一种物联网的智慧化远程滴灌系统

石河子大学机械电气工程学院 王猷智 周 杰

随着我国经济的发展和科学技术的进步，农业生产方式开始向信息化方向发展，已取得不错的成绩，但仍有诸多问题残留，一是水利灌溉方式不合理，造成水资源浪费。二是滥用肥料，导致化肥浪费、农药化肥残留。三是农业生产基地的环境因素基本依靠人们的经验来判断调整，易产生误差。因此，研究一种基于物联网的智慧化滴灌系统，实现农作物种植的精确控制，对现代农业生产意义重大。

近年来，我国的农业发展获得了显著成就，粮食产量已经满足国内需要，但在生产技术、科技应用、科学管理等方面仍存有诸多问题：（1）在水利方面，传统农业施水采取的漫灌方法用水浪费严重；（2）在施肥方面，过量使用化肥导致肥料浪费，且易导致土壤结构破坏，重金属过量，并且农产品肥、药残留量增加，损害人类健康；（3）凭经验人工调整的环境参数易产生误差，致使农作物生长所需的环境参数不精确，影响农作物产量。而通过物联网与水肥一体化系统相结合的方式，利用传感器技术，大数据与云技术，可对温室大棚等农业生产基地进行实时监控，实现远程控制及科学智能管理，并最终实现农业生产过程的自动化与信息化。基于物联网的智慧化远程滴灌系统可完成大棚内环境参数的采集与分析处理，根据农作物生长需求采取合理调控措施，使农作物始终处于最适生长环境，可节约大量人力物力，具有良好的发展前景。

1 物联网技术

物联网技术最早由麻省理工学院科研团队提出，其本质为基于传感器技术、电子信息技术、互联网技术的传感器网络。将物联网应用于农业生产可促使信息技术和现代农业种植管理互相交融、发展与升级，帮助广大农民节约资源与劳动力，实现精准农业，保证农作物质量。

物联网系统结构包括感知层、网络层与应用层。感知层主要包括数据采集系统、通信系统与信号处理系统，其负责数据采集、通信，通过各种传感器采集环境的各类数据，经过预处理后通过通信网路发送广域网。网络层主要使用互联网与移动通信网等通信传输网络，使感知层收集的数据信息传至应用层。应用层根据实际需求及数据处理结果实现应用控制与系统服务功能。

关于农业物联网，感知层是信息化农业生产的关键所在，其信息采集对象主要包括空气质量、温湿度、土壤成分、水体环境等与农作物生长紧密相关的因素。传输层主要通过多种网络途径将感知层所有信息采集节点采集的各类数据安全精确传送至服务器或客户端上，完成长距离、广范围的大数据通信、分析处理与存储。应用层对采集所得数据进行收集汇总、分析处理、信息共享、决策判断，并建立基于农产品实际需求的应用平台。

为确保物联网系统性能稳定可靠，对感知层所采集信息选择合适的数据融合处理算法，并集中收集传感器数据，以无线方式完成传输，以此提升系统的稳定性与可靠性。与依靠经验判断农产品的生长环境相比，通过传感器自动采集农产品的生长环境因素，并进行合理决策调整，既降低了劳动力投入，又减少了成本，比前者更具客观性与准确性。

2 水肥一体化

水肥一体化技术会根据农产品生长环境所需，通过专业设施将肥料、土壤与水按照合适的比例充分混合，最终以滴灌或浇灌的方式供农产品吸收。由于不同农作物生长特点不同，且所需的水肥比例不同，为打造最适合农作物的生成环境，需区分设计水肥一体化供给系统，以确保水分和肥料按时、科学的传输至农作物。通过水肥一体化的滴灌方式，可有效降低化学药品的使用，提升了水肥的使用效率，进而减少农业用水肥的成本。水肥一体化在我国发展较晚，现阶段仍存在一些问题，例如设备体积大、操作繁琐，需要在仿真应用及管道铺设等方面继续投入大量的调查研究。

我国传统农业化肥用量较大，但肥料利用率较低，农作物无法有效吸收所施肥料，残余肥料甚至会影响土壤结构，降低土壤蓄水功能，进一步造成水资源浪费。故研发精确可靠的水肥一体化系统可提高水肥利用效率，降低农业生产种植成本，避免因过度施肥造成的土壤恶化问题，使农作物更好的吸收养分。

3 物联网技术在农业中的应用现状

物联网技术应用在农业生产环节中时，很大程度上可以提升现代农业系统的发展效率。通过物联网和互联网间的信息集成技术与目前的精准农业生产技术，及相对成熟的农作物生长过程管理机制，为确保农作物及农业生产工作的可靠运行提供准确的数据服务。基于物联网技术的现代化农业所需的人才及资金方面，在政府对现代化农业重点关注之后，也通过技术产业园区对其进行人才及资金方面的扶持。但根据目前的物联网农业完成的信息化进度，仍存在部分遗留问题，亟待解决。

一是根据当前农业信息化发展现状来看，因各地域间的自然环境因素和地区经济体系的差异，导致农业信息化在各地区的发展存在一定不平衡性，使农业信息系统的应用不能形成有效基准，进而造成部分地区的信息需求存在一定程度的差异性，若农业信息的传输不再具备时效性，那么其必会影响农业生产人员的正常劳作需要。

二是现阶段大部分农业体系坚持以区域为中心，在技术层面实行自主研发策略，从物联网标准化层次来看，这造成我国各地域农业现代化发展不平衡不充分，很大程度上限制了农业现代化进程的科学性与准确性，导致后续研发工作缺乏准确的相关信息。故政府部分应发挥宏观调控作用，凭借其主导地位，明确各地区农业现代化发展进程，收集并整合相关数据，实现统一规划协调，确保相关标准的制定与农业现代化的发展一致。

最后，现代化农业体系的建设关键以信息技术为基础完成操作，实现同步传输及共享各种信息，这就要求农业工作者自身应具有一定的知识储备，才可实现物联网农业的一系列操作。在专业技能层次，根据我国目前农业工作者的相关知识储备，大部分农业人员无法适应技术发展体系。故相关农业工作者的技能培训需进一步强化，确保其具备自动化系统的实际操作基础，以提升农业现代化的发展效率。

4 物联网技术在农业中的实际应用

4.1 系统设计层次的应用

基于物联网技术，可有效结合智慧农业系统下的各类信息处理环节，通过各类传感器将数据传递至数据系统中，完成对数据系统的综合分析。利用互联网、物联网，可以实时监控智能农业系统整体的数据运行模式，依靠网络信息传输，提升数据感知能力，以确保农作物生长过程中各类状态数据可被系统精确采集。在现代化农业系统设计过程中，物联网体系框架可将农业系统实现模块化设定，并可利用数据传感技术将各类数据在指定终端存储，提升了数据传输的可靠性，保障了现代化农业体系的完善建设。

4.2 监控层次的应用

在物联网加持下的农业监控系统可实现生产的全流程监控，如对植物的状态信息和空气成分、温湿度等生长环境数据进行分析处理，可对农业工作者提供实时、同步的准确测量数据，可有效节省人力资源。通过物联网传感器网络对农作物生长信息采集，并对比数据库中的参考值，可及时排除植物生长过程中的潜在风险，为工作者的决策提供支持。

4.3 物联网传感器系统的应用

传感器可实现对内部数据进行收集，利用RFID技术对信息进行无线传输，确保了对接过程中的数据可靠性。在云服务技术支持下，通过云平台可实现对大容量数据的采集与处理，避免了数据过度传输导致的冗余问题。并且凭借物品内的二维化信息可通过信息传感技术对其在物联网空间进行结构定位，且可利用这种信号识别提升物联网系统的通信效率。这对于农业来说，农作物及其生长环境信息可真正的为后续的管理工作提供数据支持。

4.4 无线传感器网络子系统的实际应用

目前，无线传感器网络主要服务于农作物环境的远程监控，将各类传感器合理布置在农业生产环境，可实现对整个生产环境信息如温湿度、土壤成分等信息的采集，然后利用无线传感器技术对所采集数据建立数据模型，从而对数据库中的各类信息进行精准分析、整合。当传感器传输的数据存在误差时，可以通过模型及时定位，从而准确地检测出此传感器存在的问题，为农业工作者提供数据支持。

5 基于物联网的智慧远程滴灌技术

本文提出的基于物联网的智能远程滴灌系统，可向农业人员提供农作物生长的各类环境信息，包括土壤湿度、PH值、养分组成、大气成分、氧气浓度等数据，将采集所得数据分析处理并加以管控，使农作物可以得到智能化管理，为农民带来便利。针对不同农作物的生长环境，该模式可实现水肥自动混杂、施水施肥一体化自动操作，自动实现温室遮阳、通风口开闭等过程，为农作物生长提供最适环境。

物联网配置简便、规模大、具有较强的可控性与可靠性。故物联网模式广泛应用于军事和医疗等领域。在实际环境下，物联网的安装维护并不困难，后期维护成本与难度也并不高，为环境的信息采集与分析工作很大程度上提供了便利。

将物联网系统的应用于农业方面，也可充分发挥物联网体系结构的优点。本文设计系统包括土壤信息采集部分、总控部分、通信部分、开关电路部分、管理控制部分、云服务等。系统可对农作物生长环境的各种信息进行自动化分析处理，也可依据特殊情况进行人工处理。依托云平台，实现将所收集数据的分析处理，完成自动控制操作，若有参数超过阈值，则会发出报警信息以示提醒。

总结：基于物联网的农业智慧滴灌技术在现阶段较为新颖，其通过将肥料和水分混合的方式，使肥料持续、有效的滴入农作物根部土壤，在灌溉施肥的同时可有效规避土壤径流的风险，提高水肥的利用效率，并且可以根据周边环境情况、土壤肥力等级、不同农作物生长所需养料不同调节肥料类别与水肥配比，同时可以调节温湿度、降低成本、从根本上改善农产品品质。但现阶段相应系统普及率不高，具有很大的发展空间，如：（1）向针对特定环境、作物的精准农业方向发展，以满足我国各地区不同土壤环境种植农作物的需求，促进农业的现代化和经济化的发展。（2）向设施的标准化、技术的规范化的标准体系发展，实现农业水肥灌溉统一的技术规范，以提升农产品的品质与产量。（3）向规模化、现代产业化发展，以提升农业生产的效率，进一步提高产品的品质质量，推动中国农业向现代化农业发展。