智能灌溉關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景分析

張興超

（昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院，云南昆明 650106）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)水資源的需求不斷增加。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的用水量占我國總用水量的約60%，而我國溝渠與漫灌型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式導(dǎo)致水利用率只有40%左右，這也是造成我國水資源匱乏的一個重要因素[1]。另外，傳統(tǒng)人工灌溉方式主要是農(nóng)民根據(jù)自身長期的農(nóng)作物種植經(jīng)驗(yàn)來決定灌溉時間以及灌溉量；灌溉精度和效率低下，農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)無法達(dá)到較理想的狀態(tài)。因此，改變灌溉方式、加強(qiáng)灌溉設(shè)備改造以提高灌溉用水效率，成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)灌溉過程中節(jié)約用水的主要方向。同時，這一措施也能夠改善農(nóng)作物的生長條件，有利于提高灌溉效率和作物產(chǎn)量。

近年來，國家大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，數(shù)據(jù)傳輸與智能處理、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)感知等新興技術(shù)被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方面。推動我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，不斷朝著高效精細(xì)、綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的方向發(fā)展。這也為我國農(nóng)業(yè)灌溉方式由“傳統(tǒng)灌溉”向“智能灌溉”轉(zhuǎn)變提供了一個契機(jī)。智能灌溉是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感裝置和網(wǎng)絡(luò)連接起來，對農(nóng)田及農(nóng)作物的各種信息進(jìn)行采集、傳輸和處理，并根據(jù)需要遠(yuǎn)程操控設(shè)備實(shí)現(xiàn)一種智能化的精準(zhǔn)灌溉。智能灌溉系統(tǒng)主要利用了網(wǎng)絡(luò)通信、基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號采集與處理等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用有利于提高水資源的利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。鑒于此，結(jié)合智能灌溉系統(tǒng)的功能需求，對其關(guān)鍵技術(shù)開展研究，并分析系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 智能灌溉系統(tǒng)功能需求分析

集數(shù)據(jù)采集與處理、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能灌溉系統(tǒng)，是一種基于移動物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)業(yè)灌溉形式。在設(shè)計(jì)理念、實(shí)際環(huán)境和功能需求等方面都與工業(yè)系統(tǒng)有著較大差異。為了最大限度提高水資源的利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量，智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)滿足以下功能需求和特點(diǎn)[1-2]。

（1）能夠利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)訪問，方便使用維護(hù)、降低農(nóng)業(yè)運(yùn)營成本。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程一般操作現(xiàn)場較為分散且規(guī)模較大，如果將GPRS、3G/4G/5G 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，使系統(tǒng)具有交互功能，既可大大提高系統(tǒng)的便捷性和可操作性，也可節(jié)省人力物力等運(yùn)營成本。

（2）具有較強(qiáng)的續(xù)航能力、高可靠性，且操作簡單。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程一般周期較長，為了保證整個周期內(nèi)都能正常工作，系統(tǒng)應(yīng)具有低功耗、高續(xù)航能力以及良好的可靠性等特點(diǎn)。

（3）能夠適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，適用范圍廣、靈活性強(qiáng)。系統(tǒng)需要通過大量傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，而耕種、灌溉、收割等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及露天的野外環(huán)境都會對傳感器性能造成一定影響。因此，應(yīng)從傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和安裝方式的角度考慮，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。另外，此種新型農(nóng)業(yè)灌溉方式不僅能夠應(yīng)用于大型農(nóng)場、農(nóng)田，也應(yīng)適用于城市綠化等多種場合，具有廣泛的使用范圍。

2 智能灌溉關(guān)鍵技術(shù)

智能灌溉系統(tǒng)主要包括基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號采集與處理、網(wǎng)絡(luò)通信以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。其中，多路信號采集與處理功能主要是利用傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、線性化處理、A/D 轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)通信功能是利用GPRS、3G/4G/5G 等通信技術(shù)完成智能灌溉控制終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間的通信任務(wù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺用于現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲、控制命令的下發(fā)以及系統(tǒng)的綜合管理。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號采集與處理、網(wǎng)絡(luò)通信功能的實(shí)現(xiàn)[3]。

基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號采集與處理功能主要依靠智能灌溉控制終端完成，該終端由傳感器節(jié)點(diǎn)、信號隔離、A/D 轉(zhuǎn)換和線性化處理等模塊組成。可接入電壓輸出型、電流輸出型等多種類型傳感器，其工作溫度為（-45～80）℃，并可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集和處理以及與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺之間的傳輸與監(jiān)控功能。其內(nèi)部存儲器可存儲設(shè)定值、地址、數(shù)據(jù)格式、波特率等用戶配置信息，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的可靠性。

網(wǎng)絡(luò)通信功能包括2 個方面的含義：①智能灌溉控制終端內(nèi)部通信，用于數(shù)據(jù)采集和控制命令下發(fā)；②與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺連接，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲以及參數(shù)取出。兩種通信功能分別需要數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)通信的上行數(shù)據(jù)包括空氣和土壤的溫濕度、土壤養(yǎng)分含量、控制閥與控制終端的工作狀態(tài)等。下行數(shù)據(jù)包括控制指令、控制閥的開關(guān)指令、各終端參數(shù)設(shè)置與狀態(tài)查詢指令等。

3 智能灌溉技術(shù)發(fā)展前景

土壤傳感器和智能灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可以準(zhǔn)確測量和分析農(nóng)田不同區(qū)域含水量，既可實(shí)現(xiàn)一定程度的農(nóng)業(yè)自動化，也可提高農(nóng)作物生產(chǎn)率。基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)，未來將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用，并且有著廣泛的發(fā)展前景[4]。

（1）智能灌溉系統(tǒng)中加入天氣預(yù)報(bào)功能，在旱季和雨季時提前發(fā)出天氣預(yù)警，為下一步農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做好準(zhǔn)備，以減少不利天氣對農(nóng)作物生長造成的影響。

（2）通過移動終端和電腦實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測、水泵和閥門的遠(yuǎn)程監(jiān)控、農(nóng)事服務(wù)信息數(shù)據(jù)的采集和管理。

（3）改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提高勞動生產(chǎn)率，降低農(nóng)業(yè)運(yùn)營成本。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低成本投資和精細(xì)化管理，解決傳統(tǒng)灌溉設(shè)施留存管理難、效益低的問題。

4 結(jié)語

新興技術(shù)的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用，使得智能化灌溉逐漸成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。智能灌溉是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感裝置和網(wǎng)絡(luò)連接起來，對農(nóng)田及農(nóng)作物的各種信息進(jìn)行采集、傳輸和處理，并根據(jù)需要遠(yuǎn)程操控設(shè)備實(shí)現(xiàn)一種智能化的精準(zhǔn)灌溉。結(jié)合智能灌溉系統(tǒng)的功能需求和特點(diǎn)，對其基于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號采集與處理、網(wǎng)絡(luò)通信功能等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。該系統(tǒng)具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景，對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。