胡 煒

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000）

近年來，我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)安全和生態(tài)平衡方面出現(xiàn)了更大的壓力。農(nóng)業(yè)發(fā)展的未來面臨新的挑戰(zhàn)，需要提高資源的合理利用效率、切實重視維護生態(tài)平衡、注重可持續(xù)發(fā)展的趨勢。打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的新思想，發(fā)展新農(nóng)業(yè)，推進生態(tài)文明建設(shè)，更需繼承和提高生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等高新技術(shù)，切實推進智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展?！笆濉币?guī)劃中涉及到的智慧農(nóng)業(yè)能更好地完成農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新推廣體系建設(shè)，還能提高農(nóng)業(yè)和信息技術(shù)的結(jié)合程度，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平?！蛾P(guān)于印發(fā)全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020年）的通知》提到要提高信息化農(nóng)業(yè)結(jié)合的效果，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備在農(nóng)村使用程度，同時還確定了相關(guān)的目標(biāo)，需在2020年將物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)作用在農(nóng)業(yè)中的比例提高到17%。

傳統(tǒng)的灌溉方式大多通過人為判斷而非從作物本身的需要和農(nóng)田的蒸騰量等方面來補充水分，既損耗了大量的人工成本，又嚴(yán)重浪費了水資源和肥料，所以，無法滿足新型農(nóng)業(yè)需求。建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)手段，可深入了解作物需要，從而進行精準(zhǔn)灌溉，讓作物獲得更好的生長環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能性，促進農(nóng)田的精準(zhǔn)化管理。

1 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

我國地域遼闊，南北地區(qū)差異較大、氣候不同，作物類型豐富，不同的作物在不同的時期對水分的需求量不同。近些年來，雖然傳統(tǒng)灌溉技術(shù)得到不斷發(fā)展，現(xiàn)代灌溉技術(shù)得到了逐步完善，使得國內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉取得了更大的成績，但是當(dāng)前的農(nóng)業(yè)灌溉仍然不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。為了全方位提高智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的整體效果，就需要智能感知節(jié)點、現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、控制方式等諸多方面提供支撐。在設(shè)計智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)時，要結(jié)合當(dāng)前的市場需求，將物聯(lián)網(wǎng)等諸多技術(shù)結(jié)合到系統(tǒng)中成為該系統(tǒng)的最大特點。

1.1.1 實用性

當(dāng)前國內(nèi)大部分農(nóng)民的技術(shù)水平相對較低，設(shè)計智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，要非常重視實用性的原則。對于智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，需要具備便利的操作，打破地域的限制，實現(xiàn)一人種植萬畝（1畝=0.067 hm2，下同）的局面，大大減少勞動力損耗。

1.1.2 實時性

農(nóng)業(yè)大田相對于大棚環(huán)境而言是開放空間，極易受外部影響。因此，要充分結(jié)合無線傳輸技術(shù)和傳感器技術(shù)，實現(xiàn)將農(nóng)業(yè)大田數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯χ行?，為此后的處理帶來保障?/p>

1.1.3 記憶性

農(nóng)業(yè)大田需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)量多，數(shù)據(jù)存儲要求高，這是實現(xiàn)農(nóng)田智能化管理的要點。

1.1.4 可靠性

在智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中有效利用無線傳輸和傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)各個傳感采集節(jié)點和集控中心數(shù)據(jù)的雙向交流，這種方式能更好地提升整個灌溉網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.1.5 智能化

智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)能在人力更少的情況下實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，同時還能滿足作物自身生長的需求，實現(xiàn)用最少的水資源達到最好的灌溉效果。這樣既能讓作物得到更好的生長，同時還減少了水源的損耗，系統(tǒng)也更加智能化。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)主要作用在大面積農(nóng)田灌溉上，設(shè)計初衷是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧灌溉。該系統(tǒng)中應(yīng)用了無線傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲、調(diào)用、篩選、智能化處理等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)還包含了數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)存儲層、灌溉應(yīng)用層等很多方面。

1.2.1 數(shù)據(jù)感知層

在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)感知層屬于底層。該層的作用是全方位感知，為系統(tǒng)收集原始數(shù)據(jù)，需要由無線傳輸技術(shù)和傳感技術(shù)共同支撐，實現(xiàn)消耗低、效率高、穩(wěn)定性強、性價比高、操作便利等方面的目的，從技術(shù)和科學(xué)性能方面為精準(zhǔn)灌溉提供根據(jù)。這個層面的作用包含傳感器的信息采集、傳遞灌溉指令等，以便實現(xiàn)為農(nóng)作物精準(zhǔn)和高效的灌溉。

1.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)層

該層包含局域網(wǎng)系統(tǒng)、廣域網(wǎng)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，并且與數(shù)據(jù)感知層緊密結(jié)合，繼而收集上一層的傳感器信息并高效地傳遞到數(shù)據(jù)存儲層，同時將灌溉應(yīng)用層的決策及時反饋到數(shù)據(jù)感知層，確保灌溉更高效、更準(zhǔn)確。另外，該系統(tǒng)具有極強的穩(wěn)定性、廣泛性、兼容性等特性，能突破空間的限制，實現(xiàn)作物種植和管理的便利性，還能了解到農(nóng)田作物的實際情況。

1.2.3 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層能為無線網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)做相關(guān)的完善和管理工作。一般情況下，數(shù)據(jù)傳輸層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)感知層的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)等。而該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲層和管理中的數(shù)據(jù)也有具體的類型，其中就包括從農(nóng)田收集得來的數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)等。

1.2.4 灌溉應(yīng)用層

灌溉應(yīng)用層是這個系統(tǒng)中的主要層。該層可以高效、及時、準(zhǔn)確地執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲層所傳遞出來的數(shù)據(jù)，并且還會根據(jù)結(jié)果來傳遞指令，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大田的自動灌溉。通過智能算法，在灌溉時間、灌溉量、施肥量、灌溉次數(shù)、灌溉方法等方面形成指令，并借助無線網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綌?shù)據(jù)感知層，以此來進行控制，實現(xiàn)智能化控制。

1.2.5 人機交互層

顧名思義，人機交互層就是讓智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)和使用者形成交互，在實際的交互中借助于上位機和手機app 來實現(xiàn)，讓使用者自主完成數(shù)據(jù)的管理。此外，使用者還可以從現(xiàn)實情況出發(fā)，重新規(guī)劃有關(guān)信息內(nèi)容，如灌溉策略、系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運狀態(tài)等。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)所包含的功能模塊有實時信息監(jiān)測子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、歷史及實時數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、實時灌溉預(yù)報及渠系動態(tài)配水子系統(tǒng)、閘門監(jiān)測控制子系統(tǒng)、文件管理子系統(tǒng)等六大模塊。

1.3.1 實時信息監(jiān)測

信息監(jiān)測包含了對整個農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的各個類型信息進行布局監(jiān)測，監(jiān)測點類型包含田間水層、土壤墑情、渠道水位、氣象信息、作物信息等。

1.3.2 信息通訊

針對監(jiān)測點的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時還借助于GPRS技術(shù)完成信號的傳輸，并上傳到服務(wù)器端口的模塊上。

1.3.3 歷史及實時數(shù)據(jù)管理

將監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行展示。在展示方式上，實時數(shù)據(jù)要借助于地圖標(biāo)準(zhǔn)和表格來展示，歷史數(shù)據(jù)借助于折線圖和表格來展示。

1.3.4 實時灌溉預(yù)報及渠系動態(tài)配水

從各種類型的信息中完成實時灌溉預(yù)報，其中就包含天氣預(yù)報、參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0 預(yù)報、田間水層預(yù)報和灌水預(yù)報。在中國天氣網(wǎng)上獲取天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)，將天氣預(yù)報數(shù)據(jù)和2種模型計算ET0，從水平衡原理中得到灌溉預(yù)報，根據(jù)預(yù)報結(jié)果設(shè)置渠系動態(tài)配水，從而建立渠系配水結(jié)果表。

1.3.5 閘門監(jiān)測控制

從渠系配水結(jié)果上完成閘門啟閉的控制，并且還要檢測閘門的相關(guān)信息，如閘前水位、流量等信息內(nèi)容。

1.3.6 文件管理

針對系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的信息進行管理，如基礎(chǔ)信息、監(jiān)測信息、預(yù)報信息、配水信息等都要以圖表文件的形式下載和打印下來，以便實現(xiàn)灌溉區(qū)用水調(diào)度的文件管理。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

從系統(tǒng)功能和信息類別上將數(shù)據(jù)庫劃分為監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、決策數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測點中的歷史數(shù)據(jù)表、實時數(shù)據(jù)表、基礎(chǔ)信息表，而基本信息表存儲監(jiān)測點的地理位置、名稱等內(nèi)容。決策數(shù)據(jù)庫包括的內(nèi)容有歷史天氣預(yù)報表、灌溉預(yù)報表、渠系配水表?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫包含的方面比較多，如灌區(qū)工程情況表、用戶信息表、實時灌溉預(yù)報、渠系動態(tài)配水模型中所需要的基本參數(shù)。

2 結(jié)語

本文研究的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是大數(shù)據(jù)時代基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，能切實推動當(dāng)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效連接了農(nóng)作物灌溉設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)，借助于數(shù)據(jù)傳播的媒介實現(xiàn)通訊目的，對灌溉設(shè)備實行遠(yuǎn)程控制，其目的在于節(jié)約水資源，實現(xiàn)科學(xué)灌溉的需要。同時，該系統(tǒng)還要借助傳感器來收集和農(nóng)業(yè)灌溉有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，從農(nóng)作物生長的實際情況來完成在線監(jiān)測，而且還能獲得統(tǒng)計報表，為農(nóng)民提供適合的灌溉方案，為優(yōu)化灌溉系統(tǒng)提供了根據(jù)。此外，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)業(yè)灌溉實行環(huán)保、節(jié)能、高效的一體化管理方式，也能優(yōu)化人與農(nóng)業(yè)、生態(tài)、經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的局面。