智慧农业视角下无线通信技术在灌溉中的应用

2021-03-29

智能城市 2021年5期

（河南工学院电子信息工程学院，河南新乡 453000）

当前我国农业发展正处在转型的重要阶段，灌溉技术对农田生产质量有重要的影响。目前我国农田灌溉与科技的融合度较低，灌溉技术陈旧、灌溉效率低是我国智慧农业建设的主要问题。因此，在智慧农业视角下，研究无线通信技术在灌溉中的实践应用有重要的现实意义。

1 国内外关于无线通信技术灌溉的研究

1.1 国外关于无线通信技术灌溉的研究

国外关于无线通信技术灌溉的研究做得较为出色的是美国、以色列，农业灌溉在无线通信技术的帮助下已逐渐实现智能化，降低了人们在灌溉中的劳动成本、时间成本。在农业灌溉智能化较为先进的国家中，相关技术灌溉功能十分丰富，美国的雨鸟（Rain Bird）公司已经针对农业滴灌技术发明了130多项联邦专利，生产了4 000多种喷灌和微灌设备，根据具体的应用出品了IQ-Cloud智能管理软件，便于用户在不同平台、设备和地点对智能灌溉系统进行实时管理。以色列作为中东地区的国家，土壤沙化的问题较为严重，农业灌溉技术侧重于开源节流，一些农业技术设备公司的产品研发，均十分重视灌溉产品中节水功能的开发与其他设备功能的兼容性，在灌溉技术上实现全程自动化的智能灌溉系统[1]。

1.2 国内关于无线通信技术灌溉的研究

20世纪50年代，我国从国外引进了节水灌溉技术和设备，这些技术和设备在20世纪90年代得到了广泛的应用。与国外相比，我国的自动灌溉控制系统智能化水平较低，我国未生产可实现智能化的无线通信灌溉的产品。目前我国无线传感网络技术在农业灌溉领域的研究取得了一定成果，如无锡市将智能农业物联网检测系统应用在水蜜桃邮寄基地，在桃林中安置传感器和微型气象站，实时采集水蜜桃生长环境的温度、湿度、光照强度等信息。我国农业用水的有效利用率远低于欧洲等发达国家水平，且我国无线通信技术在农业灌溉中的应用，存在智能化较弱、系统性较差、不及时等缺陷。现阶段，灌溉产品在我国已得到了更广泛的应用，但设备仪器间的对接未脱离人工的监测和操作，设备的功能仍不够精密、便捷。

2 智慧农业的研究背景和依据

在当前水资源需求日益增加的背景下，水资源的缺乏会制约我国农业经济发展的步伐。国家发改委、科技部、建设部、农业农村部、水利部联合发布《中国节水技术政策大纲》明确指出：发展高效节水型农业是国家的基本战略，改进田间灌水技术是农业节水的重点；鼓励应用精准控制灌溉技术；提倡适时、适量灌溉；加强农作物水分生理特性和需水规律研究；积极研究作物生长与土壤水分、土壤养分、空气湿度、大气温度等环境因素的关系。水利部于2018年发布《关于深化农田水利改革的通知》，其中明确提到应采取科学的方式节约用水及进行合理灌溉，实施水权改革和水权交易，开发地下水资源，为我国农业水资源的管理、科学节水灌溉提供支持和依据[2]。

3 无线通信技术在智慧农业灌溉中的实践应用

3.1 实践应用目的

通过无线通信技术在智慧农业灌溉中的不断深入和精进，可以帮助农业灌溉节约用水，缓解水资源紧张、农田灌溉浪费的现象；帮助农户提高农田信息数据实时准确收集功能、农作物单位面积产量、农民智慧农业技术操作常识；加强农田作物的灌溉效率，降低无线通信灌溉技术的使用和维修成本，使每一个农户均愿意且有能力使用无线通信灌溉技术，实现智慧农业的美好愿景。

3.2 实践应用标准

严格执行《农业灌溉设备电动或电控灌溉机械的电气设备和布线》（GB/T 18025—2000）、《农业灌溉设备、滴头技术规范和试验方法》（GB/T 17187—1997）和《塑料节水灌溉器材内镶式滴灌管、带》（GB/T 19812.3—2008）等国家标准，依照《农业灌溉设备、滴头技术规范和试验方法》（GB/T 17187—1997）和《塑料节水灌溉器材内镶式滴灌管、带》（GB/T 19812.3—2008）选择管路、滴头。

（1）土壤湿度传感器。测量范围：0～100%；测量精度：±2%；动态响应：＜2 s；工作电压：DC5 V；工作电流：＜1 mA；工作温度范围：-35～75 ℃，密封材料完全防水。（2）温度传感器。温度范围：-35～75 ℃；精度：±3 ℃；分辨率：0.5 dpi；电源电压：DC5 V；电流：250 μA（连续转换模式）、0.1 μA（关断模式）（3）光照传感器。光照范围：1～200 klx；测量精度：±5%；光谱范围：400～1 100 nm（敏感区域集中在植物生长所需自然光谱内反应）；时间：小于2 s；转换公式：光照=（V/0.01）klx；光照=[(1-4)×200/16]klux；工作电压：DC5 V；静态功耗：1 mA；工作温度范围：-35～75 ℃；输出负载：100 Ω。

3.3 实践应用问题

无线通信技术灌溉设备的使用需要资金与专业技术型人才的支持，普通的农户没有足够的资金支持，对灌溉设备系统功能没有详尽了解。无线灌溉技术设备机能易产生过度损耗，在使用过程中若出现故障，更换新设备或维修原有设备的故障均需要耗费一定成本，且对农业耕作造成一定影响。因此，在实际操作过程中，需要对土壤、空气、水质进行检测汇总[3]。

4 无线通信技术在智慧农业灌溉中的系统设计

4.1 调整无线灌溉系统的整体功能结构

针对我国水资源在农业灌溉中无法合理利用的问题，应及时调整无线灌溉系统的整体功能结构，适应当前农业发展向智能化转换的趋势，一台能够适应实际生产操作的智能设备应同时符合用户、农田和内部数据计算的要求。首先，应充分更新用户操作界面中的功能，丰富实际操作中需要使用的检测、数据传输、传感、控制等功能，促使无线灌溉设备的用户操作更加流畅、便捷。其次，应加强无线灌溉系统的通信功能测试，避免使环境的距离、信号、温度、湿度、噪声、气压对检测设备造成影响，干扰检测结果。最后，应对设备内部系统的后台运算功能进行优化，根据操作进行近期的系统优化，加强前段操作对农田监测的控制能力，节约人力成本，实现农田质量可视化的智慧型农田灌溉[4]。

4.2 无限灌溉系统设计

LoRa技术的土壤墒情实时监测控制系统是具有推广前景的一项无线通信技术，根据实际应用的需求，可以通过节点、网关、服务器实现农业种植场地的环境参数的实时采集、智能预警，掌握农作物生长环境状态，与自动灌溉系统协作，调节适合农作物生长的最佳土壤环境。LoRa最高的接收灵敏度改善了20 dBm以上，确保了网络连接的可靠性，降低了功耗；使用线性调频扩频调制技术，保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，增加了通信距离，提高网络效率，消除干扰。

研发的集中器/网关（Concentrator/Gate-way）可并行接收并处理多个节点的数据，扩展系统容量，具有低成本、高效率的优势，能够促使转换电路的设计和调试更为便捷。

LoRa无线通信灌溉系统结构如图1所示。

图1 LoRa无线通信灌溉系统结构图

4.3 研究目标

（1）监测农作物土壤环境，有效提高农业灌溉用水利用率达到90%以上，在缓解干旱缺水问题的基础上有效减少水资源的消耗。

（2）充分优化决策体系结构，通过对节点汇聚的数据进行分析，得出监测结论，通过控制系统应用于操作，提供决策流程可视化，使用户更全面了解灌溉决策的具体情况，实现农田作物精准灌溉，提高农作物单位面积产量20%左右。

（3）分析田间种植环境对无线信道传播特性的影响，为LoRaWAN组网模型在不同应用环境中节点的部署方法提供依据，实现土壤墒情实时监测，适应智慧农业发展。

（5）设计多种传感器节点数据融合技术，可根据作物生长特点、耕作环境条件的具体情况对农田状态进行分析，基于无线通信网络的特点，对各节点传感器进行调试，在操作前段记录调试数据，改进数据采集系统，最终得到完整的LoRa网组模型技术方案。

5 无线灌溉系统在农业应用展望

虽然我国农田粮食生产量已能够满足我国人民的需求，但是作为决定农田产量的众多因素之一，我国农业的灌溉技术仍处在起步阶段。我国的用水效率远低于发达国家，我国水资源占全球水资源总量的6%，农业的用水需求不可忽视，因此，应提升我国智慧农业中灌溉技术的智能化应用。当前我国农业自动化、信息化、产业化的步伐逐步加快，计算机技术、电子通信技术、传感器技术、自动控制技术等为智慧农业提供有效支撑，可降低我国农田灌溉的成本，科学提高农田产量，解放农村劳动力，实现智慧生产、智能销售，将农业与我国当前的市场经济有效结合。