物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的應(yīng)用范文

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摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合是推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要驅(qū)動力，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展長期關(guān)注的重點。為了有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水的效率，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本原理和體系結(jié)構(gòu)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉網(wǎng)絡(luò)體系，重點研究了體系結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)感知及控制、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)終端處理3個網(wǎng)絡(luò)層，并探討了其未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)業(yè)節(jié)水；網(wǎng)絡(luò)體系；數(shù)據(jù)感知

1概述

物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。當時基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)和EPC標準，在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等構(gòu)造了一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)“Internetofthings”（簡稱“物聯(lián)網(wǎng)”）。2009-08，總理在政府工作報告中提出“感知中國”，至此，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，而物聯(lián)網(wǎng)在我國也受到了極大的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景，在軍事國防、城市管理、家庭醫(yī)療、電子商務(wù)、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展很快，已成為加快發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑，是農(nóng)業(yè)工程研究的熱點和難點。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程中的節(jié)水灌溉領(lǐng)域可以方便勞作者對農(nóng)業(yè)灌溉的管理，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的信息平臺可以與外界進行信息交流，從中獲得先進的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式，改變傳統(tǒng)落后的農(nóng)業(yè)灌溉方式，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

2物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)就是將傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當中，存在能力超級強大的中心計算機群，它能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進行實時的管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物物通信，就必須要對物體上的信息進行準確、實時的監(jiān)測、采集，并將其傳輸?shù)浇K端上。而對于信息的感知，可以采用2種方法：①利用RFID射頻技術(shù)在感知對象上貼上標簽，以對信息進行識別和采集，并將信息傳送到RFID系統(tǒng)中的計算機信息管理系統(tǒng)中；②將傳感器節(jié)點嵌入到需要關(guān)注和采集信息的地點或物體中，通過具有傳感、信號處理的無線信息采集節(jié)點、匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，再借助Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信[1-2]。

3基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉監(jiān)測體系是一種基于傳感器、控制、嵌入式計算機和通信等技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為3個網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測信息采集及控制終端，即網(wǎng)絡(luò)感知和控制層，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸層，數(shù)據(jù)終端處理層。

3.2網(wǎng)絡(luò)感知和控制層

土壤水分是植物水分的直接來源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的土壤信息之一，植物吸收土壤中的水分、有機質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)來生長。土壤水分含量對植物生長有直接的影響，同時，土壤水分和養(yǎng)分也是植物自然生長條件中可以人為調(diào)控的2個重要因素，因此，土壤水分監(jiān)測在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉決策中具有重要的現(xiàn)實意義。網(wǎng)絡(luò)感知和控制層主要是通過數(shù)據(jù)對土壤水分進行量化。分布在監(jiān)測控制區(qū)內(nèi)每個角落的傳感信息節(jié)點定時監(jiān)測監(jiān)測區(qū)域的土壤水分，并將采集到的信息在節(jié)點內(nèi)進行初步處理后，沿著其他節(jié)點逐步傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過Internet或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)傳輸線將信息傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對信息進行處理分析，并根據(jù)有關(guān)決策發(fā)出控制命令，以控制相應(yīng)的灌溉設(shè)備開啟或關(guān)閉[3-4]。在微處理器方面，可以選用CC2530。CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標準的增強型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8-KBRAM和許多其他強大的功能，它具有不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。而運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案；CC2530F64結(jié)合德州儀器的黃金單元RemoTI，提供了一個強大和完整的ZigBeeRF4CE遠程控制解決方案。CC2530微處理器模塊如圖8所示。在灌溉設(shè)備控制方面，可以選用繼電器控制灌溉設(shè)備的通電和斷電，也可以采用電磁閥控制管道水的流通和關(guān)閉。

3.3數(shù)據(jù)傳輸層

這層的功能是將匯聚節(jié)點傳輸來的信息，通過無線通信技術(shù)傳送至網(wǎng)關(guān)，并結(jié)合合理、有效的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，將數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)娇刂浦行摹＾r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息無線傳輸與工業(yè)差別比較大，農(nóng)作物生長環(huán)境復(fù)雜，不僅氣候?qū)o線通信有影響，而且隨著作物生長狀況的不斷變化，也容易對無線傳輸產(chǎn)生嚴重的影響。農(nóng)業(yè)信息獲取在時效性上要求不高，傳輸過程中的稍許延時對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不大。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)主要包括ZigBee技術(shù)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、GPRS和藍牙等傳輸方式[3-10]。ZigBee技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性、安全性好和實現(xiàn)成本低等特點，在工業(yè)控制、家庭自動化和農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。ZigBee技術(shù)在短距離、低傳輸速率的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)手持式儀器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息采集節(jié)點等信息的傳輸方面也得到了廣泛應(yīng)用[3-10]。WiFi無線傳輸技術(shù)充分利用現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)資源，有效地延長了無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離，擴大了覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強、傳輸帶寬寬、傳輸速度快和標準化等優(yōu)點，使得WiFi無線傳輸技術(shù)在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于智能工業(yè)、智能家居和精細農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3-10]。GPRS是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，它具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸和自如切換等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于手持式儀器設(shè)備和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。GPRS無距離限制，但需要通信費用[3-10]。藍牙無線傳輸技術(shù)是一種短距離無線通訊技術(shù)，帶藍牙功能的設(shè)備之間可以通過藍牙連接起來，傳輸速度可以達到1MB/s，而且不容易受到外界干擾源的影響，使用的頻譜在各國都不受限制。因此，藍牙無線傳輸技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力比較大[3-10]。這4種作為物聯(lián)網(wǎng)常用的通信方式各有特點，在不同的應(yīng)用場景下可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚長避短，同時，也可以將這4種通信方式組合起來，達到高效、遠程傳輸?shù)哪康摹?/p>

3.4數(shù)據(jù)終端處理層

數(shù)據(jù)終端處理層是傳輸信息的終端，即控制終端。系統(tǒng)的監(jiān)測中心將收集到的數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺。此時，用戶根據(jù)所獲得的土壤濕度信息數(shù)據(jù)和有關(guān)決策確定是否發(fā)送開啟灌溉設(shè)備的命令。同時，控制終端將數(shù)據(jù)采集終端采集到的經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，人們要想了解農(nóng)作物生長環(huán)境的土壤濕度參數(shù)，就要去數(shù)據(jù)庫中提取。為了方便，可簡化讀取數(shù)據(jù)，在控制終端上設(shè)計可顯示界面編程，使人們更加直觀地完成操作管理。

4創(chuàng)新驅(qū)動形勢下趨勢分析與展望

4.1軟件和服務(wù)

成為核心在互聯(lián)網(wǎng)＋時代，軟件和服務(wù)將成為未來智能農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的核心，農(nóng)民可以不用完全掌握有關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉的技術(shù)，而通過信息的推送和專業(yè)的服務(wù)直接獲得決策信息，實現(xiàn)真正的硬件操作“傻瓜化”向軟件決策服務(wù)“傻瓜化”過渡。同時，用戶不需要類似于電腦和服務(wù)器的硬件設(shè)施投入以維持自身監(jiān)控系統(tǒng)的完整性，利用發(fā)達的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便可以感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)，通過云平臺的專業(yè)決策服務(wù)為用戶的智能手機終端直接推送信息，為用戶節(jié)約了大量的成本，用戶可以像購買水電服務(wù)一樣購買資源和服務(wù)，而不需要自己擁有這些資源[9-10]。

4.2大數(shù)據(jù)加連接

對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)，政府、企業(yè)、基地都做了大量的工作，收集了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但無論從區(qū)域角度，還是從應(yīng)用主體角度，由于沒有連接，數(shù)據(jù)都沒有被有效利用，信息孤島化的情況普遍存在。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的廣度、深度和密度的不斷增加，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)將實現(xiàn)充分連接和共享，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以更加宏觀和全面地發(fā)掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理規(guī)律，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值。針對農(nóng)業(yè)節(jié)水，全面、完整的大數(shù)據(jù)分析可實現(xiàn)對水資源分布、提、引、輸、灌、排等用水信息和地塊、種植類型、灌溉方式等農(nóng)事信息的全方位掌握，根據(jù)這些信息可以對用水主體用水過程中存在的問題提出更加合理的解決方案[9-10]。

4.3利用關(guān)聯(lián)關(guān)系，決策到預(yù)測轉(zhuǎn)變

農(nóng)業(yè)需水信息的決策取決于作物生理信息、氣象信息和遙感信息等多種因素，這充分體現(xiàn)了灌溉決策中的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在農(nóng)業(yè)節(jié)水中，蒸發(fā)蒸騰量的灌溉決策方法，就是利用關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)進行需水信息預(yù)測的典型例證[11]。未來關(guān)聯(lián)信息將更加廣泛，比如區(qū)域水文水利基礎(chǔ)信息、水資源配置信息、區(qū)域種植類型及地塊分布、局部氣象信息等。基于上述信息對未來農(nóng)業(yè)用水、灌溉計劃的預(yù)測，不僅有利于對水資源的合理優(yōu)化配置，實現(xiàn)真正的“以水定地、以水定產(chǎn)”，也有利于抗旱減災(zāi)的提前防范，減少事后損失[9-10]。

5結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)從示范到具體應(yīng)用搭建了一個很好的系統(tǒng)框架。本文簡要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)內(nèi)容，而后搭建了基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)架構(gòu)，并重點分析和研究了系統(tǒng)中各個網(wǎng)絡(luò)層次功能、特性以及各種有關(guān)監(jiān)測技術(shù)，對未來發(fā)展趨勢進行了討論。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實際應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，會有效減少水資源的浪費，對保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要影響。

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作者：王連勝1；夏冬艷2；汪源1；丁學(xué)用1 單位：1.三亞學(xué)院理工學(xué)院，2.三亞學(xué)院財經(jīng)學(xué)院