王連勝，夏冬艷，汪 源，丁學(xué)用

（1.三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022；2.三亞學(xué)院 財(cái)經(jīng)學(xué)院，海南 三亞 572022）

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。當(dāng)時(shí)基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)和EPC標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等構(gòu)造了一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)“Internet of things”（簡(jiǎn)稱“物聯(lián)網(wǎng)”）。2009-08，溫家寶總理在政府工作報(bào)告中提出“感知中國(guó)”，至此，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，而物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)也受到了極大的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景，在軍事國(guó)防、城市管理、家庭醫(yī)療、電子商務(wù)、智能交通和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展很快，已成為加快發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑，是農(nóng)業(yè)工程研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程中的節(jié)水灌溉領(lǐng)域可以方便勞作者對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的管理，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的信息平臺(tái)可以與外界進(jìn)行信息交流，從中獲得先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式，改變傳統(tǒng)落后的農(nóng)業(yè)灌溉方式，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)就是將傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群，它能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)物物通信，就必須要對(duì)物體上的信息進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、采集，并將其傳輸?shù)浇K端上。而對(duì)于信息的感知，可以采用2種方法：①利用RFID射頻技術(shù)在感知對(duì)象上貼上標(biāo)簽，以對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別和采集，并將信息傳送到RFID系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)中；②將傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到需要關(guān)注和采集信息的地點(diǎn)或物體中，通過(guò)具有傳感、信號(hào)處理的無(wú)線信息采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，再借助Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信[1-2]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)體系是一種基于傳感器、控制、嵌入式計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為3個(gè)網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測(cè)信息采集及控制終端，即網(wǎng)絡(luò)感知和控制層，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)終端處理層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)感知和控制層

土壤水分是植物水分的直接來(lái)源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的土壤信息之一，植物吸收土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)生長(zhǎng)。土壤水分含量對(duì)植物生長(zhǎng)有直接的影響，同時(shí)，土壤水分和養(yǎng)分也是植物自然生長(zhǎng)條件中可以人為調(diào)控的2個(gè)重要因素，因此，土壤水分監(jiān)測(cè)在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉決策中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

網(wǎng)絡(luò)感知和控制層主要是通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)土壤水分進(jìn)行量化。分布在監(jiān)測(cè)控制區(qū)內(nèi)每個(gè)角落的傳感信息節(jié)點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分，并將采集到的信息在節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行初步處理后，沿著其他節(jié)點(diǎn)逐步傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)Internet或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)傳輸線將信息傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)信息進(jìn)行處理分析，并根據(jù)有關(guān)決策發(fā)出控制命令，以控制相應(yīng)的灌溉設(shè)備開啟或關(guān)閉[3-4]。監(jiān)測(cè)和控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)和控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

在土壤水分信息感知方面，主要的傳感器有FDR型和TDR型，即頻域型和時(shí)域型。目前，比較流行的是FDR型。FDR（Frequency Domain Reflectometry）頻域反射儀是一種用于測(cè)量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤容積含水量。FDR具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程和少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推薦的土壤水分測(cè)定儀器。當(dāng)前，F(xiàn)DR型土壤濕度傳感器主要有NHSF48土壤水分傳感器（圖3）、NH148土壤溫濕鹽分一體傳感器（圖4）、NHSF50土壤水分傳感器（圖5）、NHCS650 NHCS655土壤水分溫度電導(dǎo)率傳感器（圖6）和Hydra土壤溫度水分鹽分傳感器（圖7）等型號(hào)。

圖3 NHSF48土壤水分傳感器

圖4 NH148土壤溫濕鹽分一體傳感器

圖5 NHSF50土壤水分傳感器

圖6 NHCS655土壤水分溫度電導(dǎo)率傳感器

圖7 Hydra土壤溫度水分鹽分傳感器

圖8 CC2530微處理器模塊

在微處理器方面，可以選用CC2530。CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能，它具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。而運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案；CC2530F64結(jié)合德州儀器的黃金單元RemoTI，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee RF4CE遠(yuǎn)程控制解決方案。CC2530微處理器模塊如圖8所示。在灌溉設(shè)備控制方面，可以選用繼電器控制灌溉設(shè)備的通電和斷電，也可以采用電磁閥控制管道水的流通和關(guān)閉。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸層

這層的功能是將匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的信息，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳送至網(wǎng)關(guān)，并結(jié)合合理、有效的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，將數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息無(wú)線傳輸與工業(yè)差別比較大，農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，不僅氣候?qū)o(wú)線通信有影響，而且隨著作物生長(zhǎng)狀況的不斷變化，也容易對(duì)無(wú)線傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。農(nóng)業(yè)信息獲取在時(shí)效性上要求不高，傳輸過(guò)程中的稍許延時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不大。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)主要包括ZigBee技術(shù)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、GPRS和藍(lán)牙等傳輸方式[3-10]。

ZigBee技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性、安全性好和實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)，在工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。ZigBee技術(shù)在短距離、低傳輸速率的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)手持式儀器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集節(jié)點(diǎn)等信息的傳輸方面也得到了廣泛應(yīng)用[3-10]。

WiFi無(wú)線傳輸技術(shù)充分利用現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)資源，有效地延長(zhǎng)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信距離，擴(kuò)大了覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強(qiáng)、傳輸帶寬寬、傳輸速度快和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，使得WiFi無(wú)線傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于智能工業(yè)、智能家居和精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3-10]。

GPRS是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，它具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸和自如切換等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手持式儀器設(shè)備和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。GPRS無(wú)距離限制，但需要通信費(fèi)用[3-10]。

藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)是一種短距離無(wú)線通訊技術(shù)，帶藍(lán)牙功能的設(shè)備之間可以通過(guò)藍(lán)牙連接起來(lái)，傳輸速度可以達(dá)到1 MB/s，而且不容易受到外界干擾源的影響，使用的頻譜在各國(guó)都不受限制。因此，藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力比較大[3-10]。

這4種作為物聯(lián)網(wǎng)常用的通信方式各有特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，同時(shí)，也可以將這4種通信方式組合起來(lái)，達(dá)到高效、遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康摹?種通信方式的性能對(duì)比情況如表1所示。

表1 4種常用無(wú)線通信技術(shù)性能對(duì)比

從發(fā)展和實(shí)際使用的角度講，ZigBee因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸層的重要媒介，也將成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的重要研究方向之一。對(duì)于網(wǎng)關(guān)的具體硬件實(shí)現(xiàn)可以采用圖8所示的CC2530模塊。

3.4 數(shù)據(jù)終端處理層

數(shù)據(jù)終端處理層是傳輸信息的終端，即控制終端。系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺(tái)。此時(shí)，用戶根據(jù)所獲得的土壤濕度信息數(shù)據(jù)和有關(guān)決策確定是否發(fā)送開啟灌溉設(shè)備的命令。同時(shí)，控制終端將數(shù)據(jù)采集終端采集到的經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，人們要想了解農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤濕度參數(shù)，就要去數(shù)據(jù)庫(kù)中提取。為了方便，可簡(jiǎn)化讀取數(shù)據(jù)，在控制終端上設(shè)計(jì)可顯示界面編程，使人們更加直觀地完成操作管理。

4 創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)形勢(shì)下趨勢(shì)分析與展望

4.1 軟件和服務(wù)成為核心

在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，軟件和服務(wù)將成為未來(lái)智能農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的核心，農(nóng)民可以不用完全掌握有關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉的技術(shù)，而通過(guò)信息的推送和專業(yè)的服務(wù)直接獲得決策信息，實(shí)現(xiàn)真正的硬件操作“傻瓜化”向軟件決策服務(wù)“傻瓜化”過(guò)渡。同時(shí)，用戶不需要類似于電腦和服務(wù)器的硬件設(shè)施投入以維持自身監(jiān)控系統(tǒng)的完整性，利用發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便可以感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)云平臺(tái)的專業(yè)決策服務(wù)為用戶的智能手機(jī)終端直接推送信息，為用戶節(jié)約了大量的成本，用戶可以像購(gòu)買水電服務(wù)一樣購(gòu)買資源和服務(wù)，而不需要自己擁有這些資源[9-10]。

4.2 大數(shù)據(jù)加連接

對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，政府、企業(yè)、基地都做了大量的工作，收集了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但無(wú)論從區(qū)域角度，還是從應(yīng)用主體角度，由于沒(méi)有連接，數(shù)據(jù)都沒(méi)有被有效利用，信息孤島化的情況普遍存在。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的廣度、深度和密度的不斷增加，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)充分連接和共享，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以更加宏觀和全面地發(fā)掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值。針對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水，全面、完整的大數(shù)據(jù)分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源分布、提、引、輸、灌、排等用水信息和地塊、種植類型、灌溉方式等農(nóng)事信息的全方位掌握，根據(jù)這些信息可以對(duì)用水主體用水過(guò)程中存在的問(wèn)題提出更加合理的解決方案[9-10]。

4.3 利用關(guān)聯(lián)關(guān)系，決策到預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)變

農(nóng)業(yè)需水信息的決策取決于作物生理信息、氣象信息和遙感信息等多種因素，這充分體現(xiàn)了灌溉決策中的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在農(nóng)業(yè)節(jié)水中，蒸發(fā)蒸騰量的灌溉決策方法，就是利用關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行需水信息預(yù)測(cè)的典型例證[11]。未來(lái)關(guān)聯(lián)信息將更加廣泛，比如區(qū)域水文水利基礎(chǔ)信息、水資源配置信息、區(qū)域種植類型及地塊分布、局部氣象信息等。基于上述信息對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)用水、灌溉計(jì)劃的預(yù)測(cè)，不僅有利于對(duì)水資源的合理優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)真正的“以水定地、以水定產(chǎn)”，也有利于抗旱減災(zāi)的提前防范，減少事后損失[9-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)從示范到具體應(yīng)用搭建了一個(gè)很好的系統(tǒng)框架。本文簡(jiǎn)要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)內(nèi)容，而后搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)架構(gòu)，并重點(diǎn)分析和研究了系統(tǒng)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次功能、特性以及各種有關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，會(huì)有效減少水資源的浪費(fèi)，對(duì)保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要影響。

［1］沈蘇彬，毛燕琴，范曲立，等.物聯(lián)網(wǎng)概念模型與體系結(jié)構(gòu)［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（04）：1-8.

［2］趙靜，喻曉紅，黃波，等.物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系與發(fā)展［J］.通信技術(shù)，2010（09）：106-108.

［3］葛文杰，趙春江.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（7）：2-8.

［4］彭世彰，徐俊增.農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉理論與模式［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：2-4.

［5］黃偉，宋良圖，武民民，等.面向農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及相關(guān)問(wèn)題［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2008（6）：52-82.

［6］張瑞瑞，陳立平，郭建華，等.農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（增刊2）：81-84.

［7］聶鵬程.植物信息感知與自組織農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［8］趙春江，鄭文剛.信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)節(jié)水中的應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2012：57-60.

［9］田宏武，鄭文剛，李寒.大田農(nóng)業(yè)節(jié)水物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（21）：1-12.

［10］何勇，聶鵬程，劉飛.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳感儀器研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，44（10）：216-226.

［11］袁宏偉，蔣尚明，湯廣民，等.夏玉米蒸發(fā)蒸騰及與土壤含水率、葉面及指數(shù)關(guān)系研究［J］.節(jié)水灌溉，2015（7）：40-42.