計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用

安秀芝

（唐山學(xué)院，河北唐山 063000）

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)迫使各行各業(yè)進(jìn)行信息化革命，提高行業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。我國(guó)自古以來(lái)就是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，始終把農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展作為核心支柱問(wèn)題。計(jì)算機(jī)技術(shù)作為先進(jìn)的技術(shù)，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整個(gè)流程中，可以大大解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的勞動(dòng)力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，增加產(chǎn)量。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式中，大多地區(qū)依然延用大水漫灌的方式，這種方式極大地浪費(fèi)了水資源。如今，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉中正處于一個(gè)起步階段，主要是將農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和相對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)進(jìn)行結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。但這種方式效率并不高，農(nóng)民自身所具有的計(jì)算機(jī)知識(shí)幾乎為零，更加不會(huì)使用計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備。此外，相對(duì)于傳感器等設(shè)備本身相對(duì)落后，對(duì)于數(shù)據(jù)的收集并不及時(shí)和準(zhǔn)確，因此大多數(shù)都是人工自己進(jìn)行收集和記錄，浪費(fèi)了大量人力和物力。智能化的農(nóng)業(yè)灌溉作為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)之一，受到了各國(guó)政府的重點(diǎn)關(guān)注與扶持。智能化的農(nóng)業(yè)灌溉不僅符合低碳經(jīng)濟(jì)要求，而且促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

1.1 全球定位系統(tǒng)技術(shù)

在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中，地理信息非常重要。不同地區(qū)具有不同的農(nóng)作物，不同農(nóng)作物對(duì)水分的需求量也大不相同。因此，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物區(qū)域位置的定位，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉具有重要意義［1］。雖然GPS 接收器具有多種多樣的種類，但大體結(jié)構(gòu)相一致，如圖1 所示，GPS接收器主要包含天線單元部分和接收單元部分。GPS 接收器可以通過(guò)與衛(wèi)星通信獲得其地理位置，然后傳輸該位置的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的位置信息傳輸。通過(guò)獲得的位置信息可以及時(shí)了解到該農(nóng)作物所處地區(qū)的實(shí)際灌溉情況，從而確定出相應(yīng)的灌溉用水量，有效減少水資源的浪費(fèi)。

圖1 傳感器的構(gòu)造

地理信息不僅包括位置信息還包括與地理環(huán)境有關(guān)的天氣、溫度、降水和土壤等信息。利用各種傳感器可以收集許多與農(nóng)作物生長(zhǎng)有關(guān)的信息數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)這些收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而制定相應(yīng)的灌溉方案和病蟲害防治策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)周期的全監(jiān)控。除此之外，還可以利用一些計(jì)算機(jī)軟件制作出不同的農(nóng)作物灌溉需水量的可視化圖，通過(guò)該可視化圖可以實(shí)現(xiàn)不同農(nóng)作物的分區(qū)灌溉。

1.2 視覺識(shí)別技術(shù)

農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況與灌溉量息息相關(guān)，農(nóng)作物所處的生長(zhǎng)期不同，則本身所需的水量也各不相同。如果可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)階段進(jìn)行監(jiān)控，為其提供合適的灌溉量，那么農(nóng)作物就可以健康生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)豐收?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的視覺技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)該功能，計(jì)算機(jī)視覺可以借助識(shí)別技術(shù)識(shí)別農(nóng)作物的種類，識(shí)別技術(shù)也可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到農(nóng)作物本身所具有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的終端，通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算得到該區(qū)域所需要的灌溉用水量，然后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)灌溉。在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到病蟲害以及雜草的危害，這些問(wèn)題都可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的視覺技術(shù)進(jìn)行解決。通過(guò)視覺技術(shù)不僅可以識(shí)別出原本屬于該區(qū)域的農(nóng)作物，還可以識(shí)別出其他的非農(nóng)作物，并對(duì)其所在的位置信息進(jìn)行標(biāo)記，提醒農(nóng)戶進(jìn)行精準(zhǔn)的除草工作，或者運(yùn)用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化除草等。對(duì)于病蟲害的監(jiān)控，識(shí)別技術(shù)可以識(shí)別出該農(nóng)作物本身是否處于監(jiān)控狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)控可能存在的害蟲等，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，借助計(jì)算機(jī)分析出合理的對(duì)策［2］。

1.3 系統(tǒng)自動(dòng)化管控

經(jīng)過(guò)地理信息和生長(zhǎng)信息的收集后，已經(jīng)獲取了大量有效的信息數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)定中，需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心庫(kù)，主要用來(lái)存儲(chǔ)傳輸過(guò)來(lái)的大量有效信息數(shù)據(jù)，方便之后數(shù)據(jù)的管理和查詢等操作。值得注意的是，對(duì)于水資源在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用分析，需要較長(zhǎng)時(shí)間跨度的農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)，這樣才能確保分析后得到的數(shù)據(jù)范圍是準(zhǔn)確的、可靠的。系統(tǒng)利用人工智能等技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，會(huì)得到一定范圍的指標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)玫降闹笜?biāo)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一系列操作，如控制硬件設(shè)備進(jìn)行灌溉、警示監(jiān)控人員等［3］。除了系統(tǒng)自動(dòng)化管控外，監(jiān)控人員還可以通過(guò)人工操作的方法進(jìn)行一系列操作。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的模塊、數(shù)據(jù)分析的模塊、自動(dòng)化控制的模塊以及人工操作的模塊4 個(gè)部分。通過(guò)該系統(tǒng)可以改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)漫灌的灌溉方式，實(shí)現(xiàn)水資源的有效節(jié)約，節(jié)約人力物力的耗費(fèi)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展空間非常廣闊。

2 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)可以做到不依靠人工操作進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，系統(tǒng)通過(guò)傳感器和視覺技術(shù)能夠及時(shí)地檢測(cè)到當(dāng)前土地狀況，從而判斷何時(shí)進(jìn)行灌溉及停止灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能化的農(nóng)業(yè)灌溉。農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)需要多種計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用，這些技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用顯著提高了我國(guó)農(nóng)業(yè)的技術(shù)含量。

2.1 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)要遵守以下幾點(diǎn)要求

1）系統(tǒng)要由多個(gè)模塊組成，進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)，在該標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的維護(hù)性和擴(kuò)展性。2）系統(tǒng)所需的計(jì)算機(jī)配置要求要盡可能的低，不需要昂貴的硬件設(shè)備。軟件的每次升級(jí)都不需要更換硬件，降低系統(tǒng)的成本［4］。3）系統(tǒng)要設(shè)計(jì)人性化的交互界面。管理人員在使用系統(tǒng)時(shí)，操作簡(jiǎn)單，減少工作強(qiáng)度。4）系統(tǒng)要適應(yīng)復(fù)雜惡劣的野外環(huán)境。農(nóng)田這種野外環(huán)境下經(jīng)常存在惡劣的環(huán)境，電磁干擾強(qiáng)度大，系統(tǒng)要保證在這種環(huán)境下能夠正常運(yùn)行。

2.2 農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)具有的功能

1）數(shù)據(jù)收集功能。該系統(tǒng)能夠接收各種傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信息，如濕度傳感器等。系統(tǒng)通過(guò)這些傳感器可以收集到各種各樣的土壤信息，從而判定當(dāng)前是否需要進(jìn)行對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉。

2）控制功能。該系統(tǒng)具有各種各樣的控制功能，如定時(shí)控制和循環(huán)控制等。管理人員通過(guò)設(shè)置不同的控制功能，使得系統(tǒng)可以靈活運(yùn)行，甚至可以在無(wú)人值守時(shí)智能進(jìn)行灌溉操作。

3）惡劣天氣自動(dòng)停止功能。由于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的硬件設(shè)施大多都放置在農(nóng)田野外的環(huán)境下。在該環(huán)境下，經(jīng)常遭遇暴雨、大風(fēng)等惡劣天氣，因此當(dāng)傳感器傳輸?shù)哪稠?xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，要及時(shí)自動(dòng)停止系統(tǒng)，防止惡劣天氣下運(yùn)行產(chǎn)生故障。

4）節(jié)能功能。農(nóng)田中設(shè)備的運(yùn)行需要電源為其提供動(dòng)力。但是，野外電源十分寶貴，農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)要做到對(duì)電源的準(zhǔn)確控制。在需要進(jìn)行灌溉時(shí)，要定時(shí)開啟電源，使農(nóng)業(yè)灌溉正常運(yùn)行；在不需要進(jìn)行灌溉時(shí)，要關(guān)閉電源，節(jié)約用電。

5）故障檢測(cè)功能。農(nóng)田野外環(huán)境下，會(huì)存在各種各樣的意外發(fā)生，如灌溉管的破裂和傳感器故障等，因此農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)有對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)的功能。當(dāng)檢測(cè)到故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)響起報(bào)警聲警示后臺(tái)管理人員，同時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)生故障的設(shè)備，當(dāng)后臺(tái)管理人員進(jìn)行仔細(xì)檢查后按下關(guān)閉按鈕，才會(huì)消除報(bào)警聲。

2.3 系統(tǒng)控制的灌溉方式

1）噴灌。與傳統(tǒng)漫灌方式相比，噴灌可以大幅度節(jié)約用水。噴管主要被用于緊密種植的區(qū)域化的農(nóng)作物。這種灌溉方式可以有效提高耕地利用效率。與此同時(shí)，噴灌也存在一些缺點(diǎn)，例如，其能耗很大且需要充足的供水量，對(duì)于風(fēng)速也有很高的要求。

2）微灌。微灌方式是目前最先進(jìn)的一種灌溉技術(shù)，其可以精確化對(duì)農(nóng)作物需水位置提供水分。微灌具有明顯的優(yōu)勢(shì)，例如，其可以適用于每一種農(nóng)作物和每一種地形環(huán)境，可以真正實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水的目標(biāo)，且灌溉均勻。值得注意的是，微灌的灌溉方式對(duì)于設(shè)備要求較高，因此設(shè)備維護(hù)費(fèi)用非常大。

農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)不同的農(nóng)作物和不同的地理環(huán)境有針對(duì)性地選擇最好的一種灌溉方式，實(shí)現(xiàn)真正的智能化灌溉，降低灌溉成本。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)和水資源的矛盾越來(lái)越明顯，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中是解決這一矛盾的有效辦法。鑒于此，主要研究了計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉甚至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個(gè)領(lǐng)域中的意義，簡(jiǎn)單闡述了農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用，然后介紹了農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)功能以及灌溉方式。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉的現(xiàn)代化水平仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，但只要堅(jiān)持農(nóng)業(yè)發(fā)展，主動(dòng)追求技術(shù)的更新與迭代，就一定能完成中國(guó)式的彎道超車。