劉嬌 余宗憲 胡梅 張文 內江師范學院物理與電子信息工程學院

引言

作為世界第一人口大國，中國對糧食的需求量是非常龐大的，只有擁有足夠的糧食才能不受制于人，而傳統(tǒng)農業(yè)受到了資源和環(huán)境的雙重制約。農作物的良好生長離不開先進灌溉技術及設備的投入，灌溉過度會導致農作物生長滋生細菌，灌溉不足則易導致農作物生長營養(yǎng)供應不足。為了高效提升農業(yè)現(xiàn)代化、自動化技術水平，合理進行農業(yè)灌溉，將物聯(lián)網管控技術引入智能灌溉體系勢在必行。節(jié)水灌溉就是根據(jù)農作物的生長規(guī)律，在作物需水的情況進行灌溉水的高效利用，從而實現(xiàn)農業(yè)效益的增加。它是以降低灌溉用水的無效損耗為核心，最大限度地提高灌溉水的有效利用率，以及提高農作物的水分利用率，進而提高生產效益。在全球水資源緊缺的情況下，對水資源的有效利用是非常重要的，由于農業(yè)用水在我國水資源利用中占有一定的比例，因此采用農業(yè)節(jié)水灌溉技術，能夠有效提高水資源的利用率，同時還能滿足作物對水的需求。可見，農業(yè)節(jié)水灌溉技術在作物灌溉中發(fā)揮著重要作用。

1 物聯(lián)網的相關概念及基本特征

1.1 基本概念

物聯(lián)網（The Internet of Things，簡稱IOT）是指把所有物品通過紅外感應器、射頻識別技術、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等各種裝置與技術與互聯(lián)網連接起來，通過實時采集物體或過程的聲、光、熱、電、力學、化 學、生物、位置等各種需要的信息，經各類可能的網絡接入，實現(xiàn)物與物、物與人的連接，實現(xiàn)信息交換和通訊，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網是一個基于互聯(lián)網、傳統(tǒng)電信網等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網絡。

1.2 基本特征

物聯(lián)網的基本特征從通信對象和過程來看，人與物、物與物之間的信息交互是物聯(lián)網的核心。物聯(lián)網的基本特征可概括為智能處理、可靠傳輸和整體感知。

(1）智能處理。通過運用各種智能技術，對感知和傳送到的數(shù)據(jù)、信息一一進行分析與處理，使控制與監(jiān)測變得智能化。

(2）可靠傳輸。為了使物體的信息實時、準確地傳送，達到信息的交流和分享的目的，可將互聯(lián)網、無線網進行融合。

(3）整體感知。通過利用二維碼、射頻識別、智能傳感器等感知設備來達到獲取物體的各類信息的目的。

2 系統(tǒng)

2.1 基本系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網技術的農業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及人機交互部分三部分構成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構框圖

依托于4G無線遠程通信技術，采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器獲取農作物的土壤環(huán)境指數(shù)，并將其發(fā)送至互聯(lián)網平臺實現(xiàn)對土壤環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集處理部分以KZM4矩陣為中心，采用傳感器設備對農作物土壤環(huán)境指數(shù)進行采集并實時傳輸給中央系統(tǒng)，系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析，并生成相應的決策，對灌溉控制系統(tǒng)發(fā)出指令。土壤的各個節(jié)點都設置了監(jiān)測設備，每一個節(jié)點都可以實時的采集控制區(qū)內的信息，從而達到監(jiān)測農作物土壤水分的目的。采集到的信息可以在節(jié)點內進行處理，然后通過其他節(jié)點傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，隨后利用無線通信技術把采集到的信息傳輸?shù)骄W關。

根據(jù)農田的特性，傳感器節(jié)點的硬件設計應遵循以下幾點：

(1)低成本：由于傳感器節(jié)點的數(shù)量較多，單個節(jié)點的成本會很大影響整個系統(tǒng)的成本。為了有效降低整個系統(tǒng)的成本，必須盡可能降低單個節(jié)點的費用，但要在保證節(jié)點性能的前提下采用此方法。

(2)微型化：由于農田的特殊性，傳感器節(jié)點需要大量部署在監(jiān)測區(qū)域，考慮部署簡易方便以及對目標系統(tǒng)本身的特性沒有影響等問題，傳感器節(jié)點的體積要非常小才能很好的監(jiān)測信息。

(3)低功耗：由于傳感器節(jié)點通過電池供電，電量有限，等電腦耗盡后，傳感器節(jié)點會停止工作，整個系統(tǒng)的傳感器網絡的拓撲結構也會相應變化。故減少節(jié)點本身的功耗，延長節(jié)點使用壽命，對于整個系統(tǒng)穩(wěn)定、運行高效是非常有意義的。

(4)可擴展性：在系統(tǒng)的后期應用中，可能會有新的需求，因此一個具有可擴展性的系統(tǒng)可以根據(jù)需求增加不同的功能器件。

(5)優(yōu)良射頻性：節(jié)點間通信距離是限制無線傳感器網絡應用的重要原因[8]，由于農田環(huán)境的特殊性，無線信息的傳播與通信距離指數(shù)相關并衰減，節(jié)點之間的通信距離直接影響到發(fā)射功率的消耗，最后會引發(fā)功耗相關問題。因此，改善系統(tǒng)的工作能力可以提高射頻性能。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^程是：把傳感器部分采集到的數(shù)據(jù)，利用無線通信技術傳輸?shù)骄W關，再利用合理的、有效的路由協(xié)議，將數(shù)據(jù)更安全更可靠的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。該系統(tǒng)可選用WiFi通信網絡、GPRS通信和藍牙通信等，但該系統(tǒng)主要選用GPRS通信。

WiFi通信網絡所利用的是網絡資源，它的優(yōu)勢是可以使通信的距離延長，覆蓋面積更廣，使用成本低下，并且其兼容性強，傳輸速度快，此技術已經在國內很多領域被廣泛利用。

GPRS通信技術，它的工作模式是分組數(shù)據(jù)的承載，它具有的優(yōu)勢是實時在線，高速傳輸， 快速登錄等等，它主要被廣泛應用于手持式的設備之中，也廣泛應用于農業(yè)物聯(lián)網中。此技術沒有距離的要求，但需要支付通信的費用。

藍牙通信技術是短距離無線通信的一種，擁有藍牙功能的設備之間都可以利用藍牙連接，傳輸速度也比較快，并且能夠抗外界干擾，所利用的頻譜在各個國家都不會被限制。

2.4 人機交互

人機互動實際上就是人與機器或者人與計算機的交互。監(jiān)測中心把采集到的數(shù)據(jù)進行分析并處理，控制平臺接收到數(shù)據(jù)后，用戶根據(jù)所獲得的土壤濕度信息數(shù)據(jù)來決策是否發(fā)送開啟灌溉設備的命令。同時，數(shù)據(jù)采集端采集到的數(shù)據(jù)通過控制端存儲到數(shù)據(jù)庫中，倘若人們想了解農作物生長環(huán)境的土壤濕度參數(shù)，就可在在數(shù)據(jù)庫中提取。為使人們更加直觀地完成操作管理，可簡化讀取數(shù)據(jù)，在控制端上設計可顯示界面的編程。通過這樣的人機交互方式可更加精準地灌溉農作物。

2.5 系統(tǒng)主要功能特點

(1)灌溉可分為傳統(tǒng)灌溉和節(jié)水灌溉。傳統(tǒng)灌溉是指灌溉水從地的表面進入田間、直接侵入土壤的方法，主要有淹灌和漫灌。節(jié)水灌溉措施包括節(jié)水型地面灌溉、低壓管道輸水灌溉、噴灌、滴灌等。與傳統(tǒng)的灌溉相比，節(jié)水灌溉不僅能夠節(jié)約水資源、人力資源，還能減少能量的消耗，是現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展方向，也是實現(xiàn)水資源高效利用的途徑，而此系統(tǒng)將節(jié)水型地面灌溉與4G、物聯(lián)網結合起來。

(2)系統(tǒng)能夠對整個數(shù)據(jù)信息進行良好的管理，這一管理主要是針對內部的數(shù)據(jù)信息而言的。同時系統(tǒng)能夠有效搜集土壤的情況，并智能化地定制相應的灌溉方案，對灌溉設備進行智能化的控制。

(3)具有實用性、廣義性、經濟性、理論性。采用4G技術進行控制并采用DHT11溫濕度傳感器、雨水傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器等模塊進行數(shù)據(jù)采集，可在手機上操作系統(tǒng)，能夠實時在線，高速傳輸，快速登錄等功能，更加貼近生活，節(jié)約時間及成本。

3 結語

在水資源日益匱乏的難題下，根據(jù)農作物需水量實施節(jié)水灌溉是亟需解決的難題。基于物聯(lián)網的農業(yè)智能節(jié)水灌溉設備是根據(jù)農作物的需水量進行科學灌溉，具有運行可靠、設計合理、實用性強的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)灌溉中水資源浪費、穩(wěn)定性差的問題，使得農業(yè)水資源得到充分利用，達到了保護環(huán)境，有效利用農村能源和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的在農業(yè)灌溉方面有很高的實用價值。