物联网技术在现代农业节水灌溉中的应用研究＊

王连胜，夏冬艳，汪 源，丁学用

（1.三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022；2.三亚学院 财经学院，海南 三亚 572022）

1 概述

物联网的概念是在1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术和EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称“物联网”）。2009-08，温家宝总理在政府工作报告中提出“感知中国”，至此，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，而物联网在我国也受到了极大的关注。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网具有广泛的应用前景，在军事国防、城市管理、家庭医疗、电子商务、智能交通和环境监测等领域有很大的优势。目前，物联网技术在农业领域的应用发展很快，已成为加快发展农业现代化的重要途径，是农业工程研究的热点和难点。物联网技术应用于农业工程中的节水灌溉领域可以方便劳作者对农业灌溉的管理，通过物联网技术搭建的信息平台可以与外界进行信息交流，从中获得先进的农业节水灌溉方式，改变传统落后的农业灌溉方式，大大提高农业生产效率。

2 物联网

物联网就是将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，它能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制。物联网要实现物物通信，就必须要对物体上的信息进行准确、实时的监测、采集，并将其传输到终端上。而对于信息的感知，可以采用2种方法：①利用RFID射频技术在感知对象上贴上标签，以对信息进行识别和采集，并将信息传送到RFID系统中的计算机信息管理系统中；②将传感器节点嵌入到需要关注和采集信息的地点或物体中，通过具有传感、信号处理的无线信息采集节点、汇聚节点将数据传到网关，再借助Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信[1-2]。

3 基于物联网的现代农业节水灌溉系统结构体系

3.1 系统网络构架

针对现代农业灌溉环境，基于物联网的现代农业节水灌溉监测体系是一种基于传感器、控制、嵌入式计算机和通信等技术的监测系统。该系统主要分为3个网络层：监测信息采集及控制终端，即网络感知和控制层，监测数据传输层，数据终端处理层。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框架图

3.2 网络感知和控制层

土壤水分是植物水分的直接来源，是农业生产中必不可少的土壤信息之一，植物吸收土壤中的水分、有机质等营养物质来生长。土壤水分含量对植物生长有直接的影响，同时，土壤水分和养分也是植物自然生长条件中可以人为调控的2个重要因素，因此，土壤水分监测在农业节水灌溉决策中具有重要的现实意义。

网络感知和控制层主要是通过数据对土壤水分进行量化。分布在监测控制区内每个角落的传感信息节点定时监测监测区域的土壤水分，并将采集到的信息在节点内进行初步处理后，沿着其他节点逐步传送到汇聚节点，汇聚节点通过无线通信技术将数据传送到网关。网关通过Internet或专用数据传输线将信息传送至监控中心，监控中心对信息进行处理分析，并根据有关决策发出控制命令，以控制相应的灌溉设备开启或关闭[3-4]。监测和控制节点的结构如图2所示。

图2 监测和控制节点结构图

在土壤水分信息感知方面，主要的传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。目前，比较流行的是FDR型。FDR（Frequency Domain Reflectometry）频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中的传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量。FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程和少标定等优点，是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。当前，FDR型土壤湿度传感器主要有NHSF48土壤水分传感器（图3）、NH148土壤温湿盐分一体传感器（图4）、NHSF50土壤水分传感器（图5）、NHCS650 NHCS655土壤水分温度电导率传感器（图6）和Hydra土壤温度水分盐分传感器（图7）等型号。

图3 NHSF48土壤水分传感器

图4 NH148土壤温湿盐分一体传感器

图5 NHSF50土壤水分传感器

图6 NHCS655土壤水分温度电导率传感器

图7 Hydra土壤温度水分盐分传感器

图8 CC2530微处理器模块

在微处理器方面，可以选用CC2530。CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8-KB RAM 和许多其他强大的功能，它具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。而运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案；CC2530F64结合德州仪器的黄金单元RemoTI，提供了一个强大和完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。CC2530微处理器模块如图8所示。在灌溉设备控制方面，可以选用继电器控制灌溉设备的通电和断电，也可以采用电磁阀控制管道水的流通和关闭。

3.3 数据传输层

这层的功能是将汇聚节点传输来的信息，通过无线通信技术传送至网关，并结合合理、有效的路由协议和网络安全协议，将数据安全、可靠地传输到控制中心。

农业物联网信息无线传输与工业差别比较大，农作物生长环境复杂，不仅气候对无线通信有影响，而且随着作物生长状况的不断变化，也容易对无线传输产生严重的影响。农业信息获取在时效性上要求不高，传输过程中的稍许延时对农业生产的影响不大。农业物联网的无线通信技术主要包括ZigBee技术、WiFi网络、GPRS和蓝牙等传输方式[3-10]。

ZigBee技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性、安全性好和实现成本低等特点，在工业控制、家庭自动化和农业自动化等领域被广泛应用。ZigBee技术在短距离、低传输速率的农业物联网手持式仪器、无线传感器网络信息采集节点等信息的传输方面也得到了广泛应用[3-10]。

WiFi无线传输技术充分利用现有的WiFi网络资源，有效地延长了无线网络的通信距离，扩大了覆盖面积，具有成本低、普及性好、兼容性强、传输带宽宽、传输速度快和标准化等优点，使得WiFi无线传输技术在国内外被广泛应用于智能工业、智能家居和精细农业等领域[3-10]。

GPRS是一种分组数据承载业务，它具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输和自如切换等优点，被广泛应用于手持式仪器设备和农业物联网等领域。GPRS无距离限制，但需要通信费用[3-10]。

蓝牙无线传输技术是一种短距离无线通讯技术，带蓝牙功能的设备之间可以通过蓝牙连接起来，传输速度可以达到1 MB/s，而且不容易受到外界干扰源的影响，使用的频谱在各国都不受限制。因此，蓝牙无线传输技术在农业物联网系统中的应用潜力比较大[3-10]。

这4种作为物联网常用的通信方式各有特点，在不同的应用场景下可以发挥各自优势，扬长避短，同时，也可以将这4种通信方式组合起来，达到高效、远程传输的目的。4种通信方式的性能对比情况如表1所示。

表1 4种常用无线通信技术性能对比

从发展和实际使用的角度讲，ZigBee因具有带宽较宽、传输速度快、兼容能力强和抗干扰能力强等优势，将会成为农业物联网系统传输层的重要媒介，也将成为农业物联网传输层的重要研究方向之一。对于网关的具体硬件实现可以采用图8所示的CC2530模块。

3.4 数据终端处理层

数据终端处理层是传输信息的终端，即控制终端。系统的监测中心将收集到的数据进行处理，并将数据传送至监控平台。此时，用户根据所获得的土壤湿度信息数据和有关决策确定是否发送开启灌溉设备的命令。同时，控制终端将数据采集终端采集到的经无线网络传输来的数据存储到数据库中，人们要想了解农作物生长环境的土壤湿度参数，就要去数据库中提取。为了方便，可简化读取数据，在控制终端上设计可显示界面编程，使人们更加直观地完成操作管理。

4 创新驱动形势下趋势分析与展望

4.1 软件和服务成为核心

在互联网+时代，软件和服务将成为未来智能农业节水灌溉系统的核心，农民可以不用完全掌握有关农业灌溉的技术，而通过信息的推送和专业的服务直接获得决策信息，实现真正的硬件操作“傻瓜化”向软件决策服务“傻瓜化”过渡。同时，用户不需要类似于电脑和服务器的硬件设施投入以维持自身监控系统的完整性，利用发达的物联网技术便可以感知农业生产中的各种数据，通过云平台的专业决策服务为用户的智能手机终端直接推送信息，为用户节约了大量的成本，用户可以像购买水电服务一样购买资源和服务，而不需要自己拥有这些资源[9-10]。

4.2 大数据加连接

对于传统农业信息化建设，政府、企业、基地都做了大量的工作，收集了大量的基础数据，但无论从区域角度，还是从应用主体角度，由于没有连接，数据都没有被有效利用，信息孤岛化的情况普遍存在。随着农业物联网获取数据的广度、深度和密度的不断增加，农业数据将实现充分连接和共享，利用数据挖掘技术，可以更加宏观和全面地发掘农业生产和管理规律，实现数据的增值。针对农业节水，全面、完整的大数据分析可实现对水资源分布、提、引、输、灌、排等用水信息和地块、种植类型、灌溉方式等农事信息的全方位掌握，根据这些信息可以对用水主体用水过程中存在的问题提出更加合理的解决方案[9-10]。

4.3 利用关联关系，决策到预测转变

农业需水信息的决策取决于作物生理信息、气象信息和遥感信息等多种因素，这充分体现了灌溉决策中的关联关系。在农业节水中，蒸发蒸腾量的灌溉决策方法，就是利用关联关系数据进行需水信息预测的典型例证[11]。未来关联信息将更加广泛，比如区域水文水利基础信息、水资源配置信息、区域种植类型及地块分布、局部气象信息等。基于上述信息对未来农业用水、灌溉计划的预测，不仅有利于对水资源的合理优化配置，实现真正的“以水定地、以水定产”，也有利于抗旱减灾的提前防范，减少事后损失[9-10]。

5 结束语

物联网技术为现代农业节水灌溉系统从示范到具体应用搭建了一个很好的系统框架。本文简要介绍了物联网的相关内容，而后搭建了基于物联网的现代农业节水灌溉系统架构，并重点分析和研究了系统中各个网络层次功能、特性以及各种有关监测技术，对未来发展趋势进行了讨论。将物联网技术实际应用于现代农业节水灌溉，会有效减少水资源的浪费，对保证农业生产稳定、提高农业生产效率有重要影响。

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