智慧农业灌溉系统在种植业的应用及发展策略

闫芳伦

摘 要：水资源匮乏是世界性问题，而我国大部分地区均面临水资源分布不均的情况，农业种植过程中因为农田无法得到有效灌溉，或者农户进行农业灌溉时过度依赖过往经验，降低了水资源利用率，造成资源浪费。为了能够解决此类问题，有效改善水资源利用现状，避免水资源过度浪费，在农业种植中应用智慧农业灌溉技术成为当前最有效的方法之一。基于此，本文将智慧农业灌溉相关概念以及系统构成作为出发点，分析智慧农业灌溉系统相关技术，介绍当前水资源利用现状及灌溉作业现状，探讨智慧农业灌溉系统面临的问题、技术应用要点和相关策略，为改善国内农业灌溉模式提供一定参考。

关键词：智慧农业灌溉；农业种植；技术应用；发展策略

我国农业种植过程中，一直都表现出水量不足的问题，而农业灌溉用水大约在每年水消耗总量中的占比超过3/4。相关调查报告显示，2020年国内农业灌溉中的水资源利用率不足56%，由此可见，我国农业种植灌溉用水率亟需强化。相对来讲，发达国家水资源在农业种植中的利用率高达70%，主要因为发达国家对于智能技术的应用较为广泛，有效提升了农业灌溉用水的利用率。为了能够使水资源在我国农业种植中得到充分利用，提高水资源利用的有效性及科学性，本文研究智慧农业灌溉系统在农业种植中的应用及发展策略，用以改善我国灌溉用水的利用情况。

1 智慧农业灌溉概述

1.1 智慧灌溉

智慧灌溉通常指的是通过行政管理节水、工程节水以及农业节水等方式避免水资源浪费情况，提升水资源利用率，实现节约水资源的目的，为农业种植提供重要基础，在灌溉作业中，应用互联网技术能够实现智能化、系统化、自动化操作[1]。智慧农业灌溉系统主要由电气控制系统、总控制室、水泵以及集中控制室组成，具有较高的稳定性及安全性，不但能够保证系统稳定运行，同时在信息感知技术和作业流程控制等多个方面均体现出明显的技术优势。

1.2 系统构成

农业灌溉系统同时涉及多个层面，诸如应用层、感知层以及网络层。感知层作为系统核心，是智能农业灌溉系统实现产业化及标准化运行的重要环节，应将智慧化灌溉需求作为基础，由规模、成本及能源消耗等多个角度进行调控；网络层将移动通讯网络植入整个灌溉系统中，系统终端收集信息传输设备获取的相关数据信息并进行有效处理，为系统控制提供重要的数据基础；感知层间在接收到系统初始化数据信息后，进行科学计算，并将数据处理结果上传至网络层，之后向应用层发送驱动指令，促使智慧农业灌溉系统执行解决方案，实现节水灌溉目标。

2 系统关键技术

2.1 技术构成

2.1.1 多路信号采集与控制技术

智能监控终端可用于传感器与后台监控系统收集高精度数据、数据隔离转换、信息传递等多项任务。在配置相应控制软件的前提下，可以实现多种传感器的兼容，诸如电流输出型或者电压输出型等。智能监控终端收集及控制多路信号，与现场设备保持连接，其中包含RS-232 串行通信、信号及电源隔离、RS-485、线性化以及A/D 转换等模块，采取ASCII 码字符通信协议的方式保持通信。在智能监控终端内，所有用户设定的校准值、状态、地址、波特率以及数据格式等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。信号输入/输出之间隔离。可承受 3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围在-45 ℃～+80 ℃。

2.1.2 网络通信技术

保证系统安全性及稳定性的关键是前置机通信系统，一则用于实现现场智能终端通讯，完成信息收集及指令传达；再则通过连接后台监控系统，可以用于信息存储及调取相关数据，需要在制定数据链路层通信协议的前提下与智能终端设备保持连接，同时需要满足多个通讯设备与多种通讯方式兼容的需求，并且要求在与后台监控系统保持连接时制定相应的层通信协议。土壤温度、空气湿度、土壤中氮磷钾元素含量、控制器运行状态以及电磁阀使用情况均属于网络通信中的上行数据。下行数据则指的是监控平台将控制指令发送至终端控制设备，诸如下发终端参数、电磁阀开关指令或者查询终端控制状态等。

2.1.3 智能控制技术

现阶段，国内智慧农业灌溉系统中所应用的智能控制技术主要包含PLC智能技术及MCU智能控制技术，可以实现在分析数据信息过程中同步制定灌溉策略，同时可以自动启动灌溉方案[2]。详细来讲，农作物需水量得不到满足的情况下，传感器将收集到的相关信息上传至系统控制中心，尤其进行数据分析，确定是否需要进行灌溉，并在无线通讯技术支持下下达相关指令，实现自动灌溉。当系统检测结果显示灌溉水量达到方案标准后，便会自动停止灌溉作业。现阶段，我国应用智慧农业灌溉系统过程中，应用最为广泛的信息处理技术是模糊控制技术及神经网络免疫技术，实现设备开关的关闭与开启，提升农业灌溉设备自动化水平。

2.2 技术优势

2.2.1智慧灌溉技术主要包含信息收集处理、信息反馈、数据整合及现场指导管理等多个环节。收集数据信息过程中，借助系统传感器可以了解环境温度、土壤湿度及光照强度等相关信息，为灌溉流量的调节及应用方式提供基础。

2.2.2信息整合及应用过程中，可以在先进设备及相关技术的支持下对收集到的数据信息进行分析，整体改善信息整合及应用程度，实施现场指导。在信息整合的基础上考虑作业现场实际情况，对灌溉水量及方法进行调整，充分体现智慧农业灌溉系统优势。

2.2.3系统操作人员借助物联网技术可以完成灌溉方法的制定，诸如用水计划等。在一定程度上提升水资源利用效率，通过这种方式能够强化农业灌溉过程中水资源节约的效果，整体提升农业灌溉节水质量，为农业现代化发展提供重要基础。

3 水资源与灌溉作业现状

3.1 水资源现状

当前阶段，全球淡水资源在水资源总量中占比低于2.5%，逐渐面临枯竭。在多种因素影响作用下，导致人类对冰雪固态淡水、海水以及深层地下水的利用受到限制，比如相关技术及自然条件等因素[3]。能够开发利用的地表水资源在全球淡水资源总量中的占比不超过0.35%，其中以浅层地下水、湖泊及河流为主，因此使得人类生产生活过程中对于水资源的需求无法得到满足，呈现出水资源匮乏、淡水资源不足的状态。

3.2 智慧农业灌溉系统应用现状

3.2.1 农户适应程度探究

国内个别地区经济水平不够发达，技术过于落后，使得农户无法深入了解互联网技术，因此对于智能设备的应用存在一定抵触心理，导致智慧农业灌溉系统无法在国内得到大范围普及。为了有效解决这种情况，首先应该为当地农户传授信息技术以及互联网技术，在构建智能群众的前提下实现智慧农业发展目标。基于此，国家陆续推出多项支持政策，诸如《关于开展信息进村入户试点工作的通知》和《关于开展农民手机应用技能培训提升信息化能力的通知》，为我国农村信息网络建设创造有利条件，同时为智慧农业可持续发展夯实基础。

3.2.2 环境风险预测探究

物联网支持下的智慧农业灌溉系统不仅能够监测土壤状态，同时可以监测作物生长情况，但需要在考虑内外环境因素的前提下，合理控制灌溉水量，科学评估外部环境中隐藏的风险因素，用以调整水量大小[4]。另外，应用智慧农业灌溉系统可以有效监测农田土壤情况，观察碱化程度，为制定农田保护措施提供基础。现阶段，农业生产中应用最为广泛的环境风险预测系统，仅仅能够监测降雨量及风速，而不能有效预测大规模自然环境变化或恶劣程度。由于普通智能设备在技术层面存在限制，无法有效评估土壤虫害程度及锁水能力，需要通过人工复检，处理相关数据信息后得到解决。

3.2.3 农田监测反馈探究

通过应用物联网技术可以实现各种服务，比如能够有效检测农田灌溉后的水量，同时可以应用于设备检修，在一定程度上确保系统设备的安全性。当前阶段，依托物联网技术的省水灌溉已经广泛应用于农业生产建设，但因为农田并不具备储水功能，因此无法提升水资源利用率[5]。另外，智慧农业灌溉系统实施农业监测过程中受到地域信号影响，频繁出现信息反馈不及时或数据更新速度慢等情况。

4 智慧农业灌溉系统面临的问题、应用要点和策略

4.1 智慧农业灌溉系统面临的问题

首先，由农户层面来讲，在智慧农业灌溉系统支持下，有助于实现水资源节约目标，同时可以有效控制人力资源成本及后期系统维护成本[6]。但需要农户在系统建设初期投入更多资金预算，比如购买硬件设施及系统软件，因此增加了农户的经济压力，导致大部分农户对于智慧农业灌溉系统建设产生抵触心理，这也是智慧农业灌溉系统建设过程中面临的最大问题。

其次，分析当前应用最为广泛的智慧农业灌溉系统可以发现，虽然系统充分考虑农业灌溉过程中对多作物需水量的影响因素，但对于测量因素的分析过于片面，因此导致系统精准性有所欠缺。

再有，智慧农业灌溉系统中的传感器属于核心电子元件，但因为长时间身处于地下土壤中，用于收集土壤湿度的相关信息，在土壤湿度及其中各种成分的影响作用下，对电子元件性能造成干扰，使得收集到的数据信息缺乏准确性，极易发生数据误差的情况[7]。

最后，因为农业灌溉系统需要大量运用智能化设备，对于系统类型精密度具有极高要求，加之系统运行过程中收集的信息较为复杂，所以要求系统设备保持稳定运行，以此提升农业灌溉方案的可靠性及稳定性，这就需要系统操作人员具有一定一定的技术操作能力，从而使得普通农户操作智慧农业灌溉系统时面临新的挑战。

4.2 应用要点

4.2.1 有效利用传感器技术

通过物联网技术构建的智慧农业灌溉系统，无论感知层、网络层或者应用层以及其他应用模块，对于数据信息均具有一定要求，用以保证系统决策与灌溉需求保持一致[8]。因此，需要将物联网技术作为基础，加大传感器技术应用力度，并在智慧农业灌溉系统中植入传感设备，借助无线网络将数据信息发送至中央处理器，在无线射频技术及嵌入技术支持下，系统自动识别灌溉数据信息，促使灌溉系统能够灵活启动，使农业生产灌溉需求得到满足。

4.2.2 加大物联网产业投入力度

农业现代化发展过程中，不仅需要面临复杂的种植环境，并且基于不同种植地区网络基础设施建设也存在一定困难，增加了以物联网技术为依托的智慧农业灌溉系统建设难度。对于这种情况，地方政府应基于当地实情，在创新争优思想引导下，加大智慧农业灌溉系统建设所需的软/硬件投入力度，构建具有当地特色的智慧农业灌溉系统，为我国农业现代化发展创造条件。

4.3 应用策略

4.3.1 树立物联网技术在智慧农业灌溉系统中合理应用的意识

在实现农业现代化生产目标的前提下，为了避免水资源浪费的情况发生，可以在农业生产相关技术中应用物联网技术，在农业管理战略中加大物联网技术的应用力度，借助实时监测信息系统，可以及时了解水肥比、土壤水分及农作物生长趋势等相关信息[9]。扩大智慧农业灌溉系统信息收集范围，通过科学处理灌溉信息，提升系统操作效率，诸如监测水体状态、灌溉时长、水流量及速度等。同时可以进行有效调控，提高信息利用率，利用信息网络实现系统数据共享目标。

4.3.2 基于物联网技术持续优化智慧农业灌溉系统

首先，基础设施。可以借助频域型传感器优化系统基础设施，保证收集到的土壤水分信息更加具有安全性及准确性，同时能够提升数据信息收集速度，借助传感器设备自动化及宽量程等优势，最大程度上提升系统运行效率。其次，信息系统。可以通过强化网络安全协议的方式，保证应用系统的有效性、科学性及合理性，为信息传输过程提供安全保障。将作物生长趋势、病虫害情况及当地气候特征作为基础，思考智慧农业灌溉系统的价值，借助先进的系统技术在保障系统抗干扰性能的前提下提升信息传输速度及系统兼容性，从而使得设备操作指令快速发送到系统终端[10]。最后，能源系统。可以在智慧农业灌溉系统中加入低能耗通讯模块，借助风能或太阳能等清洁能源降低系统能源消耗，同时可以应用电压动态调节或动态功率管理等相关技术，控制能源消耗，推动智慧农业灌溉系统得到广泛应用。

5 结语

我国农业现代化发展目标是智慧农业，在农业生产中发挥至关重要的作用。作为一种先进的科学技术，物联网在各行各业生产经营中具有重要影响。对于农业生产来讲，通过物联网技术支持有效提升技术控制水平及管理能力，确保农业生产过程中，借助先进的农业设施提高生产效率及质量。有助于实现现代农业高质量发展目标。农业种植过程中，通过智慧农业灌溉系统，在一定程度上降低农业灌溉人力资源成本，有效控制水资源浪费情况，整体改善农业灌溉水资源利用率，提高农业现代化生产水平，为我国农业现代化发展提供重要基础。

参考文献：

[1]武尚智.智慧农业灌溉系统及其解决方案[J].绿色建造与智能建筑，2022，No.268（12）：83-87.

[2]周霄轩.基于CMOS单片机对土壤湿度控制的智能灌溉系统设计[J].电脑知识与技术，2022，18（30）：80-82.

[3]汪文杰，佘世洲，张东等.互联网安全技术在智慧农业灌溉用电系统中的应用研究——评《智慧农业实践》[J].灌溉排水学报，2022，41（10）：149.

[4]梁德明，鲁冰程，夏红莉.基于LoRa技术的智慧农业监控系统设计研究[J].农业装备技术，2022，48（05）：14-16+20.

[5]袁建霞，张秋菊，胡小鹿等.农业装备物联网研究国际竞争态势与研究热点分析[J].农业工程，2021，11（08）：9-18.

[6]王若彤.物联网在智慧农业中的应用研究——以贵州省贵阳市H区J示范园区为例[J].改革与开放，2021，No.554（05）：10-14.

[7]徐东，徐一，郭小文.智慧农业系统在达州市达川区蔬菜种植中的应用[J].四川农业与农机，2022，No.245（03）：49-50.

[8]李学军，程红.基于LSTM算法的智能节水灌溉预测模型研究[J].农机化研究，2022，44（03）：22-27+32.

[9]鄢纪豪，高琴，高浩源等.基于STM32单片机的智能节水滴灌系统[J].物联网技术，2022，12（01）：55-56.

[10]武装.智慧农业视角下无线通信技术在灌溉中的应用[J].电子技术与软件工程，2021，No.204（10）：28-29.