李華劉斌陳亮楊世梅

(1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400；2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006)

隨著全球水資源日益緊張，高效利用水資源成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要課題。農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)灌溉過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和決策優(yōu)化，從而減少水資源浪費(fèi)并提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)效益[1]。因此，本研究在分析農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)了包括灌溉計(jì)劃優(yōu)化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，數(shù)據(jù)分析與決策等模塊的農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用了自動(dòng)噴灌裝置、土壤濕度傳感器和氣象站等智能化灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉過程的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制，以期為農(nóng)業(yè)灌區(qū)提高灌溉效率和水資源高效利用提供技術(shù)支撐。

1 農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸與處理，決策優(yōu)化和決策執(zhí)行等模塊構(gòu)成[2]。這些模塊之間相互配合，形成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過程的全面監(jiān)測(cè)，優(yōu)化決策和精確控制，從而最大程度地減少水資源的浪費(fèi)。

數(shù)據(jù)采集模塊是農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過安裝土壤濕度傳感器、氣象儀器等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度、溫度、氣象信息等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)決策的依據(jù)，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的灌溉需求信息[3]。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器所收集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[4]。用戶可以隨時(shí)隨地通過移動(dòng)設(shè)備或計(jì)算機(jī)訪問云端數(shù)據(jù)庫，并獲取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊是農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的核心。通過使用數(shù)據(jù)處理算法和人工智能技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。基于大數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)模型，系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性和規(guī)律性，提取出有價(jià)值的信息，并對(duì)土壤濕度、作物需水量等進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和分析[5]。在決策控制模塊中，系統(tǒng)利用人工智能算法和決策優(yōu)化模型來制定最佳的灌溉策略。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整灌溉計(jì)劃，使之更加符合作物的生長(zhǎng)需求和土壤的實(shí)際情況。通過優(yōu)化決策，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效、精確、節(jié)水的灌溉管理。執(zhí)行模塊將決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的灌溉操作。農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過與智能灌溉設(shè)備的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過程的精確控制和自動(dòng)化操作[6]。如，自動(dòng)化噴灌系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的指令，在適宜的時(shí)間、地點(diǎn)用適量的水量進(jìn)行灌溉，從而確保種植區(qū)域得到充分的水分供應(yīng)，提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間緊密協(xié)作，形成一個(gè)高效的系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，智能數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化決策控制，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，減少水資源浪費(fèi)，提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)效益，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

利用土壤濕度傳感器、氣象儀器等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可以獲取有關(guān)土壤濕度、溫度和氣象信息等關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這些設(shè)備通過安裝在田地或植物根區(qū)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況，以及周圍環(huán)境的溫度和氣象條件。

土壤濕度傳感器是一種專門用于測(cè)量土壤水分含量的設(shè)備。其根據(jù)電容、電阻或電導(dǎo)率等原理來測(cè)量土壤中所含水分的量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉非常重要，可以幫助用戶了解土壤水分的需求，合理安排灌溉計(jì)劃，避免過度或不足灌溉，從而提高水資源的利用率。氣象儀器則可以測(cè)量與氣象相關(guān)的信息，如溫度、濕度、風(fēng)速和降雨量等，提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件，幫助農(nóng)民更好地掌握天氣狀況，作出相應(yīng)的農(nóng)事決策。如，當(dāng)溫度過高時(shí)，可以及時(shí)采取降溫措施；當(dāng)降雨量較多時(shí)，可以合理安排灌溉計(jì)劃。

通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，利用土壤濕度傳感器、氣象儀器等設(shè)備可以準(zhǔn)確了解土壤濕度、溫度和氣象信息等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況[7]。為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整灌溉計(jì)劃和農(nóng)事管理，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，避免水資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)水高效的農(nóng)業(yè)灌溉管理。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸與處理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集到的土壤濕度、溫度和氣象信息等數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸方式將其上傳到云端服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器、儀器等設(shè)備與云端服務(wù)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程管理。數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，被存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫中，以便隨時(shí)訪問和回收。云端服務(wù)器提供了可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的安全性和可用性。同時(shí)，云端服務(wù)器還具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。針對(duì)土壤濕度、溫度和氣象信息等數(shù)據(jù)，云端服務(wù)器可以根據(jù)事先設(shè)定的算法和模型對(duì)其進(jìn)行分析處理。通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、關(guān)聯(lián)、挖掘和預(yù)測(cè)等算法，可以幫助農(nóng)民更好地理解土壤濕度、溫度和氣象的變化規(guī)律，評(píng)估農(nóng)作物生長(zhǎng)的潛力和風(fēng)險(xiǎn)，并提供相應(yīng)的決策支持[8]。除了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理，云端服務(wù)器還可以通過網(wǎng)絡(luò)接口提供數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢和控制功能。用戶可以通過手機(jī)、電腦等終端設(shè)備隨時(shí)訪問云端服務(wù)器，獲取實(shí)時(shí)的土壤濕度、溫度和氣象信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和調(diào)整。這為農(nóng)民提供了更加便捷和智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理手段。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，可以充分利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的決策支持和智能化的管理方法。有效整合和利用土壤濕度、溫度和氣象等信息，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

1.3 決策優(yōu)化

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對(duì)土壤濕度、作物需水量等數(shù)據(jù)的采集與傳輸，結(jié)合人工智能算法，在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域中可以實(shí)現(xiàn)決策優(yōu)化，確定最佳的灌溉計(jì)劃[9]。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各種傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集土壤濕度、作物需水量等相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過無線方式傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得數(shù)據(jù)采集變得更加便捷和高效，提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在云端服務(wù)器中，應(yīng)用人工智能算法進(jìn)行決策優(yōu)化，針對(duì)不同的作物和土壤條件，可以建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘的模型，對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)和分析，通過訓(xùn)練模型，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的土壤濕度、氣象情況、作物需水量等因素，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的水分需求情況?；谶@些預(yù)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)可以利用優(yōu)化算法，如遺傳算法、模擬退火算法等，進(jìn)行決策優(yōu)化，確定最佳的灌溉計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃會(huì)考慮到作物的生長(zhǎng)周期，土壤水分保持和節(jié)約用水的原則，盡量使得農(nóng)田的灌溉水分滿足作物需求，并減少不必要的水分浪費(fèi)。在實(shí)際操作中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云端服務(wù)器，可以將最佳的灌溉計(jì)劃傳輸?shù)焦喔仍O(shè)備中，這些設(shè)備可以根據(jù)計(jì)劃進(jìn)行自動(dòng)化控制，并調(diào)整灌溉水量和頻率。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度等參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)灌溉計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)變化的環(huán)境條件和作物需求[10]。

通過人工智能算法的決策優(yōu)化，可以在農(nóng)業(yè)灌溉中實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用，提高農(nóng)田水分利用效率，減少水資源浪費(fèi)。不僅有助于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還可以提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1.4 決策執(zhí)行

通過將決策結(jié)果反饋給智能灌溉設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)精確控制和自動(dòng)化灌溉操作。一旦決策系統(tǒng)得出最佳的灌溉計(jì)劃，這些決策結(jié)果可以直接傳送給智能灌溉設(shè)備，以便進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和操作。智能灌溉設(shè)備通常配備有高度敏感的傳感器和執(zhí)行器。當(dāng)決策系統(tǒng)確定下一步需要增加或減少灌溉水量時(shí)，會(huì)通過通信網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給智能灌溉設(shè)備。設(shè)備可以根據(jù)指令來自動(dòng)調(diào)整灌溉水量，并確保每個(gè)作物得到其所需的最佳水分供應(yīng)。此外，智能灌溉設(shè)備還可與其他環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備相連，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度、氣溫、降水等要素?；跊Q策結(jié)果和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，智能灌溉設(shè)備可以做出即時(shí)響應(yīng)，根據(jù)實(shí)際狀況實(shí)施調(diào)整[11]。如，在收到降雨預(yù)警后，智能灌溉設(shè)備可以停止供水操作，以防止過度灌溉。

通過將決策結(jié)果與智能灌溉設(shè)備連接起來，可以實(shí)現(xiàn)灌溉過程的自動(dòng)化和精確控制。這種集成系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)決策結(jié)果，并根據(jù)氣候條件和土壤狀態(tài)對(duì)灌溉進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而最大限度地提高灌溉的效率和準(zhǔn)確性，這不僅減輕了人工干預(yù)的負(fù)擔(dān)，還確保了作物得到恰到好處的水分供應(yīng)，提高了農(nóng)田的產(chǎn)量和質(zhì)量。

2 農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 傳感器技術(shù)

利用先進(jìn)的土壤濕度傳感器、氣象儀器等實(shí)時(shí)采集相關(guān)參數(shù)，為灌溉決策提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。通過在農(nóng)田中布設(shè)土壤濕度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況，從而了解作物生長(zhǎng)所需的水分量。同時(shí)，氣象儀器可以采集到當(dāng)前氣溫、風(fēng)速、降水等氣象要素，進(jìn)一步為灌溉決策提供參考。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和云端存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制[12]。傳感器數(shù)據(jù)在采集后，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云端服務(wù)器中，以便后續(xù)處理和分析。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，農(nóng)民或相關(guān)工作人員可以通過移動(dòng)設(shè)備或電腦遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)田的土壤濕度、氣象等信息，并進(jìn)行灌溉決策的優(yōu)化調(diào)整。

2.3 人工智能算法

利用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能技術(shù)，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和決策優(yōu)化，提高灌溉效率[13]。通過對(duì)采集到的土壤濕度、作物需水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，可以建立起預(yù)測(cè)和優(yōu)化模型。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)不同作物的特性、不同土壤條件下的水分需求，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策優(yōu)化，給出最佳的灌溉計(jì)劃。

2.4 執(zhí)行控制技術(shù)

利用自動(dòng)化系統(tǒng)和智能灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉過程的精確控制和自動(dòng)化操作。根據(jù)最佳的灌溉計(jì)劃，通過自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行控制，調(diào)整灌溉水量和頻率。智能灌溉設(shè)備配備有先進(jìn)的控制裝置，可以根據(jù)系統(tǒng)的指令進(jìn)行操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度等參數(shù)，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和反饋[14]。這樣，可以確保灌溉過程的準(zhǔn)確度和精確性，同時(shí)降低人工干預(yù)的需求。

3 農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)估

通過在實(shí)際灌溉場(chǎng)景中應(yīng)用農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，取得了顯著的效果。這種系統(tǒng)能夠有效減少水資源的浪費(fèi)，提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)效益，實(shí)現(xiàn)了水資源的可持續(xù)利用。農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度、氣象條件和作物水需求等關(guān)鍵指標(biāo)[15]。這些數(shù)據(jù)被輸入到?jīng)Q策系統(tǒng)，經(jīng)過計(jì)算和分析后生成最佳的灌溉計(jì)劃。系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要確定何時(shí)進(jìn)行灌溉，灌溉的時(shí)間和水量等參數(shù)。系統(tǒng)將決策結(jié)果準(zhǔn)確地反饋給智能灌溉設(shè)備，使其能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉操作。智能灌溉設(shè)備根據(jù)決策系統(tǒng)的指令，精確控制灌溉水量和噴灌范圍，避免了過度或不足的灌溉現(xiàn)象[16]。如此，農(nóng)田中每一塊土地都能得到適當(dāng)?shù)乃止?yīng)，避免了水資源的浪費(fèi)。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉方法存在的問題，在節(jié)約用水、提高灌溉效率和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有重要作用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新的解決方案[17]。下一步，應(yīng)不斷完善系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用，并結(jié)合大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)，推廣農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)在更多的灌區(qū)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉過程的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和控制，以期為農(nóng)業(yè)灌區(qū)提高灌溉效率和水資源高效利用提供技術(shù)支撐，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。