基于物联网的农业智能节水灌溉系统的研究

刘娇 余宗宪 胡梅 张文 内江师范学院物理与电子信息工程学院

引言

作为世界第一人口大国，中国对粮食的需求量是非常庞大的，只有拥有足够的粮食才能不受制于人，而传统农业受到了资源和环境的双重制约。农作物的良好生长离不开先进灌溉技术及设备的投入，灌溉过度会导致农作物生长滋生细菌，灌溉不足则易导致农作物生长营养供应不足。为了高效提升农业现代化、自动化技术水平，合理进行农业灌溉，将物联网管控技术引入智能灌溉体系势在必行。节水灌溉就是根据农作物的生长规律，在作物需水的情况进行灌溉水的高效利用，从而实现农业效益的增加。它是以降低灌溉用水的无效损耗为核心，最大限度地提高灌溉水的有效利用率，以及提高农作物的水分利用率，进而提高生产效益。在全球水资源紧缺的情况下，对水资源的有效利用是非常重要的，由于农业用水在我国水资源利用中占有一定的比例，因此采用农业节水灌溉技术，能够有效提高水资源的利用率，同时还能满足作物对水的需求。可见，农业节水灌溉技术在作物灌溉中发挥着重要作用。

1 物联网的相关概念及基本特征

1.1 基本概念

物联网（The Internet of Things，简称IOT）是指把所有物品通过红外感应器、射频识别技术、激光扫描器、全球定位系统等各种装置与技术与互联网连接起来，通过实时采集物体或过程的声、光、热、电、力学、化 学、生物、位置等各种需要的信息，经各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的连接，实现信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

1.2 基本特征

物联网的基本特征从通信对象和过程来看，人与物、物与物之间的信息交互是物联网的核心。物联网的基本特征可概括为智能处理、可靠传输和整体感知。

(1）智能处理。通过运用各种智能技术，对感知和传送到的数据、信息一一进行分析与处理，使控制与监测变得智能化。

(2）可靠传输。为了使物体的信息实时、准确地传送，达到信息的交流和分享的目的，可将互联网、无线网进行融合。

(3）整体感知。通过利用二维码、射频识别、智能传感器等感知设备来达到获取物体的各类信息的目的。

2 系统

2.1 基本系统框架

基于物联网技术的农业智能节水灌溉系统由数据采集处理部分、数据传输部分以及人机交互部分三部分构成。系统结构框图如图1所示。

图1系统结构框图

依托于4G无线远程通信技术，采用DHT11温湿度传感器、雨水传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器获取农作物的土壤环境指数，并将其发送至互联网平台实现对土壤环境的连续监测。

2.2 数据采集处理

数据采集处理部分以KZM4矩阵为中心，采用传感器设备对农作物土壤环境指数进行采集并实时传输给中央系统，系统对采集的数据进行处理与分析，并生成相应的决策，对灌溉控制系统发出指令。土壤的各个节点都设置了监测设备，每一个节点都可以实时的采集控制区内的信息，从而达到监测农作物土壤水分的目的。采集到的信息可以在节点内进行处理，然后通过其他节点传输到汇聚节点，随后利用无线通信技术把采集到的信息传输到网关。

根据农田的特性，传感器节点的硬件设计应遵循以下几点：

(1)低成本：由于传感器节点的数量较多，单个节点的成本会很大影响整个系统的成本。为了有效降低整个系统的成本，必须尽可能降低单个节点的费用，但要在保证节点性能的前提下采用此方法。

(2)微型化：由于农田的特殊性，传感器节点需要大量部署在监测区域，考虑部署简易方便以及对目标系统本身的特性没有影响等问题，传感器节点的体积要非常小才能很好的监测信息。

(3)低功耗：由于传感器节点通过电池供电，电量有限，等电脑耗尽后，传感器节点会停止工作，整个系统的传感器网络的拓扑结构也会相应变化。故减少节点本身的功耗，延长节点使用寿命，对于整个系统稳定、运行高效是非常有意义的。

(4)可扩展性：在系统的后期应用中，可能会有新的需求，因此一个具有可扩展性的系统可以根据需求增加不同的功能器件。

(5)优良射频性：节点间通信距离是限制无线传感器网络应用的重要原因[8]，由于农田环境的特殊性，无线信息的传播与通信距离指数相关并衰减，节点之间的通信距离直接影响到发射功率的消耗，最后会引发功耗相关问题。因此，改善系统的工作能力可以提高射频性能。

2.3 数据传输

数据传输的工作过程是：把传感器部分采集到的数据，利用无线通信技术传输到网关，再利用合理的、有效的路由协议，将数据更安全更可靠的传输到监控中心。该系统可选用WiFi通信网络、GPRS通信和蓝牙通信等，但该系统主要选用GPRS通信。

WiFi通信网络所利用的是网络资源，它的优势是可以使通信的距离延长，覆盖面积更广，使用成本低下，并且其兼容性强，传输速度快，此技术已经在国内很多领域被广泛利用。

GPRS通信技术，它的工作模式是分组数据的承载，它具有的优势是实时在线，高速传输， 快速登录等等，它主要被广泛应用于手持式的设备之中，也广泛应用于农业物联网中。此技术没有距离的要求，但需要支付通信的费用。

蓝牙通信技术是短距离无线通信的一种，拥有蓝牙功能的设备之间都可以利用蓝牙连接，传输速度也比较快，并且能够抗外界干扰，所利用的频谱在各个国家都不会被限制。

2.4 人机交互

人机互动实际上就是人与机器或者人与计算机的交互。监测中心把采集到的数据进行分析并处理，控制平台接收到数据后，用户根据所获得的土壤湿度信息数据来决策是否发送开启灌溉设备的命令。同时，数据采集端采集到的数据通过控制端存储到数据库中，倘若人们想了解农作物生长环境的土壤湿度参数，就可在在数据库中提取。为使人们更加直观地完成操作管理，可简化读取数据，在控制端上设计可显示界面的编程。通过这样的人机交互方式可更加精准地灌溉农作物。

2.5 系统主要功能特点

(1)灌溉可分为传统灌溉和节水灌溉。传统灌溉是指灌溉水从地的表面进入田间、直接侵入土壤的方法，主要有淹灌和漫灌。节水灌溉措施包括节水型地面灌溉、低压管道输水灌溉、喷灌、滴灌等。与传统的灌溉相比，节水灌溉不仅能够节约水资源、人力资源，还能减少能量的消耗，是现代农业的发展方向，也是实现水资源高效利用的途径，而此系统将节水型地面灌溉与4G、物联网结合起来。

(2)系统能够对整个数据信息进行良好的管理，这一管理主要是针对内部的数据信息而言的。同时系统能够有效搜集土壤的情况，并智能化地定制相应的灌溉方案，对灌溉设备进行智能化的控制。

(3)具有实用性、广义性、经济性、理论性。采用4G技术进行控制并采用DHT11温湿度传感器、雨水传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器等模块进行数据采集，可在手机上操作系统，能够实时在线，高速传输，快速登录等功能，更加贴近生活，节约时间及成本。

3 结语

在水资源日益匮乏的难题下，根据农作物需水量实施节水灌溉是亟需解决的难题。基于物联网的农业智能节水灌溉设备是根据农作物的需水量进行科学灌溉，具有运行可靠、设计合理、实用性强的优点，解决了传统灌溉中水资源浪费、稳定性差的问题，使得农业水资源得到充分利用，达到了保护环境，有效利用农村能源和农业可持续发展的目的在农业灌溉方面有很高的实用价值。