智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在種植業(yè)的應用及發(fā)展策略

閆芳倫

摘 要：水資源匱乏是世界性問題，而我國大部分地區(qū)均面臨水資源分布不均的情況，農(nóng)業(yè)種植過程中因為農(nóng)田無法得到有效灌溉，或者農(nóng)戶進行農(nóng)業(yè)灌溉時過度依賴過往經(jīng)驗，降低了水資源利用率，造成資源浪費。為了能夠解決此類問題，有效改善水資源利用現(xiàn)狀，避免水資源過度浪費，在農(nóng)業(yè)種植中應用智慧農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)成為當前最有效的方法之一?；诖?，本文將智慧農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)概念以及系統(tǒng)構(gòu)成作為出發(fā)點，分析智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，介紹當前水資源利用現(xiàn)狀及灌溉作業(yè)現(xiàn)狀，探討智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)面臨的問題、技術(shù)應用要點和相關(guān)策略，為改善國內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉模式提供一定參考。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)灌溉；農(nóng)業(yè)種植；技術(shù)應用；發(fā)展策略

我國農(nóng)業(yè)種植過程中，一直都表現(xiàn)出水量不足的問題，而農(nóng)業(yè)灌溉用水大約在每年水消耗總量中的占比超過3/4。相關(guān)調(diào)查報告顯示，2020年國內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉中的水資源利用率不足56%，由此可見，我國農(nóng)業(yè)種植灌溉用水率亟需強化。相對來講，發(fā)達國家水資源在農(nóng)業(yè)種植中的利用率高達70%，主要因為發(fā)達國家對于智能技術(shù)的應用較為廣泛，有效提升了農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率。為了能夠使水資源在我國農(nóng)業(yè)種植中得到充分利用，提高水資源利用的有效性及科學性，本文研究智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)種植中的應用及發(fā)展策略，用以改善我國灌溉用水的利用情況。

1 智慧農(nóng)業(yè)灌溉概述

1.1 智慧灌溉

智慧灌溉通常指的是通過行政管理節(jié)水、工程節(jié)水以及農(nóng)業(yè)節(jié)水等方式避免水資源浪費情況，提升水資源利用率，實現(xiàn)節(jié)約水資源的目的，為農(nóng)業(yè)種植提供重要基礎(chǔ)，在灌溉作業(yè)中，應用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、系統(tǒng)化、自動化操作[1]。智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)、總控制室、水泵以及集中控制室組成，具有較高的穩(wěn)定性及安全性，不但能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，同時在信息感知技術(shù)和作業(yè)流程控制等多個方面均體現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)同時涉及多個層面，諸如應用層、感知層以及網(wǎng)絡(luò)層。感知層作為系統(tǒng)核心，是智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及標準化運行的重要環(huán)節(jié)，應將智慧化灌溉需求作為基礎(chǔ)，由規(guī)模、成本及能源消耗等多個角度進行調(diào)控；網(wǎng)絡(luò)層將移動通訊網(wǎng)絡(luò)植入整個灌溉系統(tǒng)中，系統(tǒng)終端收集信息傳輸設(shè)備獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息并進行有效處理，為系統(tǒng)控制提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；感知層間在接收到系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)信息后，進行科學計算，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳至網(wǎng)絡(luò)層，之后向應用層發(fā)送驅(qū)動指令，促使智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)執(zhí)行解決方案，實現(xiàn)節(jié)水灌溉目標。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)構(gòu)成

2.1.1 多路信號采集與控制技術(shù)

智能監(jiān)控終端可用于傳感器與后臺監(jiān)控系統(tǒng)收集高精度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)隔離轉(zhuǎn)換、信息傳遞等多項任務。在配置相應控制軟件的前提下，可以實現(xiàn)多種傳感器的兼容，諸如電流輸出型或者電壓輸出型等。智能監(jiān)控終端收集及控制多路信號，與現(xiàn)場設(shè)備保持連接，其中包含RS-232 串行通信、信號及電源隔離、RS-485、線性化以及A/D 轉(zhuǎn)換等模塊，采取ASCII 碼字符通信協(xié)議的方式保持通信。在智能監(jiān)控終端內(nèi)，所有用戶設(shè)定的校準值、狀態(tài)、地址、波特率以及數(shù)據(jù)格式等配置信息都儲存在非易失性存儲器EEPROM里。信號輸入/輸出之間隔離?？沙惺?3000VDC隔離電壓，抗干擾能力強，可靠性高。工作溫度范圍在-45 ℃～+80 ℃。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

保證系統(tǒng)安全性及穩(wěn)定性的關(guān)鍵是前置機通信系統(tǒng)，一則用于實現(xiàn)現(xiàn)場智能終端通訊，完成信息收集及指令傳達；再則通過連接后臺監(jiān)控系統(tǒng)，可以用于信息存儲及調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，需要在制定數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議的前提下與智能終端設(shè)備保持連接，同時需要滿足多個通訊設(shè)備與多種通訊方式兼容的需求，并且要求在與后臺監(jiān)控系統(tǒng)保持連接時制定相應的層通信協(xié)議。土壤溫度、空氣濕度、土壤中氮磷鉀元素含量、控制器運行狀態(tài)以及電磁閥使用情況均屬于網(wǎng)絡(luò)通信中的上行數(shù)據(jù)。下行數(shù)據(jù)則指的是監(jiān)控平臺將控制指令發(fā)送至終端控制設(shè)備，諸如下發(fā)終端參數(shù)、電磁閥開關(guān)指令或者查詢終端控制狀態(tài)等。

2.1.3 智能控制技術(shù)

現(xiàn)階段，國內(nèi)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中所應用的智能控制技術(shù)主要包含PLC智能技術(shù)及MCU智能控制技術(shù)，可以實現(xiàn)在分析數(shù)據(jù)信息過程中同步制定灌溉策略，同時可以自動啟動灌溉方案[2]。詳細來講，農(nóng)作物需水量得不到滿足的情況下，傳感器將收集到的相關(guān)信息上傳至系統(tǒng)控制中心，尤其進行數(shù)據(jù)分析，確定是否需要進行灌溉，并在無線通訊技術(shù)支持下下達相關(guān)指令，實現(xiàn)自動灌溉。當系統(tǒng)檢測結(jié)果顯示灌溉水量達到方案標準后，便會自動停止灌溉作業(yè)?，F(xiàn)階段，我國應用智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)過程中，應用最為廣泛的信息處理技術(shù)是模糊控制技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)免疫技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備開關(guān)的關(guān)閉與開啟，提升農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備自動化水平。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

2.2.1智慧灌溉技術(shù)主要包含信息收集處理、信息反饋、數(shù)據(jù)整合及現(xiàn)場指導管理等多個環(huán)節(jié)。收集數(shù)據(jù)信息過程中，借助系統(tǒng)傳感器可以了解環(huán)境溫度、土壤濕度及光照強度等相關(guān)信息，為灌溉流量的調(diào)節(jié)及應用方式提供基礎(chǔ)。

2.2.2信息整合及應用過程中，可以在先進設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的支持下對收集到的數(shù)據(jù)信息進行分析，整體改善信息整合及應用程度，實施現(xiàn)場指導。在信息整合的基礎(chǔ)上考慮作業(yè)現(xiàn)場實際情況，對灌溉水量及方法進行調(diào)整，充分體現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)優(yōu)勢。

2.2.3系統(tǒng)操作人員借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以完成灌溉方法的制定，諸如用水計劃等。在一定程度上提升水資源利用效率，通過這種方式能夠強化農(nóng)業(yè)灌溉過程中水資源節(jié)約的效果，整體提升農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。

3 水資源與灌溉作業(yè)現(xiàn)狀

3.1 水資源現(xiàn)狀

當前階段，全球淡水資源在水資源總量中占比低于2.5%，逐漸面臨枯竭。在多種因素影響作用下，導致人類對冰雪固態(tài)淡水、海水以及深層地下水的利用受到限制，比如相關(guān)技術(shù)及自然條件等因素[3]。能夠開發(fā)利用的地表水資源在全球淡水資源總量中的占比不超過0.35%，其中以淺層地下水、湖泊及河流為主，因此使得人類生產(chǎn)生活過程中對于水資源的需求無法得到滿足，呈現(xiàn)出水資源匱乏、淡水資源不足的狀態(tài)。

3.2 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

3.2.1 農(nóng)戶適應程度探究

國內(nèi)個別地區(qū)經(jīng)濟水平不夠發(fā)達，技術(shù)過于落后，使得農(nóng)戶無法深入了解互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此對于智能設(shè)備的應用存在一定抵觸心理，導致智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)無法在國內(nèi)得到大范圍普及。為了有效解決這種情況，首先應該為當?shù)剞r(nóng)戶傳授信息技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在構(gòu)建智能群眾的前提下實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展目標?；诖耍瑖谊懤m(xù)推出多項支持政策，諸如《關(guān)于開展信息進村入戶試點工作的通知》和《關(guān)于開展農(nóng)民手機應用技能培訓提升信息化能力的通知》，為我國農(nóng)村信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)創(chuàng)造有利條件，同時為智慧農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展夯實基礎(chǔ)。

3.2.2 環(huán)境風險預測探究

物聯(lián)網(wǎng)支持下的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測土壤狀態(tài)，同時可以監(jiān)測作物生長情況，但需要在考慮內(nèi)外環(huán)境因素的前提下，合理控制灌溉水量，科學評估外部環(huán)境中隱藏的風險因素，用以調(diào)整水量大小[4]。另外，應用智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以有效監(jiān)測農(nóng)田土壤情況，觀察堿化程度，為制定農(nóng)田保護措施提供基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的環(huán)境風險預測系統(tǒng)，僅僅能夠監(jiān)測降雨量及風速，而不能有效預測大規(guī)模自然環(huán)境變化或惡劣程度。由于普通智能設(shè)備在技術(shù)層面存在限制，無法有效評估土壤蟲害程度及鎖水能力，需要通過人工復檢，處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息后得到解決。

3.2.3 農(nóng)田監(jiān)測反饋探究

通過應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)各種服務，比如能夠有效檢測農(nóng)田灌溉后的水量，同時可以應用于設(shè)備檢修，在一定程度上確保系統(tǒng)設(shè)備的安全性。當前階段，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的省水灌溉已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)，但因為農(nóng)田并不具備儲水功能，因此無法提升水資源利用率[5]。另外，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)實施農(nóng)業(yè)監(jiān)測過程中受到地域信號影響，頻繁出現(xiàn)信息反饋不及時或數(shù)據(jù)更新速度慢等情況。

4 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)面臨的問題、應用要點和策略

4.1 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)面臨的問題

首先，由農(nóng)戶層面來講，在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)支持下，有助于實現(xiàn)水資源節(jié)約目標，同時可以有效控制人力資源成本及后期系統(tǒng)維護成本[6]。但需要農(nóng)戶在系統(tǒng)建設(shè)初期投入更多資金預算，比如購買硬件設(shè)施及系統(tǒng)軟件，因此增加了農(nóng)戶的經(jīng)濟壓力，導致大部分農(nóng)戶對于智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)建設(shè)產(chǎn)生抵觸心理，這也是智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)建設(shè)過程中面臨的最大問題。

其次，分析當前應用最為廣泛的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)充分考慮農(nóng)業(yè)灌溉過程中對多作物需水量的影響因素，但對于測量因素的分析過于片面，因此導致系統(tǒng)精準性有所欠缺。

再有，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的傳感器屬于核心電子元件，但因為長時間身處于地下土壤中，用于收集土壤濕度的相關(guān)信息，在土壤濕度及其中各種成分的影響作用下，對電子元件性能造成干擾，使得收集到的數(shù)據(jù)信息缺乏準確性，極易發(fā)生數(shù)據(jù)誤差的情況[7]。

最后，因為農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)需要大量運用智能化設(shè)備，對于系統(tǒng)類型精密度具有極高要求，加之系統(tǒng)運行過程中收集的信息較為復雜，所以要求系統(tǒng)設(shè)備保持穩(wěn)定運行，以此提升農(nóng)業(yè)灌溉方案的可靠性及穩(wěn)定性，這就需要系統(tǒng)操作人員具有一定一定的技術(shù)操作能力，從而使得普通農(nóng)戶操作智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)時面臨新的挑戰(zhàn)。

4.2 應用要點

4.2.1 有效利用傳感器技術(shù)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，無論感知層、網(wǎng)絡(luò)層或者應用層以及其他應用模塊，對于數(shù)據(jù)信息均具有一定要求，用以保證系統(tǒng)決策與灌溉需求保持一致[8]。因此，需要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，加大傳感器技術(shù)應用力度，并在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中植入傳感設(shè)備，借助無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至中央處理器，在無線射頻技術(shù)及嵌入技術(shù)支持下，系統(tǒng)自動識別灌溉數(shù)據(jù)信息，促使灌溉系統(tǒng)能夠靈活啟動，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉需求得到滿足。

4.2.2 加大物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)投入力度

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中，不僅需要面臨復雜的種植環(huán)境，并且基于不同種植地區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也存在一定困難，增加了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為依托的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)建設(shè)難度。對于這種情況，地方政府應基于當?shù)貙嵡?，在?chuàng)新爭優(yōu)思想引導下，加大智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)建設(shè)所需的軟/硬件投入力度，構(gòu)建具有當?shù)靥厣闹腔坜r(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展創(chuàng)造條件。

4.3 應用策略

4.3.1 樹立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中合理應用的意識

在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)目標的前提下，為了避免水資源浪費的情況發(fā)生，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)中應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在農(nóng)業(yè)管理戰(zhàn)略中加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用力度，借助實時監(jiān)測信息系統(tǒng)，可以及時了解水肥比、土壤水分及農(nóng)作物生長趨勢等相關(guān)信息[9]。擴大智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)信息收集范圍，通過科學處理灌溉信息，提升系統(tǒng)操作效率，諸如監(jiān)測水體狀態(tài)、灌溉時長、水流量及速度等。同時可以進行有效調(diào)控，提高信息利用率，利用信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享目標。

4.3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)優(yōu)化智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

首先，基礎(chǔ)設(shè)施?？梢越柚l域型傳感器優(yōu)化系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，保證收集到的土壤水分信息更加具有安全性及準確性，同時能夠提升數(shù)據(jù)信息收集速度，借助傳感器設(shè)備自動化及寬量程等優(yōu)勢，最大程度上提升系統(tǒng)運行效率。其次，信息系統(tǒng)。可以通過強化網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的方式，保證應用系統(tǒng)的有效性、科學性及合理性，為信息傳輸過程提供安全保障。將作物生長趨勢、病蟲害情況及當?shù)貧夂蛱卣髯鳛榛A(chǔ)，思考智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的價值，借助先進的系統(tǒng)技術(shù)在保障系統(tǒng)抗干擾性能的前提下提升信息傳輸速度及系統(tǒng)兼容性，從而使得設(shè)備操作指令快速發(fā)送到系統(tǒng)終端[10]。最后，能源系統(tǒng)?？梢栽谥腔坜r(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中加入低能耗通訊模塊，借助風能或太陽能等清潔能源降低系統(tǒng)能源消耗，同時可以應用電壓動態(tài)調(diào)節(jié)或動態(tài)功率管理等相關(guān)技術(shù)，控制能源消耗，推動智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)得到廣泛應用。

5 結(jié)語

我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展目標是智慧農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。作為一種先進的科學技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中具有重要影響。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來講，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持有效提升技術(shù)控制水平及管理能力，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，借助先進的農(nóng)業(yè)設(shè)施提高生產(chǎn)效率及質(zhì)量。有助于實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展目標。農(nóng)業(yè)種植過程中，通過智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，在一定程度上降低農(nóng)業(yè)灌溉人力資源成本，有效控制水資源浪費情況，整體改善農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率，提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供重要基礎(chǔ)。

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