智慧農(nóng)業(yè)下的灌溉無線通信技術(shù)應(yīng)用

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摘要：我國水資源日益緊張，在保收增收的前提下實現(xiàn)科學(xué)灌溉、合理利用水資源成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。文章通過對比國內(nèi)外關(guān)于無線通信技術(shù)灌溉研究的現(xiàn)狀，對我國關(guān)于普及智慧農(nóng)業(yè)的背景、政策依據(jù)進行簡單列舉，對無線通信技術(shù)在灌溉中的實踐應(yīng)用進行探究，分析當(dāng)前無線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的實踐應(yīng)用內(nèi)容和系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；無線通信技術(shù)；智能灌溉技術(shù)

當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正處在轉(zhuǎn)型的重要階段，灌溉技術(shù)對農(nóng)田生產(chǎn)質(zhì)量有重要的影響。目前我國農(nóng)田灌溉與科技的融合度較低，灌溉技術(shù)陳舊、灌溉效率低是我國智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的主要問題。因此，在智慧農(nóng)業(yè)視角下，研究無線通信技術(shù)在灌溉中的實踐應(yīng)用有重要的現(xiàn)實意義。

1國內(nèi)外關(guān)于無線通信技術(shù)灌溉的研究

1.1國外關(guān)于無線通信技術(shù)灌溉的研究

國外關(guān)于無線通信技術(shù)灌溉的研究做得較為出色的是美國、以色列，農(nóng)業(yè)灌溉在無線通信技術(shù)的幫助下已逐漸實現(xiàn)智能化，降低了人們在灌溉中的勞動成本、時間成本。在農(nóng)業(yè)灌溉智能化較為先進的國家中，相關(guān)技術(shù)灌溉功能十分豐富，美國的雨鳥（RainBird）公司已經(jīng)針對農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)發(fā)明了130多項聯(lián)邦專利，生產(chǎn)了4000多種噴灌和微灌設(shè)備，根據(jù)具體的應(yīng)用出品了IQ-Cloud智能管理軟件，便于用戶在不同平臺、設(shè)備和地點對智能灌溉系統(tǒng)進行實時管理。以色列作為中東地區(qū)的國家，土壤沙化的問題較為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)側(cè)重于開源節(jié)流，一些農(nóng)業(yè)技術(shù)設(shè)備公司的產(chǎn)品研發(fā)，均十分重視灌溉產(chǎn)品中節(jié)水功能的開發(fā)與其他設(shè)備功能的兼容性，在灌溉技術(shù)上實現(xiàn)全程自動化的智能灌溉系統(tǒng)[1]。

1.2國內(nèi)關(guān)于無線通信技術(shù)灌溉的研究

20世紀(jì)50年代，我國從國外引進了節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備，這些技術(shù)和設(shè)備在20世紀(jì)90年代得到了廣泛的應(yīng)用。與國外相比，我國的自動灌溉控制系統(tǒng)智能化水平較低，我國未生產(chǎn)可實現(xiàn)智能化的無線通信灌溉的產(chǎn)品。目前我國無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的研究取得了一定成果，如無錫市將智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)應(yīng)用在水蜜桃郵寄基地，在桃林中安置傳感器和微型氣象站，實時采集水蜜桃生長環(huán)境的溫度、濕度、光照強度等信息。我國農(nóng)業(yè)用水的有效利用率遠低于歐洲等發(fā)達國家水平，且我國無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用，存在智能化較弱、系統(tǒng)性較差、不及時等缺陷?，F(xiàn)階段，灌溉產(chǎn)品在我國已得到了更廣泛的應(yīng)用，但設(shè)備儀器間的對接未脫離人工的監(jiān)測和操作，設(shè)備的功能仍不夠精密、便捷。

2智慧農(nóng)業(yè)的研究背景和依據(jù)

在當(dāng)前水資源需求日益增加的背景下，水資源的缺乏會制約我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的步伐。國家發(fā)改委、科技部、建設(shè)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、水利部聯(lián)合《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》明確指出：發(fā)展高效節(jié)水型農(nóng)業(yè)是國家的基本戰(zhàn)略，改進田間灌水技術(shù)是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重點；鼓勵應(yīng)用精準(zhǔn)控制灌溉技術(shù)；提倡適時、適量灌溉；加強農(nóng)作物水分生理特性和需水規(guī)律研究；積極研究作物生長與土壤水分、土壤養(yǎng)分、空氣濕度、大氣溫度等環(huán)境因素的關(guān)系。水利部于2018年《關(guān)于深化農(nóng)田水利改革的通知》，其中明確提到應(yīng)采取科學(xué)的方式節(jié)約用水及進行合理灌溉，實施水權(quán)改革和水權(quán)交易，開發(fā)地下水資源，為我國農(nóng)業(yè)水資源的管理、科學(xué)節(jié)水灌溉提供支持和依據(jù)[2]。

3無線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的實踐應(yīng)用

3.1實踐應(yīng)用目的

通過無線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的不斷深入和精進，可以幫助農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)約用水，緩解水資源緊張、農(nóng)田灌溉浪費的現(xiàn)象；幫助農(nóng)戶提高農(nóng)田信息數(shù)據(jù)實時準(zhǔn)確收集功能、農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量、農(nóng)民智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)操作常識；加強農(nóng)田作物的灌溉效率，降低無線通信灌溉技術(shù)的使用和維修成本，使每一個農(nóng)戶均愿意且有能力使用無線通信灌溉技術(shù)，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的美好愿景。

3.2實踐應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

嚴(yán)格執(zhí)行《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備電動或電控灌溉機械的電氣設(shè)備和布線》（GB/T18025—2000）、《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備、滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗方法》（GB/T17187—1997）和《塑料節(jié)水灌溉器材內(nèi)鑲式滴灌管、帶》（GB/T19812.3—2008）等國家標(biāo)準(zhǔn)，依照《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備、滴頭技術(shù)規(guī)范和試驗方法》（GB/T17187—1997）和《塑料節(jié)水灌溉器材內(nèi)鑲式滴灌管、帶》（GB/T19812.3—2008）選擇管路、滴頭。（1）土壤濕度傳感器。測量范圍：0~100%；測量精度：±2%；動態(tài)響應(yīng)：<2s；工作電壓：DC5V；工作電流：<1mA；工作溫度范圍：-35~75℃，密封材料完全防水。（2）溫度傳感器。溫度范圍：-35~75℃；精度：±3℃；分辨率：0.5dpi；電源電壓：DC5V；電流：250μA（連續(xù)轉(zhuǎn)換模式）、0.1μA（關(guān)斷模式）（3）光照傳感器。光照范圍：1~200klx；測量精度：±5%；光譜范圍：400~1100nm（敏感區(qū)域集中在植物生長所需自然光譜內(nèi)反應(yīng)）；時間：小于2s；轉(zhuǎn)換公式：光照=（V/0.01）klx；光照=[(1-4)×200/16]klux；工作電壓：DC5V；靜態(tài)功耗：1mA；工作溫度范圍：-35~75℃；輸出負(fù)載：100Ω。

3.3實踐應(yīng)用問題

無線通信技術(shù)灌溉設(shè)備的使用需要資金與專業(yè)技術(shù)型人才的支持，普通的農(nóng)戶沒有足夠的資金支持，對灌溉設(shè)備系統(tǒng)功能沒有詳盡了解。無線灌溉技術(shù)設(shè)備機能易產(chǎn)生過度損耗，在使用過程中若出現(xiàn)故障，更換新設(shè)備或維修原有設(shè)備的故障均需要耗費一定成本，且對農(nóng)業(yè)耕作造成一定影響。因此，在實際操作過程中，需要對土壤、空氣、水質(zhì)進行檢測匯總[3]。

4無線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)灌溉中的系統(tǒng)設(shè)計

4.1調(diào)整無線灌溉系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)

針對我國水資源在農(nóng)業(yè)灌溉中無法合理利用的問題，應(yīng)及時調(diào)整無線灌溉系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)，適應(yīng)當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展向智能化轉(zhuǎn)換的趨勢，一臺能夠適應(yīng)實際生產(chǎn)操作的智能設(shè)備應(yīng)同時符合用戶、農(nóng)田和內(nèi)部數(shù)據(jù)計算的要求。首先，應(yīng)充分更新用戶操作界面中的功能，豐富實際操作中需要使用的檢測、數(shù)據(jù)傳輸、傳感、控制等功能，促使無線灌溉設(shè)備的用戶操作更加流暢、便捷。其次，應(yīng)加強無線灌溉系統(tǒng)的通信功能測試，避免使環(huán)境的距離、信號、溫度、濕度、噪聲、氣壓對檢測設(shè)備造成影響，干擾檢測結(jié)果。最后，應(yīng)對設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)的后臺運算功能進行優(yōu)化，根據(jù)操作進行近期的系統(tǒng)優(yōu)化，加強前段操作對農(nóng)田監(jiān)測的控制能力，節(jié)約人力成本，實現(xiàn)農(nóng)田質(zhì)量可視化的智慧型農(nóng)田灌溉[4]。

4.2無限灌溉系統(tǒng)設(shè)計

LoRa技術(shù)的土壤墑情實時監(jiān)測控制系統(tǒng)是具有推廣前景的一項無線通信技術(shù)，根據(jù)實際應(yīng)用的需求，可以通過節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植場地的環(huán)境參數(shù)的實時采集、智能預(yù)警，掌握農(nóng)作物生長環(huán)境狀態(tài)，與自動灌溉系統(tǒng)協(xié)作，調(diào)節(jié)適合農(nóng)作物生長的最佳土壤環(huán)境。LoRa最高的接收靈敏度改善了20dBm以上，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，降低了功耗；使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)，保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，增加了通信距離，提高網(wǎng)絡(luò)效率，消除干擾。研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)（Concentrator/Gate-way）可并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，擴展系統(tǒng)容量，具有低成本、高效率的優(yōu)勢，能夠促使轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和調(diào)試更為便捷。LoRa無線通信灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.3研究目標(biāo)

（1）監(jiān)測農(nóng)作物土壤環(huán)境，有效提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率達到90%以上，在緩解干旱缺水問題的基礎(chǔ)上有效減少水資源的消耗。（2）充分優(yōu)化決策體系結(jié)構(gòu)，通過對節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù)進行分析，得出監(jiān)測結(jié)論，通過控制系統(tǒng)應(yīng)用于操作，提供決策流程可視化，使用戶更全面了解灌溉決策的具體情況，實現(xiàn)農(nóng)田作物精準(zhǔn)灌溉，提高農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量20%左右。（3）分析田間種植環(huán)境對無線信道傳播特性的影響，為LoRaWAN組網(wǎng)模型在不同應(yīng)用環(huán)境中節(jié)點的部署方法提供依據(jù)，實現(xiàn)土壤墑情實時監(jiān)測，適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。（5）設(shè)計多種傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可根據(jù)作物生長特點、耕作環(huán)境條件的具體情況對農(nóng)田狀態(tài)進行分析，基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的特點，對各節(jié)點傳感器進行調(diào)試，在操作前段記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，改進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最終得到完整的LoRa網(wǎng)組模型技術(shù)方案。

5無線灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望

雖然我國農(nóng)田糧食生產(chǎn)量已能夠滿足我國人民的需求，但是作為決定農(nóng)田產(chǎn)量的眾多因素之一，我國農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)仍處在起步階段。我國的用水效率遠低于發(fā)達國家，我國水資源占全球水資源總量的6%，農(nóng)業(yè)的用水需求不可忽視，因此，應(yīng)提升我國智慧農(nóng)業(yè)中灌溉技術(shù)的智能化應(yīng)用。當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)自動化、信息化、產(chǎn)業(yè)化的步伐逐步加快，計算機技術(shù)、電子通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等為智慧農(nóng)業(yè)提供有效支撐，可降低我國農(nóng)田灌溉的成本，科學(xué)提高農(nóng)田產(chǎn)量，解放農(nóng)村勞動力，實現(xiàn)智慧生產(chǎn)、智能銷售，將農(nóng)業(yè)與我國當(dāng)前的市場經(jīng)濟有效結(jié)合。

6結(jié)語

由于農(nóng)業(yè)操作的特殊性和設(shè)備調(diào)試的復(fù)雜性，我國無線通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用有所局限，因此，應(yīng)實現(xiàn)無線通信技術(shù)在灌溉中的智能化應(yīng)用，研究團隊?wèi)?yīng)結(jié)合灌溉的具體效率，對設(shè)備的功能進行反復(fù)試驗和測試，綜合農(nóng)業(yè)灌溉多元需求，使設(shè)備具備自行運轉(zhuǎn)能力，完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧型功能，推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧型建設(shè)。

參考文獻

[1]李博文.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉控制管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].鄭州：戰(zhàn)略支持部隊信息工程大學(xué)，2019.

[2]陳曉棟.基于物聯(lián)網(wǎng)的谷子大田苗青檢測與管理技術(shù)研究[D].晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[3]肖增瑞.智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2016.

[4]周渝.農(nóng)業(yè)多機器人系統(tǒng)無線通信技術(shù)研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

作者：李靜 單位：河南工學(xué)院電子信息工程學(xué)院