摘要 為進一步促進農業(yè)水利灌溉智能化發(fā)展，提高水資源的利用效率，本文探索物聯網技術在農業(yè)水利灌溉中的應用。分析農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現狀，總結物聯網技術的應用優(yōu)勢，如實時監(jiān)測土壤溫濕度，提升農作物產量和品質，增強灌溉系統(tǒng)的適應性和擴展性。實踐證明，在農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中應用物聯網技術，對實現水資源的優(yōu)化配置和高效利用具有非常重要的意義，可以有效緩解水資源緊缺問題，促進農業(yè)產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞 水利灌溉；智慧農業(yè)；物聯網；監(jiān)測

中圖分類號 S275 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）03-0096-03

在農業(yè)水利灌溉中，傳統(tǒng)的灌溉方式不僅浪費水資源，還難以實現精細化管理，最終影響農作物產量和質量。因此，通過技術手段提高水資源利用效率，提高農業(yè)水利灌溉水平，對推進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。部分地區(qū)在農業(yè)灌溉方面已經實現智能化，通過物聯網技術對土壤和環(huán)境參數進行實時監(jiān)測和數據分析，根據不同作物和土壤條件制定個性化管理方案，為農業(yè)生產提供更加精準的灌溉和施肥指導，并通過智能化的水資源管理系統(tǒng)對農業(yè)用水進行高效管理。

現階段，農業(yè)水利灌溉研究集中在節(jié)水灌溉和智能灌溉兩個方面。節(jié)水灌溉主要是通過改進灌溉方式和設備，減少水資源浪費。智能灌溉通過物聯網技術，實現對土壤和環(huán)境參數的實時監(jiān)測和數據分析，為農民提供更加精準的灌溉方案。近年來，我國大力發(fā)展智慧農業(yè)，智能灌溉控制系統(tǒng)應運而生，部分農業(yè)園區(qū)已經將物聯網技術應用在智能灌溉系統(tǒng)中。后者集自動控制技術、專家系統(tǒng)技術、傳感器技術、通信技術和計算機技術等于一體，實現農業(yè)水利灌溉智能化控制，對于提高農業(yè)生產力、節(jié)約水資源和保護環(huán)境具有重要意義。

本文分析了物聯網技術在農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢，研究了基于物聯網技術的農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的架構和基礎功能，從傳感器的布設、數據模型的建立和農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的試運行3個方面入手闡述物聯網技術的具體應用，并結合工作實踐提出有針對性的發(fā)展建議，為農業(yè)水利事業(yè)的健康發(fā)展提供參考。

1 農業(yè)水利物聯網技術的應用

將物聯網技術應用于農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)，可以實現農業(yè)水利灌溉的智能化和自動化控制，通過LoRa等無線傳輸技術，突破灌溉環(huán)境限制，實現遠距離的通信傳播，且穿透能力強，在精準控制下節(jié)約水資源，提升灌溉效率，提高農作物的產量和質量，增強農業(yè)抵御旱災的能力。

1.1 監(jiān)測土壤的溫濕度

在農業(yè)節(jié)水灌溉領域，土壤溫濕度傳感器的應用日益廣泛，主要用于農業(yè)生產、溫室大棚、草地牧場等土壤含水量和溫度的測量，可以實現24 h在線監(jiān)測，并通過物聯網技術將監(jiān)測數據發(fā)送至云服務平臺，智慧灌溉系統(tǒng)即可根據農田作物的實際灌溉需求，自動開啟或關閉灌溉閥門。

1.2 提升農作物的產量和品質

基于物聯網技術的農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)可以對農田土壤環(huán)境及作物生長環(huán)境實時監(jiān)測，對監(jiān)測數據進行分析確定農作物的灌溉需求，從而精準控制灌溉時間和水量，為作物調節(jié)適宜的生長環(huán)境，減少旱澇出現，提高農作物的產量和品質。同時，將監(jiān)測數據與氣象預報相結合，及時預測和應對自然災害，提高農作物的抗災能力。

1.3 增強灌溉系統(tǒng)的適應性和擴展性

基于物聯網技術的農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)可廣泛應用于大范圍農田、果園和蔬菜等農作物種植場景，根據用戶需求實現定制化、智能化灌溉，按照作物種類和生長環(huán)境自動調整灌溉方式和水量，保證作物得到充足的水分和營養(yǎng)。農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)會監(jiān)測作物的生長狀況和生長環(huán)境，對干旱地區(qū)的作物自動降低灌溉水量，以維持作物的基本生長；監(jiān)測作物的葉片顏色、生長狀態(tài)等參數并進行精確灌溉。

2 基于物聯網的農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)

2.1 灌溉系統(tǒng)整體架構

基于物聯網技術的農業(yè)水利灌溉控制系統(tǒng)，可以實現智能化管理、精準化灌溉，提高水資源利用效率，減少人力投入成本，提高農業(yè)生產效率，其主要由水泵控制系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和閥門控制等部分組成。

2.2 灌溉系統(tǒng)的基礎功能

2.2.1 數據收集與傳輸? 數據感知層主要安裝土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和pH值傳感器等感知設備，全面監(jiān)測灌溉區(qū)域的環(huán)境參數和灌溉水源的水文信息，包括土壤溫濕度、降水、空氣溫濕度及CO濃度等。數據傳輸層負責將監(jiān)控畫面和監(jiān)測數據傳輸至云服務平臺，一般都是通過無線通信方式，包括4G、5G、LoRa和WiFi等，傳輸速度快。

2.2.2 智能化灌溉控制? 對于數據感知層和傳輸層獲取的數據信息，經過數據處理層進行智能分析和處理，結合農作物不同生長時期的灌溉需求，自動控制灌溉的時間、水量和方式。監(jiān)測數據可以通過大屏呈現，用戶也可以通過手機、平板和電腦等智能終端直觀查看監(jiān)測數據。當感知層監(jiān)測到土壤含水量過低時，可自動啟動設備進行澆灌，水量達到標準值時則自動停止灌溉。在智能化控制系統(tǒng)下，用戶可制定多種灌溉方案，如循環(huán)灌溉、按時灌溉和遠程控制灌溉等，通過云服務平臺即可進行遠程控制，實時查看灌溉策略及效果，根據作物的生長情況及時調整啟停時間，達到較佳的灌溉效果。

2.2.3 自動報警? 當灌溉系統(tǒng)出現設備故障，管道滲漏、開裂，或者監(jiān)測到溫濕度超出標準范圍時，系統(tǒng)會啟動報警裝置，通過短信、云平臺等多種方式將報警信息發(fā)送到客戶端，提醒用戶快速做出決策。

3 物聯網技術在農業(yè)灌溉系統(tǒng)中的應用

3.1 傳感器的布設

在農業(yè)生產場景中，根據監(jiān)測需求安裝不同類型的傳感器。通過物聯網形成監(jiān)測網絡，將傳感器實時監(jiān)測獲取的土壤濕度、溫度、降水量、pH值等數據，及時傳輸到云平臺或農業(yè)管理系統(tǒng)。安裝時需要注意以下幾點：（1）根據農作物種植需求選擇合適的位置安裝傳感器，通常選擇離作物較近且易于觀察的位置，避免被遮擋或被干擾；（2）固定傳感器時應保證其牢固，可根據不同類型的傳感器選擇支架或固定夾等固定方式；（3）注意傳感器周圍環(huán)境，定期檢查和維護，以保證數據的準確性和穩(wěn)定性。

3.2 數據模型的建立

農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)數據模型的建立需要綜合考慮數據的收集、處理、分析和決策等模塊，通過模式選擇、指令調節(jié)和控制算法等功能更好地管理和控制灌溉系統(tǒng)，提高水資源的利用效率。（1）數據收集：通過傳感器、記錄器或其他數據源收集農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的歷史數據，主要包括灌溉時間、水量和土壤溫濕度等。（2）數據處理：對收集到的數據進行處理，如去除數據中的異常值、歸一化數據等，保留具有可利用價值的數據。（3）模型建立：根據收集和處理后的數據建立數字模型，常見的有回歸模型、人工神經網絡模型和時間序列模型等，對農業(yè)生產場景的灌溉需求進行預測。（4）模型驗證與優(yōu)化：模型建立后，要對其進行驗證和優(yōu)化，一般采用交叉驗證法來驗證模型的準確性和可靠性，如果預測結果與實際需求存在較大差異，則需要對模型進行調整和優(yōu)化。（5）決策支持：通過預測模型獲取未來生產場景的灌溉需求，從而根據預測結果并結合實際情況對灌溉計劃做出調整和優(yōu)化。

3.3 農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的試運行

灌溉系統(tǒng)在投入運行之前需要試運行，確保能夠正常工作。試運行時，需要根據設計方案，調整運行參數，并進行分組灌溉。（1）試運行前做好檢查，確保灌溉系統(tǒng)的所有設備都已正確安裝且正常運行；（2）試運行時應按照設計流量進行灌溉，整個設備所處的環(huán)境和水源水溫一般在5～30°C范圍內，溫度過高或過低都可能會對灌溉系統(tǒng)造成影響；（3）針對噴灌系統(tǒng)，試運行時應分組進行，試運行過程中要檢查水源、水泵、地面移動管道、噴頭、閘閥和進排氣閥等設備的工作狀態(tài)，并適當調整；（4）針對微灌系統(tǒng)，試運行時應采取分組輪灌的方式，并確保各部分運行的穩(wěn)定性，觀察滴灌管的管壁、管件和閥門等處是否有滲水、漏水、破裂或脫落等情況出現，及時處理并做好記錄，處理后再次試運行，直到試運行合格；（5）針對管灌系統(tǒng)，試運行前應先開啟出水口，后啟動水泵，再緩慢開啟水泵出口控制閥。切換出水口時，按照先開后關的順序進行；停灌時，先緩慢關閉水泵出口控制閥，再停泵，后關出水口。試運行過程中，重點檢查機井、動力機、水泵、閘閥、進排氣閥、給水栓和地面移動灌溉閘管或軟管等設備的工作狀況，并根據實際情況進行適當調整。

4 物聯網技術在農業(yè)水利灌溉中的發(fā)展策略

4.1 提高設備可靠性和耐用性

隨著技術的不斷進步，未來的物聯網設備應更加可靠、耐用，減少故障率，提高灌溉系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。設備選型時應注重其性能的穩(wěn)定與可靠，根據設備的使用情況、工作環(huán)境制定維護保養(yǎng)計劃，并按計劃做好維護保養(yǎng)工作。

4.2 提高用戶友好性和易用性

考慮到農業(yè)從業(yè)人員的文化水平等實際情況，未來的物聯網設備應提高用戶友好性和易用性，以便從業(yè)人員接受和使用。在設計方面注重簡潔和清晰，為用戶提供明顯的導航標志和菜單選項，使用戶輕松使用網站或應用程序進行導航，迅速找到所需信息。農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)應適應不同屏幕尺寸的多種設備，根據用戶的行為和偏好提供個性化的內容和建議，這可以通過用戶數據分析和個性化算法來實現。

4.3 智能決策與自動化

灌溉系統(tǒng)的智能決策與自動化是當前農業(yè)領域的重要發(fā)展方向。利用先進的傳感器、算法和數據分析技術，可以使農業(yè)灌溉系統(tǒng)更加精準地監(jiān)測土壤溫濕度、氣象條件和作物生長情況，并做出相應的決策和操作，最大限度地提高灌溉效率和水資源利用率。目前，智能灌溉系統(tǒng)的使用范圍越來越廣泛，功能越來越智能化，如根據傳感器采集到的數據和算法分析結果，自主決定灌溉的時間、水量和方式。

5 結語

物聯網技術在農業(yè)水利灌溉中的應用日益廣泛，智慧農業(yè)的發(fā)展，使農業(yè)種植突破了傳統(tǒng)農業(yè)生產模式的限制。本文探索物聯網技術在農業(yè)水利灌溉中的應用，分析農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現狀，總結物聯網技術的應用優(yōu)勢，如實時監(jiān)測土壤溫濕度，提升農作物產量和品質，增強灌溉系統(tǒng)的適應性和擴展性。實踐證明，在農業(yè)水利灌溉系統(tǒng)中應用物聯網技術，對實現水資源的優(yōu)化配置和高效利用具有非常重要的意義，可以有效緩解水資源緊缺問題，促進農業(yè)產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介 李文浩（1986—），男，甘肅莊浪人，工程師，從事水利工程研究。

收稿日期 2023-09-27