農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)智慧灌溉的應(yīng)用

徐學(xué)貴

高臺縣水務(wù)局，甘肅高臺 734300

在農(nóng)業(yè)灌溉工程中，如何實現(xiàn)節(jié)水是首要內(nèi)容。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種信息技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，智慧灌溉也應(yīng)運而生。

1 智慧灌溉內(nèi)涵

智慧灌溉指的是通過工程節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水、行政管理節(jié)水等方式，有效節(jié)約水資源，提高水資源的利用率，助力農(nóng)業(yè)發(fā)展。智慧灌溉的核心在于節(jié)水，防止水資源浪費。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到灌溉作業(yè)中，可實現(xiàn)全程自動化、智能化操作。智慧農(nóng)業(yè)灌溉物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成部分主要有總控制室、集中控制室、水泵、電氣控制系統(tǒng)等，組成了完善的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在質(zhì)量及安全管理、信息感知技術(shù)及工作流程控制方面都有非常明顯的優(yōu)勢，即信息傳輸速度快，工作效果佳，質(zhì)量高。智慧灌溉技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）智慧灌溉的運行流程包含信息收集處理、信息整合應(yīng)用、現(xiàn)場指導(dǎo)管理、信息反饋等。在信息收集整理中，通過現(xiàn)場安裝的各種傳感器直接獲取溫度、光照強度、土壤濕度等數(shù)據(jù)信息，了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體環(huán)境，并合理調(diào)節(jié)灌溉流量和方式。

（2）信息整合利用中，結(jié)合收集到的信息，通過使用先進(jìn)技術(shù)與設(shè)施，進(jìn)行智能化分析，促進(jìn)資源和信息整合利用水平提升。在現(xiàn)場指導(dǎo)中，根據(jù)整合獲取的信息，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，調(diào)整灌溉方式與灌溉水量，發(fā)揮出智能系統(tǒng)的優(yōu)勢，并且隨時根據(jù)需要更正相關(guān)的灌溉數(shù)據(jù)，促進(jìn)灌溉質(zhì)量的提高。

（3）發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，工作人員根據(jù)需要制定合理的灌溉方法，比如用水計劃等，才能提高灌溉的效率。在這種情況下，農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水效果得到增強，發(fā)揮出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，還能優(yōu)化灌溉方案，提高灌溉節(jié)水的總體水平，促進(jìn)工作質(zhì)量的提高，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供幫助[1-2]。

2 水資源與灌溉作業(yè)現(xiàn)狀

地球上的淡水資源含量是很少的，占總的水資源的2.5%左右。受很多因素的影響，如自然條件、技術(shù)等，人類對海水、深層地下水、冰雪固態(tài)淡水等的利用還不夠，對于容易開發(fā)和利用的湖泊、河流、淺層地下水等地表水資源，其總量只占淡水資源總量的0.34%，當(dāng)前水資源還不足以滿足人類生產(chǎn)、生活需求，水資源匱乏，淡水資源不充足。

農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開水資源的利用。以往建設(shè)的很多農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)較低，后期又沒有投入足夠的資金、人力進(jìn)行更新與維護(hù)，造成很多農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備老化問題比較嚴(yán)重，加上管理比較粗放，導(dǎo)致運輸、灌溉等環(huán)節(jié)水資源浪費比較嚴(yán)重。經(jīng)過深入調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)應(yīng)用的田間灌溉措施、技術(shù)水平較低，灌溉水的利用率僅在40%左右，水資源浪費嚴(yán)重。因此，農(nóng)業(yè)相關(guān)部門必須采取相關(guān)措施，改進(jìn)灌溉方式，提高水資源的利用率，實現(xiàn)高效能節(jié)水。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 在質(zhì)量安全追溯中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也能應(yīng)用到食品安全追溯領(lǐng)域內(nèi)，可以提高追溯的效率和質(zhì)量，使數(shù)據(jù)信息更加的準(zhǔn)確。通過建設(shè)食品安全追溯系統(tǒng)，收集信息、傳輸信息、查詢信息是基本功能。在該工作，利用物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)高效的工作體系，應(yīng)用范圍比較大。在信息收集中，工作人員根據(jù)需要進(jìn)行生產(chǎn)基地的編碼，同時還要設(shè)置電子標(biāo)簽與條碼。因此，對于施肥、除草、澆水等環(huán)節(jié)要加強控制，記錄全部的信息。在食品生產(chǎn)中，都會使用電子標(biāo)簽與編碼記錄相關(guān)的信息。通過操作終端進(jìn)行管理，實現(xiàn)信息快速收集使用，提高數(shù)據(jù)精度，還能節(jié)約人力與物力。在整個過程中，利用RFID技術(shù)，完成信息導(dǎo)入和使用，并把獲取的信息存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，構(gòu)建完善的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。在產(chǎn)品銷售階段，各個商家通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)查詢產(chǎn)品的追溯碼，獲取產(chǎn)品信息，了解生產(chǎn)、加工各個環(huán)節(jié)。而對于消費者來說，通過物聯(lián)網(wǎng)也能檢索獲取相應(yīng)的信息。在這種情況下，可以將農(nóng)業(yè)準(zhǔn)確追溯產(chǎn)品，監(jiān)督產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用模式

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的合理應(yīng)用，其使用的模式具體包含下述幾個方面：

3.2.1 信息感知與識別技術(shù)應(yīng)用 在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)信息感知與識別技術(shù)的應(yīng)用，其發(fā)展前景是非常廣闊的。從農(nóng)業(yè)生長、資源環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧養(yǎng)殖等工作出發(fā)，組織工作人員了解現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，并充分利用反饋手段，了解技術(shù)手段和措施，才能做出改進(jìn)和調(diào)整，提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用效果。

3.2.2 信息傳輸與自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用 對于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，通過使用物聯(lián)網(wǎng)傳輸與自組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以提高管理水平。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實踐中，利用自組系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全面的建設(shè)與管理，并落實各項數(shù)據(jù)分析與積累，從而防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者損壞的問題。也就是說，在空氣界面、土壤層次等多方面，工作人員掌握了電磁波的傳輸特性，并提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平，積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)管理軟件，并具備可操作性、可擴(kuò)展性。在這個過程中，針對不同環(huán)境之下傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，工作人員要及時掌握最佳的節(jié)點，才能形成完善的管理系統(tǒng)。在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，信息傳輸與自組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，使用前景非常廣泛，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用

4.1 智慧農(nóng)業(yè)中的節(jié)水灌溉工作流程

灌溉設(shè)備與監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用到不同地區(qū)會有很大的差異，所以應(yīng)該建設(shè)完善、有效的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)進(jìn)行管控。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，控制系統(tǒng)發(fā)揮的作用是非常明顯的，其應(yīng)用對象是通過中央控制室與無線通信系統(tǒng)，獲取灌溉信息和數(shù)據(jù)，再通過系統(tǒng)分析與處理收集到的信息，從而制定出相應(yīng)的解決和應(yīng)對措施。再系統(tǒng)地檢查設(shè)備、土地灌溉指定區(qū)域內(nèi)灌溉說明、管道以及控制閥。在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)內(nèi)，通過實現(xiàn)自動化控制，通過使用傳感器收集全部信息，做好現(xiàn)場記錄工作，掌握農(nóng)田水情動態(tài)信息，分析各種圖像與數(shù)據(jù)信息，并通過圖像傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)內(nèi)。如果控制器內(nèi)出現(xiàn)田間供水量滿載或者超出預(yù)定參數(shù)值，中央控制系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，控制閥自動緊急關(guān)閉農(nóng)田內(nèi)水管[3]。

傳感器獲取基本技術(shù)參數(shù)，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)內(nèi)，控制測量質(zhì)量數(shù)據(jù)信息通過控制室傳輸?shù)接嬎銠C(jī)終端，再經(jīng)過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制器。節(jié)水系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)水工程系統(tǒng)，可以及時收集和掌握農(nóng)田的溫度、亮度、光密度、作物生長情況等信息，以節(jié)水系統(tǒng)收集掌握的各種信息，通過非地面通信系統(tǒng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，服務(wù)作業(yè)平臺掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)后給節(jié)水區(qū)域內(nèi)提供必要的指導(dǎo)，讓農(nóng)民掌握安全用水的方法，并且在水處理的環(huán)節(jié)可以自動化分配安全用水與必要的水桶，并通過安全水控制系統(tǒng)可以監(jiān)測用水的具體情況，根據(jù)現(xiàn)場情況改變供水方式，促進(jìn)水質(zhì)提升，也能夠達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。結(jié)合農(nóng)作物的生長以及農(nóng)田運行需要，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動化、智能化的控制，規(guī)避傳統(tǒng)供水系統(tǒng)存在的缺水或者供水量過大等情況。此外，農(nóng)業(yè)管理人員通過智能手機(jī)、農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺獲取信息，并通過終端系統(tǒng)實現(xiàn)供水系統(tǒng)控制。農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺是根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)水服務(wù)平臺建設(shè)的，具備較高的服務(wù)能力和水平，用戶通過網(wǎng)絡(luò)可以瀏覽相應(yīng)的信息，并且能夠充分掌握水情信息，可根據(jù)需要進(jìn)行自動、半自動、立即儲水等。同時，這一平臺進(jìn)行水域現(xiàn)場條件的論證和分析，用戶掌握全面的數(shù)據(jù)信息，提高供水系統(tǒng)管理效果。

4.2 智慧農(nóng)業(yè)中節(jié)水灌溉的物聯(lián)網(wǎng)方案

在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，控制系統(tǒng)主要包含控制室、無線通信網(wǎng)絡(luò)、專用設(shè)備、通信設(shè)備、控制系統(tǒng)、驅(qū)動器等，利用控制系統(tǒng)、發(fā)射器、反射器等系統(tǒng)達(dá)到自動化的控制。農(nóng)業(yè)灌溉的實施環(huán)節(jié)，無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠隨時掌握灌溉系統(tǒng)信息，并可以將相應(yīng)的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作指令自動開啟灌溉水控制閥，給農(nóng)業(yè)灌溉供水，同時還能獲得相應(yīng)的報警信息。在灌溉水達(dá)到預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值后，即可關(guān)閉控制閥。如果農(nóng)業(yè)環(huán)境發(fā)生變化，系統(tǒng)會獲取相應(yīng)的信息，并通過GPRS傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，再傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)控制設(shè)備內(nèi)。具體的傳輸過程如下：遠(yuǎn)程控制室內(nèi)計算機(jī)通過服務(wù)器可以采集到各項數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行分析與計算，在遠(yuǎn)程決策環(huán)節(jié)，將控制信號發(fā)送給發(fā)動機(jī)，以達(dá)到自動化控制的效果。當(dāng)前在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，以Laura+4G網(wǎng)絡(luò)為主，實現(xiàn)信息傳輸和應(yīng)用。但是從實際運行效果分析，很多網(wǎng)絡(luò)運行都受到較大的影響，所以還要繼續(xù)研發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。基于此，很多企業(yè)開始應(yīng)用NBloT物聯(lián)網(wǎng)計劃實現(xiàn)更新和應(yīng)用。這一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用，可以建設(shè)完善的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行成本，促進(jìn)服務(wù)能力和效率的提升。服務(wù)平臺中的各個模塊都是非常重要的，讓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的運行更加的穩(wěn)定、可靠，增強系統(tǒng)運行效果。此外，該模式還能夠簡化農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的維護(hù)和保養(yǎng)提供支持[4]。

4.3 系統(tǒng)功能

4.3.1 系統(tǒng)管理 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能是進(jìn)行內(nèi)部各項數(shù)據(jù)的管理，明確數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)，并落實維護(hù)與管理措施。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、安全性，確保用戶信息不會受到侵害，還要確定人員權(quán)限、信息完整性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合要求，做好規(guī)范化管理，達(dá)到知識管理的效果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，合理管理各項數(shù)據(jù)信息，可以明確具體的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)形式，落實數(shù)據(jù)維護(hù)管理工作。此外，管理系統(tǒng)在運行和維護(hù)中不能存在丟失的情況，保障用戶信息安全。

4.3.2 查詢、信息收集和搜索性能 根據(jù)系統(tǒng)運行要求，選擇多種方式查詢相關(guān)的信息，并通過圖表以及其他的方式表達(dá)最終的結(jié)果。在研究過程中，需要利用點搜索、空間搜索、組合邏輯等方式進(jìn)行運行管理。從系統(tǒng)運行角度出發(fā)，確保數(shù)據(jù)查詢、采集、分析等工作都能順利地完成。信息搜索方式較多，比如點搜索、空間搜索等，其結(jié)果通過圖形來表達(dá)。在這一系統(tǒng)內(nèi)，數(shù)據(jù)采集是在各個位置上完成的，合理進(jìn)行信息分類，可以增強使用效果。中央控制計算機(jī)接收到監(jiān)測計算機(jī)信息后，快速地查找相關(guān)信息。

4.3.3 數(shù)據(jù)收集的自動識別 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)合各個部位的實際情況，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用，并通過精準(zhǔn)的經(jīng)緯度信息，將其傳輸給計算機(jī)，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制。

4.3.4 數(shù)據(jù)分析職能 在系統(tǒng)正常工作中，數(shù)據(jù)與信息的收集、處理分析都是核心工作。在收集環(huán)節(jié)，利用圖形可以反映各個空間中的情況，增強顯示效果。系統(tǒng)內(nèi)分析各項位置信息，才能提高信息準(zhǔn)確性。通過監(jiān)控計算機(jī)掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)與信息后，再利用中央計算機(jī)準(zhǔn)確地確定位置。分析不同地段的特性，通過專題圖打印出最終結(jié)果，給工作開展提供基礎(chǔ)[5]。

5 智慧節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例

某農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地需要進(jìn)行智慧節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)建設(shè)，該基地處于我國南方某地，總面積為6.67 hm2。其中，有3.33 hm2設(shè)置在移動互聯(lián)網(wǎng)終端視頻安全監(jiān)控區(qū)域，計劃建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)灌溉用地1 hm2左右。該地基范圍左右2個種植區(qū)域，左側(cè)長200 m、寬24 m，右側(cè)長200 m、寬26 m。在地塊面積較大的區(qū)域建設(shè)水池，落實渠道改造建設(shè)，滿足灌溉的需要。此外，在本次工程灌溉項目中，應(yīng)用滴灌灌溉的方式，因為地塊水分濕度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值，系統(tǒng)能夠自動加水；如果檢測發(fā)現(xiàn)地塊水分濕度超過規(guī)定參數(shù)值，系統(tǒng)自動停水。在分析和控制中，應(yīng)做好如下工作：

（1）系統(tǒng)監(jiān)測地塊含水量，實現(xiàn)自動化操作，也可以轉(zhuǎn)換為手動控制；

（2）監(jiān)測土壤含水量，掌握現(xiàn)場農(nóng)田狀況；

（3）全天候進(jìn)行基地溫度監(jiān)控，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)信息；

（4）通過手機(jī)等移動設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可以報警；

（5）通過手機(jī)或者移動設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)控制，達(dá)到智能灌溉效果；

（6）落實權(quán)限管理，結(jié)合不同等級設(shè)定相應(yīng)權(quán)限，保障系統(tǒng)安全性。

安裝技術(shù)流程要嚴(yán)格控制，具體來說，智慧節(jié)水灌溉系統(tǒng)流程路線做好下述工作：

（1）現(xiàn)場考察；

（2）實施方案；

（3）現(xiàn)場測量；

（4）施工設(shè)計；

（5）項目實施；

（6）項目驗收。

在具體實施時，應(yīng)注意如下工作：

（1）水池建設(shè)，并且鋪設(shè)管道與電纜；

（2）進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)控制，落實安裝與調(diào)試管理；

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，安裝和調(diào)試報警系統(tǒng)；

（4）整合系統(tǒng)功能，加強系統(tǒng)調(diào)試，各項功能正常；

（5）落實技術(shù)支持以及調(diào)試控制；

（6）完成各項工作進(jìn)行成果匯總；

（7）對項目進(jìn)行全面驗收。

本次智慧灌溉的案例中，節(jié)水性能達(dá)到要求，水資源的利用率得以提高，還能通過手機(jī)、移動設(shè)備等終端掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的狀態(tài)，不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量，還能減少人員的投入，提升基地管理的總體水平，安全性、穩(wěn)定性比較高。通過該系統(tǒng)建設(shè)，可以給其他基地起到示范性作用，符合我國制定的節(jié)能降耗總體目標(biāo)，為可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，智慧農(nóng)業(yè)是發(fā)展的目標(biāo)，對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。物聯(lián)網(wǎng)是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，對于各個行業(yè)產(chǎn)生重要的影響，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域通過物聯(lián)網(wǎng)的加持，提高管理和控制水平，保證先進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)施有效地應(yīng)用到實際中，增強工作效果，提高工作質(zhì)量，對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展具體積極的意義。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理實踐中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以在掌握全部數(shù)據(jù)信息，管理者快速掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具體情況，展開自動化、智能化的管理，落實節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)用，滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。此外，還能加強農(nóng)田土壤的管理，監(jiān)測各項技術(shù)指標(biāo)信息，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者做出改進(jìn)和調(diào)整，以更好地提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生積極的意義。