物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

呂慶軍，鐘聞?dòng)?，由浩?/p>

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林132101）

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)問(wèn)題一直是國(guó)家高度重視的發(fā)展問(wèn)題。為了加快我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，有力地推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)模式由傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔坌娃r(nóng)業(yè)，進(jìn)一步解放我國(guó)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力，近年來(lái)我國(guó)正在大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。

在智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)過(guò)程中，眾多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題極大地限制了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。其中節(jié)水灌溉的問(wèn)題是限制我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。農(nóng)業(yè)灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵部分，不解決節(jié)水灌溉問(wèn)題，智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式便無(wú)法真正落實(shí)。

1 節(jié)水灌溉問(wèn)題的社會(huì)背景

每年我國(guó)用于農(nóng)業(yè)灌溉的水資源約占我國(guó)總用水量的80%。雖然我國(guó)的水資源總量較為豐富，但是用于農(nóng)業(yè)灌溉的水資源卻依然存在較大的缺口。同時(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)在灌溉過(guò)程中還存在較為嚴(yán)重的浪費(fèi)情況。這是由于我國(guó)農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)水平較低，對(duì)水資源的利用率也遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)水平，進(jìn)而導(dǎo)致大量的水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中無(wú)法得到充分的利用。低下的農(nóng)業(yè)灌溉效率嚴(yán)重制約了我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。因此，實(shí)行節(jié)水灌溉是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中一項(xiàng)勢(shì)在必行的工作任務(wù)。

2 智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

2.1 智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)村的普及，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技正在大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，從而改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式，進(jìn)而誕生了智慧農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)需要采集整理傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并依靠物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)信息的整合共享，從而提升了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。

在我國(guó)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正處于快速發(fā)展的階段，我國(guó)多個(gè)省市正在進(jìn)行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的試驗(yàn)運(yùn)行，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度結(jié)合。目前，隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種植、收獲及銷(xiāo)售活動(dòng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化信息管理，可以合理地配置生產(chǎn)過(guò)程中的各種農(nóng)業(yè)資源。

2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要依靠信息化的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中存在大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，人們可以通過(guò)傳感器進(jìn)行土壤信息、氣候信息的采集工作，確保農(nóng)民可以及時(shí)準(zhǔn)確地掌握各種與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的重要信息，從而幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，改變傳統(tǒng)的以人和機(jī)械為中心的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的中心變?yōu)榱诵畔④浖Ｍㄟ^(guò)信息軟件，可以將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備聯(lián)合起來(lái)，初步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化和自動(dòng)化的生產(chǎn)。

從技術(shù)層面上分析農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，可以將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)看作是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層這三種結(jié)構(gòu)層次所組成的。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知層借助科技設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物體的識(shí)別，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，具體包括各種專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。例如，有檢測(cè)二氧化碳濃度的，有檢測(cè)溫度與濕度的，還有監(jiān)控?cái)z像頭等等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層則是負(fù)責(zé)各種已獲取信息的傳遞與處理。這層結(jié)構(gòu)是由各種局域網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)構(gòu)成的。而應(yīng)用層則是負(fù)責(zé)連接農(nóng)業(yè)用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)，確保物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用功能落到實(shí)處，真正為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供助力。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的具體應(yīng)用

智慧農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，這項(xiàng)系統(tǒng)應(yīng)用了當(dāng)前社會(huì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)，構(gòu)成了灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)，通常還會(huì)使用太陽(yáng)能技術(shù)為節(jié)水灌溉系統(tǒng)提供動(dòng)力能源。

3.1 智慧農(nóng)業(yè)中節(jié)水灌溉的工作流程

在智慧農(nóng)業(yè)中，通過(guò)節(jié)水灌溉系統(tǒng)控制農(nóng)田的灌溉工作，以實(shí)現(xiàn)大量節(jié)省用于灌溉的水資源。一套完整的節(jié)水灌溉系統(tǒng)通常包括控制泵房的自動(dòng)化管理系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)土壤墑情的土地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)氣象條件系統(tǒng)，管理視頻監(jiān)控的系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)地下水位系統(tǒng)，太陽(yáng)能節(jié)水系統(tǒng)等多個(gè)不同功能的子系統(tǒng)。節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過(guò)自身的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。

在使用節(jié)水灌溉功能時(shí)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以快速高效地收集關(guān)于農(nóng)田和作物的詳細(xì)信息，如，土壤溫度與濕度，光照強(qiáng)度，作物的長(zhǎng)勢(shì)等等，并將獲得的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)。而服務(wù)平臺(tái)則根據(jù)節(jié)水灌溉系統(tǒng)收集的反饋信息，對(duì)農(nóng)田的灌溉作業(yè)進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，幫助農(nóng)民確定具體的灌溉方式和灌溉用水量，并自動(dòng)調(diào)配當(dāng)?shù)氐墓喔扔盟?，?duì)農(nóng)田中需要灌溉的農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)的灌溉作業(yè)。在灌溉作業(yè)進(jìn)行時(shí)，節(jié)水灌溉系統(tǒng)還在實(shí)時(shí)監(jiān)控灌溉結(jié)果，以及時(shí)調(diào)整灌溉方式，提高土地灌溉質(zhì)量。按照農(nóng)作物的需求執(zhí)行自動(dòng)化的智能灌溉，可以有效避免傳統(tǒng)灌溉方式中統(tǒng)一灌溉的情況，在保障農(nóng)作物用水需求的前提下，大幅度提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水資源的利用效果。

此外，隨著智能手機(jī)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的連接，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員還可以通過(guò)手機(jī)對(duì)土地的灌溉工作進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。管理人員通過(guò)手機(jī)屏幕便可以實(shí)時(shí)了解農(nóng)田的土壤情況，農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，以及當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r。

目前的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)針對(duì)節(jié)水灌溉作業(yè)提供給多項(xiàng)服務(wù)功能，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽訪(fǎng)問(wèn)，并支持多個(gè)用戶(hù)同時(shí)瀏覽，用戶(hù)可以根據(jù)自身情況選擇自動(dòng)化，半自動(dòng)化，或人工手動(dòng)的節(jié)水灌溉模式。同時(shí)，平臺(tái)還支持灌溉區(qū)域情況的多維度展示與分析，以便于用戶(hù)及時(shí)了解和掌控農(nóng)田灌溉作業(yè)的詳細(xì)情況。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)中關(guān)于節(jié)水灌溉的物聯(lián)網(wǎng)方案

當(dāng)前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式普遍是LORA+4G網(wǎng)絡(luò)，智能化網(wǎng)關(guān)使用是非授權(quán)的廣域網(wǎng)技術(shù)，而網(wǎng)關(guān)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的連接則使用的是4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。但是隨著國(guó)家針對(duì)LORA網(wǎng)關(guān)的使用做出了較多的限制，使得LORA網(wǎng)關(guān)在承載連接用戶(hù)數(shù)量方面的功能有著大幅的下降，從而導(dǎo)致該網(wǎng)關(guān)無(wú)法再為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供一些基本的服務(wù)功能，使得農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求。因此，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必須對(duì)組網(wǎng)方案進(jìn)行升級(jí)，將會(huì)使用NB-IOT方式的組網(wǎng)方案。該種形式的組網(wǎng)方案將會(huì)減少建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的施工量，從而進(jìn)一步降低了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還會(huì)提升服務(wù)平臺(tái)各個(gè)模塊的服務(wù)功能，使該農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供的各項(xiàng)服務(wù)變得更加可靠。此外，新型組網(wǎng)方式還會(huì)簡(jiǎn)化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方便農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后期維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧農(nóng)業(yè)及其節(jié)水灌溉功能在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中后，極大地突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式，使農(nóng)民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不再完全依賴(lài)于天氣條件和種植經(jīng)驗(yàn)。在農(nóng)田灌溉方面，通過(guò)精準(zhǔn)化的灌溉方式，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地提升了智慧農(nóng)田節(jié)水灌溉的應(yīng)用效率，充分保護(hù)了當(dāng)?shù)氐乃Y源，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。這對(duì)于農(nóng)業(yè)用水資源較為缺乏的地區(qū)有著極為重要的意義。