农业灌溉系统的设计与实现

胡 炜

（怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000）

近年来，我国现代化农业得到了快速发展，在农业安全和生态平衡方面出现了更大的压力。农业发展的未来面临新的挑战，需要提高资源的合理利用效率、切实重视维护生态平衡、注重可持续发展的趋势。打造现代农业建设的新思想，发展新农业，推进生态文明建设，更需继承和提高生态循环农业的发展。提高农业产业化、规模化发展需要结合物联网、大数据和人工智能等高新技术，切实推进智慧农业的发展。“十三五”规划中涉及到的智慧农业能更好地完成农业科技创新推广体系建设，还能提高农业和信息技术的结合程度，提升农业生产力水平。《关于印发全国农业现代化规划（2016-2020年）的通知》提到要提高信息化农业结合的效果，提高物联网技术和智能设备在农村使用程度，同时还确定了相关的目标，需在2020年将物联网信息技术作用在农业中的比例提高到17%。

传统的灌溉方式大多通过人为判断而非从作物本身的需要和农田的蒸腾量等方面来补充水分，既损耗了大量的人工成本，又严重浪费了水资源和肥料，所以，无法满足新型农业需求。建立在物联网技术上的智慧农业灌溉系统，采用数据监测技术手段，可深入了解作物需要，从而进行精准灌溉，让作物获得更好的生长环境，提高农业生产的智能性，促进农田的精准化管理。

1 智慧农业灌溉系统的总体方案设计

1.1 系统设计要求

我国地域辽阔，南北地区差异较大、气候不同，作物类型丰富，不同的作物在不同的时期对水分的需求量不同。近些年来，虽然传统灌溉技术得到不断发展，现代灌溉技术得到了逐步完善，使得国内的农业灌溉取得了更大的成绩，但是当前的农业灌溉仍然不能满足现代农业发展的需要。为了全方位提高智慧农业灌溉系统的整体效果，就需要智能感知节点、现代化的网络传输技术、控制方式等诸多方面提供支撑。在设计智慧农业灌溉系统时，要结合当前的市场需求，将物联网等诸多技术结合到系统中成为该系统的最大特点。

1.1.1 实用性

当前国内大部分农民的技术水平相对较低，设计智慧农业灌溉系统，要非常重视实用性的原则。对于智慧农业灌溉系统，需要具备便利的操作，打破地域的限制，实现一人种植万亩（1亩=0.067 hm2，下同）的局面，大大减少劳动力损耗。

1.1.2 实时性

农业大田相对于大棚环境而言是开放空间，极易受外部影响。因此，要充分结合无线传输技术和传感器技术，实现将农业大田数据传输到存储中心，为此后的处理带来保障。

1.1.3 记忆性

农业大田需要监测的数据量多，数据存储要求高，这是实现农田智能化管理的要点。

1.1.4 可靠性

在智慧农业灌溉系统中有效利用无线传输和传感器系统，实现各个传感采集节点和集控中心数据的双向交流，这种方式能更好地提升整个灌溉网络的稳定性和可靠性。

1.1.5 智能化

智慧农业灌溉系统能在人力更少的情况下实现精准灌溉，同时还能满足作物自身生长的需求，实现用最少的水资源达到最好的灌溉效果。这样既能让作物得到更好的生长，同时还减少了水源的损耗，系统也更加智能化。

1.2 系统整体结构设计

该系统主要作用在大面积农田灌溉上，设计初衷是实现农业智慧灌溉。该系统中应用了无线传输技术、传感器技术、数据存储技术，可实现数据收集、传输、存储、调用、筛选、智能化处理等功能。系统整体结构还包含了数据感知层、数据存储层、灌溉应用层等很多方面。

1.2.1 数据感知层

在该系统中，数据感知层属于底层。该层的作用是全方位感知，为系统收集原始数据，需要由无线传输技术和传感技术共同支撑，实现消耗低、效率高、稳定性强、性价比高、操作便利等方面的目的，从技术和科学性能方面为精准灌溉提供根据。这个层面的作用包含传感器的信息采集、传递灌溉指令等，以便实现为农作物精准和高效的灌溉。

1.2.2 无线网络层

该层包含局域网系统、广域网系统、互联网系统。无线网络层负责传输数据，并且与数据感知层紧密结合，继而收集上一层的传感器信息并高效地传递到数据存储层，同时将灌溉应用层的决策及时反馈到数据感知层，确保灌溉更高效、更准确。另外，该系统具有极强的稳定性、广泛性、兼容性等特性，能突破空间的限制，实现作物种植和管理的便利性，还能了解到农田作物的实际情况。

1.2.3 数据存储层

数据存储层能为无线网络层传输来的数据做相关的完善和管理工作。一般情况下，数据传输层传输的数据包含数据感知层的数据、网络数据库中的数据、历史数据库中的数据等。而该系统数据存储层和管理中的数据也有具体的类型，其中就包括从农田收集得来的数据以及历史数据等。

1.2.4 灌溉应用层

灌溉应用层是这个系统中的主要层。该层可以高效、及时、准确地执行数据存储层所传递出来的数据，并且还会根据结果来传递指令，从而实现农业大田的自动灌溉。通过智能算法，在灌溉时间、灌溉量、施肥量、灌溉次数、灌溉方法等方面形成指令，并借助无线网络层传输到数据感知层，以此来进行控制，实现智能化控制。

1.2.5 人机交互层

顾名思义，人机交互层就是让智慧农业灌溉系统和使用者形成交互，在实际的交互中借助于上位机和手机app 来实现，让使用者自主完成数据的管理。此外，使用者还可以从现实情况出发，重新规划有关信息内容，如灌溉策略、系统采集数据、系统运状态等。

1.3 系统功能设计

该系统所包含的功能模块有实时信息监测子系统、通讯子系统、历史及实时数据管理子系统、实时灌溉预报及渠系动态配水子系统、闸门监测控制子系统、文件管理子系统等六大模块。

1.3.1 实时信息监测

信息监测包含了对整个农田区域内的各个类型信息进行布局监测，监测点类型包含田间水层、土壤墒情、渠道水位、气象信息、作物信息等。

1.3.2 信息通讯

针对监测点的模拟信号进行转换，将其转换为数字信号，同时还借助于GPRS技术完成信号的传输，并上传到服务器端口的模块上。

1.3.3 历史及实时数据管理

将监测点的数据进行展示。在展示方式上，实时数据要借助于地图标准和表格来展示，历史数据借助于折线图和表格来展示。

1.3.4 实时灌溉预报及渠系动态配水

从各种类型的信息中完成实时灌溉预报，其中就包含天气预报、参考作物蒸发蒸腾量ET0 预报、田间水层预报和灌水预报。在中国天气网上获取天气预报的数据，将天气预报数据和2种模型计算ET0，从水平衡原理中得到灌溉预报，根据预报结果设置渠系动态配水，从而建立渠系配水结果表。

1.3.5 闸门监测控制

从渠系配水结果上完成闸门启闭的控制，并且还要检测闸门的相关信息，如闸前水位、流量等信息内容。

1.3.6 文件管理

针对系统运行中产生的信息进行管理，如基础信息、监测信息、预报信息、配水信息等都要以图表文件的形式下载和打印下来，以便实现灌溉区用水调度的文件管理。

1.4 数据库设计

从系统功能和信息类别上将数据库划分为监测数据库、决策数据库、基础数据库。其中监测数据库包括监测点中的历史数据表、实时数据表、基础信息表，而基本信息表存储监测点的地理位置、名称等内容。决策数据库包括的内容有历史天气预报表、灌溉预报表、渠系配水表。基础数据库包含的方面比较多，如灌区工程情况表、用户信息表、实时灌溉预报、渠系动态配水模型中所需要的基本参数。

2 结语

本文研究的智慧农业灌溉系统的设计与实现是大数据时代基于物联网技术发展智慧农业的重要环节，能切实推动当代农业的转型发展。该系统采用物联网技术，有效连接了农作物灌溉设备和互联网，借助于数据传播的媒介实现通讯目的，对灌溉设备实行远程控制，其目的在于节约水资源，实现科学灌溉的需要。同时，该系统还要借助传感器来收集和农业灌溉有关的数据信息，从农作物生长的实际情况来完成在线监测，而且还能获得统计报表，为农民提供适合的灌溉方案，为优化灌溉系统提供了根据。此外，运用物联网技术为农业灌溉实行环保、节能、高效的一体化管理方式，也能优化人与农业、生态、经济发展之间的关系，实现农业可持续发展的局面。