要由水泵控制系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和閥門控制等部分組成。

2.2 灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能

2.2.1 數(shù)據(jù)收集與傳輸? 數(shù)據(jù)感知層主要安裝土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和pH值傳感器等感知設(shè)備，全面監(jiān)測灌溉區(qū)域的環(huán)境參數(shù)和灌溉水源的水文信息，包括土壤溫濕度、降水、空氣溫濕度及CO濃度等。數(shù)據(jù)傳輸層負(fù)責(zé)將監(jiān)控畫面和監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)平臺，一般都是通過無線通信方式，包括4G、5G、LoRa和WiFi等，傳輸速度快。

2.2.2 智能化灌溉控制? 對于數(shù)據(jù)感知層和傳輸層獲取的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行智能分析和處理，結(jié)合農(nóng)作物不同生長時(shí)期的灌溉需求，自動(dòng)控制灌溉的時(shí)間、水量和方式。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過大屏呈現(xiàn)，用戶也可以通過手機(jī)、平板和電腦等智能終端直觀查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)感知層監(jiān)測到土壤含水量過低時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行澆灌，水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)則自動(dòng)停止灌溉。在智能化控制系統(tǒng)下，用戶可制定多種灌溉方案，如循環(huán)灌溉、按時(shí)灌溉和遠(yuǎn)程控制灌溉等，通過云服務(wù)平臺即可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)查看灌溉策略及效果，根據(jù)作物的生長情況及時(shí)調(diào)整啟停時(shí)間，達(dá)到較佳的灌溉效果。

2.2.3 自動(dòng)報(bào)警? 當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備故障，管道滲漏、開裂，或者監(jiān)測到溫濕度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，通過短信、云平臺等多種方式將報(bào)警信息發(fā)送到客戶端，提醒用戶快速做出決策。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 傳感器的布設(shè)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景中，根據(jù)監(jiān)測需求安裝不同類型的傳感器。通過物聯(lián)網(wǎng)形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取的土壤濕度、溫度、降水量、pH值等數(shù)據(jù)，及時(shí)傳輸?shù)皆破脚_或農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。安裝時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)農(nóng)作物種植需求選擇合適的位置安裝傳感器，通常選擇離作物較近且易于觀察的位置，避免被遮擋或被干擾；（2）固定傳感器時(shí)應(yīng)保證其牢固，可根據(jù)不同類型的傳感器選擇支架或固定夾等固定方式；（3）注意傳感器周圍環(huán)境，定期檢查和維護(hù)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)據(jù)模型的建立

農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的建立需要綜合考慮數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和決策等模塊，通過模式選擇、指令調(diào)節(jié)和控制算法等功能更好地管理和控制灌溉系統(tǒng)，提高水資源的利用效率。（1）數(shù)據(jù)收集：通過傳感器、記錄器或其他數(shù)據(jù)源收集農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，主要包括灌溉時(shí)間、水量和土壤溫濕度等。（2）數(shù)據(jù)處理：對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如去除數(shù)據(jù)中的異常值、歸一化數(shù)據(jù)等，保留具有可利用價(jià)值的數(shù)據(jù)。（3）模型建立：根據(jù)收集和處理后的數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型，常見的有回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和時(shí)間序列模型等，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景的灌溉需求進(jìn)行預(yù)測。（4）模型驗(yàn)證與優(yōu)化：模型建立后，要對其進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，一般采用交叉驗(yàn)證法來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，如果預(yù)測結(jié)果與實(shí)際需求存在較大差異，則需要對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。（5）決策支持：通過預(yù)測模型獲取未來生產(chǎn)場景的灌溉需求，從而根據(jù)預(yù)測結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況對灌溉計(jì)劃做出調(diào)整和優(yōu)化。

3.3 農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的試運(yùn)行

灌溉系統(tǒng)在投入運(yùn)行之前需要試運(yùn)行，確保能夠正常工作。試運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)方案，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行分組灌溉。（1）試運(yùn)行前做好檢查，確保灌溉系統(tǒng)的所有設(shè)備都已正確安裝且正常運(yùn)行；（2）試運(yùn)行時(shí)應(yīng)按照設(shè)計(jì)流量進(jìn)行灌溉，整個(gè)設(shè)備所處的環(huán)境和水源水溫一般在5～30°C范圍內(nèi)，溫度過高或過低都可能會(huì)對灌溉系統(tǒng)造成影響；（3）針對噴灌系統(tǒng)，試運(yùn)行時(shí)應(yīng)分組進(jìn)行，試運(yùn)行過程中要檢查水源、水泵、地面移動(dòng)管道、噴頭、閘閥和進(jìn)排氣閥等設(shè)備的工作狀態(tài)，并適當(dāng)調(diào)整；（4）針對微灌系統(tǒng)，試運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取分組輪灌的方式，并確保各部分運(yùn)行的穩(wěn)定性，觀察滴灌管的管壁、管件和閥門等處是否有滲水、漏水、破裂或脫落等情況出現(xiàn)，及時(shí)處理并做好記錄，處理后再次試運(yùn)行，直到試運(yùn)行合格；（5）針對管灌系統(tǒng)，試運(yùn)行前應(yīng)先開啟出水口，后啟動(dòng)水泵，再緩慢開啟水泵出口控制閥。切換出水口時(shí)，按照先開后關(guān)的順序進(jìn)行；停灌時(shí)，先緩慢關(guān)閉水泵出口控制閥，再停泵，后關(guān)出水口。試運(yùn)行過程中，重點(diǎn)檢查機(jī)井、動(dòng)力機(jī)、水泵、閘閥、進(jìn)排氣閥、給水栓和地面移動(dòng)灌溉閘管或軟管等設(shè)備的工作狀況，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的發(fā)展策略

4.1 提高設(shè)備可靠性和耐用性

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)更加可靠、耐用，減少故障率，提高灌溉系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注重其性能的穩(wěn)定與可靠，根據(jù)設(shè)備的使用情況、工作環(huán)境制定維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，并按計(jì)劃做好維護(hù)保養(yǎng)工作。

4.2 提高用戶友好性和易用性

考慮到農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的文化水平等實(shí)際情況，未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)提高用戶友好性和易用性，以便從業(yè)人員接受和使用。在設(shè)計(jì)方面注重簡潔和清晰，為用戶提供明顯的導(dǎo)航標(biāo)志和菜單選項(xiàng)，使用戶輕松使用網(wǎng)站或應(yīng)用程序進(jìn)行導(dǎo)航，迅速找到所需信息。農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)不同屏幕尺寸的多種設(shè)備，根據(jù)用戶的行為和偏好提供個(gè)性化的內(nèi)容和建議，這可以通過用戶數(shù)據(jù)分析和個(gè)性化算法來實(shí)現(xiàn)。

4.3 智能決策與自動(dòng)化

灌溉系統(tǒng)的智能決策與自動(dòng)化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。利用先進(jìn)的傳感器、算法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以使農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)更加精準(zhǔn)地監(jiān)測土壤溫濕度、氣象條件和作物生長情況，并做出相應(yīng)的決策和操作，最大限度地提高灌溉效率和水資源利用率。目前，智能灌溉系統(tǒng)的使用范圍越來越廣泛，功能越來越智能化，如根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)和算法分析結(jié)果，自主決定灌溉的時(shí)間、水量和方式。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應(yīng)用日益廣泛，智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)種植突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的限制。本文探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)水利灌溉中的應(yīng)用，分析農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，如實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤溫濕度，提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增強(qiáng)灌溉系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。實(shí)踐證明，在農(nóng)業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和高效利用具有非常重要的意義，可以有效緩解水資源緊缺問題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介 李文浩（1986—），男，甘肅莊浪人，工程師，從事水利工程研究。

收稿日期 2023-09-27