基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究

劉嬌 余宗憲 胡梅 張文 內(nèi)江師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院

引言

作為世界第一人口大國(guó)，中國(guó)對(duì)糧食的需求量是非常龐大的，只有擁有足夠的糧食才能不受制于人，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受到了資源和環(huán)境的雙重制約。農(nóng)作物的良好生長(zhǎng)離不開先進(jìn)灌溉技術(shù)及設(shè)備的投入，灌溉過(guò)度會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)滋生細(xì)菌，灌溉不足則易導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足。為了高效提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化技術(shù)水平，合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，將物聯(lián)網(wǎng)管控技術(shù)引入智能灌溉體系勢(shì)在必行。節(jié)水灌溉就是根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，在作物需水的情況進(jìn)行灌溉水的高效利用，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)效益的增加。它是以降低灌溉用水的無(wú)效損耗為核心，最大限度地提高灌溉水的有效利用率，以及提高農(nóng)作物的水分利用率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效益。在全球水資源緊缺的情況下，對(duì)水資源的有效利用是非常重要的，由于農(nóng)業(yè)用水在我國(guó)水資源利用中占有一定的比例，因此采用農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，能夠有效提高水資源的利用率，同時(shí)還能滿足作物對(duì)水的需求?？梢姡r(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)在作物灌溉中發(fā)揮著重要作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念及基本特征

1.1 基本概念

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IOT）是指把所有物品通過(guò)紅外感應(yīng)器、射頻識(shí)別技術(shù)、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等各種裝置與技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集物體或過(guò)程的聲、光、熱、電、力學(xué)、化 學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，經(jīng)各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的連接，實(shí)現(xiàn)信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

1.2 基本特征

物聯(lián)網(wǎng)的基本特征從通信對(duì)象和過(guò)程來(lái)看，人與物、物與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為智能處理、可靠傳輸和整體感知。

(1）智能處理。通過(guò)運(yùn)用各種智能技術(shù)，對(duì)感知和傳送到的數(shù)據(jù)、信息一一進(jìn)行分析與處理，使控制與監(jiān)測(cè)變得智能化。

(2）可靠傳輸。為了使物體的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送，達(dá)到信息的交流和分享的目的，可將互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行融合。

(3）整體感知。通過(guò)利用二維碼、射頻識(shí)別、智能傳感器等感知設(shè)備來(lái)達(dá)到獲取物體的各類信息的目的。

2 系統(tǒng)

2.1 基本系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及人機(jī)交互部分三部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

依托于4G無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù)，采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器獲取農(nóng)作物的土壤環(huán)境指數(shù)，并將其發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集處理部分以KZM4矩陣為中心，采用傳感器設(shè)備對(duì)農(nóng)作物土壤環(huán)境指數(shù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)傳輸給中央系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并生成相應(yīng)的決策，對(duì)灌溉控制系統(tǒng)發(fā)出指令。土壤的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了監(jiān)測(cè)設(shè)備，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)時(shí)的采集控制區(qū)內(nèi)的信息，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)農(nóng)作物土壤水分的目的。采集到的信息可以在節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行處理，然后通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，隨后利用無(wú)線通信技術(shù)把采集到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。

根據(jù)農(nóng)田的特性，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

(1)低成本：由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本會(huì)很大影響整個(gè)系統(tǒng)的成本。為了有效降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，必須盡可能降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用，但要在保證節(jié)點(diǎn)性能的前提下采用此方法。

(2)微型化：由于農(nóng)田的特殊性，傳感器節(jié)點(diǎn)需要大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，考慮部署簡(jiǎn)易方便以及對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性沒有影響等問題，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積要非常小才能很好的監(jiān)測(cè)信息。

(3)低功耗：由于傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，電量有限，等電腦耗盡后，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)停止工作，整個(gè)系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)變化。故減少節(jié)點(diǎn)本身的功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、運(yùn)行高效是非常有意義的。

(4)可擴(kuò)展性：在系統(tǒng)的后期應(yīng)用中，可能會(huì)有新的需求，因此一個(gè)具有可擴(kuò)展性的系統(tǒng)可以根據(jù)需求增加不同的功能器件。

(5)優(yōu)良射頻性：節(jié)點(diǎn)間通信距離是限制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要原因[8]，由于農(nóng)田環(huán)境的特殊性，無(wú)線信息的傳播與通信距離指數(shù)相關(guān)并衰減，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離直接影響到發(fā)射功率的消耗，最后會(huì)引發(fā)功耗相關(guān)問題。因此，改善系統(tǒng)的工作能力可以提高射頻性能。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^(guò)程是：把傳感器部分采集到的數(shù)據(jù)，利用無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再利用合理的、有效的路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)更安全更可靠的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。該系統(tǒng)可選用WiFi通信網(wǎng)絡(luò)、GPRS通信和藍(lán)牙通信等，但該系統(tǒng)主要選用GPRS通信。

WiFi通信網(wǎng)絡(luò)所利用的是網(wǎng)絡(luò)資源，它的優(yōu)勢(shì)是可以使通信的距離延長(zhǎng)，覆蓋面積更廣，使用成本低下，并且其兼容性強(qiáng)，傳輸速度快，此技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多領(lǐng)域被廣泛利用。

GPRS通信技術(shù)，它的工作模式是分組數(shù)據(jù)的承載，它具有的優(yōu)勢(shì)是實(shí)時(shí)在線，高速傳輸， 快速登錄等等，它主要被廣泛應(yīng)用于手持式的設(shè)備之中，也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中。此技術(shù)沒有距離的要求，但需要支付通信的費(fèi)用。

藍(lán)牙通信技術(shù)是短距離無(wú)線通信的一種，擁有藍(lán)牙功能的設(shè)備之間都可以利用藍(lán)牙連接，傳輸速度也比較快，并且能夠抗外界干擾，所利用的頻譜在各個(gè)國(guó)家都不會(huì)被限制。

2.4 人機(jī)交互

人機(jī)互動(dòng)實(shí)際上就是人與機(jī)器或者人與計(jì)算機(jī)的交互。監(jiān)測(cè)中心把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并處理，控制平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后，用戶根據(jù)所獲得的土壤濕度信息數(shù)據(jù)來(lái)決策是否發(fā)送開啟灌溉設(shè)備的命令。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集端采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)控制端存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，倘若人們想了解農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤濕度參數(shù)，就可在在數(shù)據(jù)庫(kù)中提取。為使人們更加直觀地完成操作管理，可簡(jiǎn)化讀取數(shù)據(jù)，在控制端上設(shè)計(jì)可顯示界面的編程。通過(guò)這樣的人機(jī)交互方式可更加精準(zhǔn)地灌溉農(nóng)作物。

2.5 系統(tǒng)主要功能特點(diǎn)

(1)灌溉可分為傳統(tǒng)灌溉和節(jié)水灌溉。傳統(tǒng)灌溉是指灌溉水從地的表面進(jìn)入田間、直接侵入土壤的方法，主要有淹灌和漫灌。節(jié)水灌溉措施包括節(jié)水型地面灌溉、低壓管道輸水灌溉、噴灌、滴灌等。與傳統(tǒng)的灌溉相比，節(jié)水灌溉不僅能夠節(jié)約水資源、人力資源，還能減少能量的消耗，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的途徑，而此系統(tǒng)將節(jié)水型地面灌溉與4G、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)。

(2)系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行良好的管理，這一管理主要是針對(duì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息而言的。同時(shí)系統(tǒng)能夠有效搜集土壤的情況，并智能化地定制相應(yīng)的灌溉方案，對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行智能化的控制。

(3)具有實(shí)用性、廣義性、經(jīng)濟(jì)性、理論性。采用4G技術(shù)進(jìn)行控制并采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可在手機(jī)上操作系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)在線，高速傳輸，快速登錄等功能，更加貼近生活，節(jié)約時(shí)間及成本。

3 結(jié)語(yǔ)

在水資源日益匱乏的難題下，根據(jù)農(nóng)作物需水量實(shí)施節(jié)水灌溉是亟需解決的難題?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉設(shè)備是根據(jù)農(nóng)作物的需水量進(jìn)行科學(xué)灌溉，具有運(yùn)行可靠、設(shè)計(jì)合理、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)灌溉中水資源浪費(fèi)、穩(wěn)定性差的問題，使得農(nóng)業(yè)水資源得到充分利用，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境，有效利用農(nóng)村能源和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的在農(nóng)業(yè)灌溉方面有很高的實(shí)用價(jià)值。