智慧農業下的灌溉無線通信技術應用

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摘要：我國水資源日益緊張，在保收增收的前提下實現科學灌溉、合理利用水資源成為當前我國農業發展的重要挑戰。文章通過對比國內外關于無線通信技術灌溉研究的現狀，對我國關于普及智慧農業的背景、政策依據進行簡單列舉，對無線通信技術在灌溉中的實踐應用進行探究，分析當前無線通信技術在智慧農業灌溉中的實踐應用內容和系統設計。

關鍵詞：智慧農業；無線通信技術；智能灌溉技術

當前我國農業發展正處在轉型的重要階段，灌溉技術對農田生產質量有重要的影響。目前我國農田灌溉與科技的融合度較低，灌溉技術陳舊、灌溉效率低是我國智慧農業建設的主要問題。因此，在智慧農業視角下，研究無線通信技術在灌溉中的實踐應用有重要的現實意義。

1國內外關于無線通信技術灌溉的研究

1.1國外關于無線通信技術灌溉的研究

國外關于無線通信技術灌溉的研究做得較為出色的是美國、以色列，農業灌溉在無線通信技術的幫助下已逐漸實現智能化，降低了人們在灌溉中的勞動成本、時間成本。在農業灌溉智能化較為先進的國家中，相關技術灌溉功能十分豐富，美國的雨鳥（RainBird）公司已經針對農業滴灌技術發明了130多項聯邦專利，生產了4000多種噴灌和微灌設備，根據具體的應用出品了IQ-Cloud智能管理軟件，便于用戶在不同平臺、設備和地點對智能灌溉系統進行實時管理。以色列作為中東地區的國家，土壤沙化的問題較為嚴重，農業灌溉技術側重于開源節流，一些農業技術設備公司的產品研發，均十分重視灌溉產品中節水功能的開發與其他設備功能的兼容性，在灌溉技術上實現全程自動化的智能灌溉系統[1]。

1.2國內關于無線通信技術灌溉的研究

20世紀50年代，我國從國外引進了節水灌溉技術和設備，這些技術和設備在20世紀90年代得到了廣泛的應用。與國外相比，我國的自動灌溉控制系統智能化水平較低，我國未生產可實現智能化的無線通信灌溉的產品。目前我國無線傳感網絡技術在農業灌溉領域的研究取得了一定成果，如無錫市將智能農業物聯網檢測系統應用在水蜜桃郵寄基地，在桃林中安置傳感器和微型氣象站，實時采集水蜜桃生長環境的溫度、濕度、光照強度等信息。我國農業用水的有效利用率遠低于歐洲等發達國家水平，且我國無線通信技術在農業灌溉中的應用，存在智能化較弱、系統性較差、不及時等缺陷。現階段，灌溉產品在我國已得到了更廣泛的應用，但設備儀器間的對接未脫離人工的監測和操作，設備的功能仍不夠精密、便捷。

2智慧農業的研究背景和依據

在當前水資源需求日益增加的背景下，水資源的缺乏會制約我國農業經濟發展的步伐。國家發改委、科技部、建設部、農業農村部、水利部聯合《中國節水技術政策大綱》明確指出：發展高效節水型農業是國家的基本戰略，改進田間灌水技術是農業節水的重點；鼓勵應用精準控制灌溉技術；提倡適時、適量灌溉；加強農作物水分生理特性和需水規律研究；積極研究作物生長與土壤水分、土壤養分、空氣濕度、大氣溫度等環境因素的關系。水利部于2018年《關于深化農田水利改革的通知》，其中明確提到應采取科學的方式節約用水及進行合理灌溉，實施水權改革和水權交易，開發地下水資源，為我國農業水資源的管理、科學節水灌溉提供支持和依據[2]。

3無線通信技術在智慧農業灌溉中的實踐應用

3.1實踐應用目的

通過無線通信技術在智慧農業灌溉中的不斷深入和精進，可以幫助農業灌溉節約用水，緩解水資源緊張、農田灌溉浪費的現象；幫助農戶提高農田信息數據實時準確收集功能、農作物單位面積產量、農民智慧農業技術操作常識；加強農田作物的灌溉效率，降低無線通信灌溉技術的使用和維修成本，使每一個農戶均愿意且有能力使用無線通信灌溉技術，實現智慧農業的美好愿景。

3.2實踐應用標準

嚴格執行《農業灌溉設備電動或電控灌溉機械的電氣設備和布線》（GB/T18025—2000）、《農業灌溉設備、滴頭技術規范和試驗方法》（GB/T17187—1997）和《塑料節水灌溉器材內鑲式滴灌管、帶》（GB/T19812.3—2008）等國家標準，依照《農業灌溉設備、滴頭技術規范和試驗方法》（GB/T17187—1997）和《塑料節水灌溉器材內鑲式滴灌管、帶》（GB/T19812.3—2008）選擇管路、滴頭。（1）土壤濕度傳感器。測量范圍：0~100%；測量精度：±2%；動態響應：<2s；工作電壓：DC5V；工作電流：<1mA；工作溫度范圍：-35~75℃，密封材料完全防水。（2）溫度傳感器。溫度范圍：-35~75℃；精度：±3℃；分辨率：0.5dpi；電源電壓：DC5V；電流：250μA（連續轉換模式）、0.1μA（關斷模式）（3）光照傳感器。光照范圍：1~200klx；測量精度：±5%；光譜范圍：400~1100nm（敏感區域集中在植物生長所需自然光譜內反應）；時間：小于2s；轉換公式：光照=（V/0.01）klx；光照=[(1-4)×200/16]klux；工作電壓：DC5V；靜態功耗：1mA；工作溫度范圍：-35~75℃；輸出負載：100Ω。

3.3實踐應用問題

無線通信技術灌溉設備的使用需要資金與專業技術型人才的支持，普通的農戶沒有足夠的資金支持，對灌溉設備系統功能沒有詳盡了解。無線灌溉技術設備機能易產生過度損耗，在使用過程中若出現故障，更換新設備或維修原有設備的故障均需要耗費一定成本，且對農業耕作造成一定影響。因此，在實際操作過程中，需要對土壤、空氣、水質進行檢測匯總[3]。

4無線通信技術在智慧農業灌溉中的系統設計

4.1調整無線灌溉系統的整體功能結構

針對我國水資源在農業灌溉中無法合理利用的問題，應及時調整無線灌溉系統的整體功能結構，適應當前農業發展向智能化轉換的趨勢，一臺能夠適應實際生產操作的智能設備應同時符合用戶、農田和內部數據計算的要求。首先，應充分更新用戶操作界面中的功能，豐富實際操作中需要使用的檢測、數據傳輸、傳感、控制等功能，促使無線灌溉設備的用戶操作更加流暢、便捷。其次，應加強無線灌溉系統的通信功能測試，避免使環境的距離、信號、溫度、濕度、噪聲、氣壓對檢測設備造成影響，干擾檢測結果。最后，應對設備內部系統的后臺運算功能進行優化，根據操作進行近期的系統優化，加強前段操作對農田監測的控制能力，節約人力成本，實現農田質量可視化的智慧型農田灌溉[4]。

4.2無限灌溉系統設計

LoRa技術的土壤墑情實時監測控制系統是具有推廣前景的一項無線通信技術，根據實際應用的需求，可以通過節點、網關、服務器實現農業種植場地的環境參數的實時采集、智能預警，掌握農作物生長環境狀態，與自動灌溉系統協作，調節適合農作物生長的最佳土壤環境。LoRa最高的接收靈敏度改善了20dBm以上，確保了網絡連接的可靠性，降低了功耗；使用線性調頻擴頻調制技術，保持了像FSK（頻移鍵控）調制相同的低功耗特性，增加了通信距離，提高網絡效率，消除干擾。研發的集中器/網關（Concentrator/Gate-way）可并行接收并處理多個節點的數據，擴展系統容量，具有低成本、高效率的優勢，能夠促使轉換電路的設計和調試更為便捷。LoRa無線通信灌溉系統結構如圖1所示。

4.3研究目標

（1）監測農作物土壤環境，有效提高農業灌溉用水利用率達到90%以上，在緩解干旱缺水問題的基礎上有效減少水資源的消耗。（2）充分優化決策體系結構，通過對節點匯聚的數據進行分析，得出監測結論，通過控制系統應用于操作，提供決策流程可視化，使用戶更全面了解灌溉決策的具體情況，實現農田作物精準灌溉，提高農作物單位面積產量20%左右。（3）分析田間種植環境對無線信道傳播特性的影響，為LoRaWAN組網模型在不同應用環境中節點的部署方法提供依據，實現土壤墑情實時監測，適應智慧農業發展。（5）設計多種傳感器節點數據融合技術，可根據作物生長特點、耕作環境條件的具體情況對農田狀態進行分析，基于無線通信網絡的特點，對各節點傳感器進行調試，在操作前段記錄調試數據，改進數據采集系統，最終得到完整的LoRa網組模型技術方案。

5無線灌溉系統在農業應用展望

雖然我國農田糧食生產量已能夠滿足我國人民的需求，但是作為決定農田產量的眾多因素之一，我國農業的灌溉技術仍處在起步階段。我國的用水效率遠低于發達國家，我國水資源占全球水資源總量的6%，農業的用水需求不可忽視，因此，應提升我國智慧農業中灌溉技術的智能化應用。當前我國農業自動化、信息化、產業化的步伐逐步加快，計算機技術、電子通信技術、傳感器技術、自動控制技術等為智慧農業提供有效支撐，可降低我國農田灌溉的成本，科學提高農田產量，解放農村勞動力，實現智慧生產、智能銷售，將農業與我國當前的市場經濟有效結合。

6結語

由于農業操作的特殊性和設備調試的復雜性，我國無線通信技術在農業灌溉中的應用有所局限，因此，應實現無線通信技術在灌溉中的智能化應用，研究團隊應結合灌溉的具體效率，對設備的功能進行反復試驗和測試，綜合農業灌溉多元需求，使設備具備自行運轉能力，完善農業生產的智慧型功能，推進農業生產的智慧型建設。

參考文獻

[1]李博文.基于物聯網的農業灌溉控制管理系統設計與實現[D].鄭州：戰略支持部隊信息工程大學，2019.

[2]陳曉棟.基于物聯網的谷子大田苗青檢測與管理技術研究[D].晉中：山西農業大學，2015.

[3]肖增瑞.智慧農業系統設計及實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2016.

[4]周渝.農業多機器人系統無線通信技術研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2014.

作者：李靜 單位：河南工學院電子信息工程學院