物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉作用研究3篇
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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉作用篇1
摘要：通過基本解釋物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)及其聯(lián)系，闡釋物聯(lián)網(wǎng)能夠運用于節(jié)水灌溉成為智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)，并合理地闡明物聯(lián)網(wǎng)作用于節(jié)水灌溉的基本實例，提出合理性建議，以期促進(jìn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)下智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智慧農(nóng)業(yè)；智能技術(shù)；節(jié)水灌溉；應(yīng)用
網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展便利了人們的生活，促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高。農(nóng)業(yè)的欣欣向榮也離不開日新月異的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)———RFID技術(shù)（無線射頻識別即射頻識別技術(shù)）、傳感技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)主要加速了有關(guān)農(nóng)業(yè)的信息采集、傳輸，并分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)情況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉之中，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，使得科技造福人類的口號得以落實。
1智慧農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
智慧農(nóng)業(yè)，通俗地來說就是給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)穿上裝備—智能技術(shù)，計算機和移動設(shè)備，來使本身的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在原先的基礎(chǔ)上逐步智能化，擺脫完全人工化的操作而形成的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。為達(dá)到用戶目的，使其自動化采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息，智能決策判斷一些網(wǎng)絡(luò)運用的實際問題，許多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)投入使用大數(shù)據(jù)、云技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)人工智能等。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由于其囊括的范圍實在過大，還沒有能夠完全定義其概念，只能在字面上理解為物物相連，發(fā)揮“一加一大于二”的實際作用，其核心其實是依賴于互聯(lián)網(wǎng)之間形成的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，使物聯(lián)網(wǎng)的用戶可以通過復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)便利地交換信息、技術(shù)，突破時間空間的限制，節(jié)約成本，提高利益。
2物聯(lián)網(wǎng)投入智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1RFID技術(shù)
RFID技術(shù)是通過無線電技術(shù)靈敏地對目標(biāo)進(jìn)行檢測，同時準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)并且歸類于射頻識別、通信技術(shù)的一項專業(yè)手段。其由應(yīng)答器、閱讀器和軟件系統(tǒng)共同構(gòu)成，在長距離信息傳輸，短距離傳導(dǎo)，并識別有關(guān)的關(guān)鍵信息中發(fā)揮巨大的作用。RFID技術(shù)在短距離信息傳輸、識別中應(yīng)用效果較佳，經(jīng)應(yīng)答器、閱讀器、軟件系統(tǒng)等構(gòu)成，數(shù)據(jù)記憶容量非常大，抗污染能力較強，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜使用環(huán)境，而且具有耐久性佳、掃描速度快等優(yōu)勢，這在智慧農(nóng)業(yè)之中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。在為節(jié)水灌溉等智慧農(nóng)業(yè)工作時，其內(nèi)部芯片會第一時間把有關(guān)數(shù)據(jù)傳入庫里，閱讀器在其中接受信息，高效自動化地處理復(fù)雜晦澀的問題與數(shù)據(jù)。然后將指令傳遞給后臺操作系統(tǒng)，以完成對數(shù)據(jù)的實時分析、控制和應(yīng)用。
2.2Wi-Fi技術(shù)
Wi-Fi技術(shù)是一項對環(huán)境影響較大的技術(shù)，通常情況下，在公共場合的Wi-Fi技術(shù)輻射范圍在100m左右，這還是在封閉無人的條件下，而在空曠的室外甚至可以輻射在210m以外，得天獨厚的便捷條件使得其廣泛地被運用于農(nóng)業(yè)之中。而說起其輻射范圍和其原理密不可分，Wi-Fi技術(shù)是一種將電子設(shè)備連接到局域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，使多種電子產(chǎn)品上網(wǎng)。除了基本的作用以外，Wi-Fi技術(shù)還能感知重要農(nóng)業(yè)信息，并可有效完成傳輸任務(wù)。這一流程主要是通過信息感受器感知有效信息并收集，后通過Wi-Fi處理技術(shù)，將信息整合收集，傳到應(yīng)用縫隙層，使智慧農(nóng)業(yè)信息得以高效無誤地傳遞。
2.3傳感網(wǎng)技術(shù)
傳感網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前提就是信息的及時采集，信息、通信部件隨機，在這些條件下使其加強聯(lián)系而形成一個獨立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器。其有許多的優(yōu)勢，比如能在復(fù)雜的環(huán)境下保持穩(wěn)定，擁有基礎(chǔ)的傳輸信息能力和儲備功能，還能將自身的能量轉(zhuǎn)化為工作的所需品，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中承擔(dān)著包括物物連接和信息交流的主要任務(wù)。但也存在一定的缺陷，比如單個部件之間傳輸信息量少，且多為隨機，雖然不會造成過大的干擾，但是仍然有進(jìn)步的空間。
3智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架體系
3.1物聯(lián)網(wǎng)的感知層
物聯(lián)網(wǎng)的感知層包括RFID設(shè)備、傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備等。為了滿足基本的信息數(shù)據(jù)采集與檢測，在整個流程里將系統(tǒng)置于上層，提高智能網(wǎng)關(guān)傳輸信息到達(dá)繼電器，控制農(nóng)業(yè)設(shè)備開關(guān)，達(dá)到智能化調(diào)控，監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。而在數(shù)據(jù)收集和感知用戶信息的層面上，使用了Zigbee（物聯(lián)網(wǎng)電能管理系統(tǒng)）和CAN（控制器域網(wǎng)），充分傳輸有效信息進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，再完成上述流程。
3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計
智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及面很廣，主要有智能監(jiān)管、自動調(diào)控系統(tǒng)、信息采集器和智能網(wǎng)關(guān)。每個部分有每個部分的作用，信息采集器可以高效匯集信息，來形成必需的模擬信號。模擬信號將這些信息通過技術(shù)改變成數(shù)字信號。而無線傳輸設(shè)備可以將電磁波信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化。有利的是，無線電傳輸消耗小，能夠通過多端介入Zigbee技術(shù)。而智能網(wǎng)關(guān)主要進(jìn)行處理信息和加工信息的流程。監(jiān)控中心可以將智能網(wǎng)關(guān)處理的信息進(jìn)行更深層次的分析存儲并交由專業(yè)系統(tǒng)審核，保證了流程的科學(xué)性。此時，便于在第一時間將調(diào)控指令發(fā)送于自動控制器，進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)施自動化控制，將現(xiàn)場圖像信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控的效果。
3.3物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面對的對象是使用用戶，為終端用戶服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的目的所在，為了更好地服務(wù)所有的用戶，物聯(lián)網(wǎng)甚至構(gòu)建了平臺以便交流改進(jìn)。在智慧農(nóng)業(yè)方面，物聯(lián)網(wǎng)滲透到監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境、保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程及幫助農(nóng)業(yè)有效對付害蟲侵?jǐn)_的方方面面。應(yīng)用層注重對農(nóng)業(yè)信息最直觀地收納分析，為管理的自動化打下基礎(chǔ)。而管理層面通過實時收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，分享給工作人員，提供合理的決策結(jié)果以輔助工作人員，提高工作效率。
3.4物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層
除了通常網(wǎng)絡(luò)中的WLAN技術(shù)，還包括LAN技術(shù)、CDMA技術(shù)及4G技術(shù)等等。通過這些技術(shù)的相互配合，有效地提高處理整合信息的速度。為了讓物聯(lián)網(wǎng)的客戶更加信任，要對客戶感知的信息進(jìn)行保護(hù)，在保護(hù)用戶隱私的同時，高效完成任務(wù)。
4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用
在一般的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程里，灌溉是重中之重，影響作物的質(zhì)量和周期，影響著生產(chǎn)的利益。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在田間安裝傳感器，實時跟蹤作物的生長習(xí)性，包括所需的濕度水分、土壤要求等。并制定相關(guān)的灌溉措施來穩(wěn)定作物生長，為作物提供更好的生長條件。促進(jìn)農(nóng)作物健康生長，并節(jié)約了水資源。
4.1系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有獨立的檢測體系，這一檢測體系主要是基于傳感器、控制系統(tǒng)和計算機通信技術(shù)而建立的。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括3大部分：一是網(wǎng)絡(luò)控制和感知層，其主要負(fù)責(zé)進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)控制等工作，屬于系統(tǒng)的終端。感知層通過實時對農(nóng)業(yè)用水的實際情況進(jìn)行監(jiān)控，獲得田間環(huán)境信息和作物本身信息。二是數(shù)據(jù)傳輸層。顧名思義，數(shù)據(jù)傳輸層主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，其能夠從感知層中獲取數(shù)據(jù)，并傳送至處理層中。三是數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層將所有的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)匯總，并進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，最后為自動灌溉提供數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。而在農(nóng)田灌溉區(qū)域中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則會對區(qū)域內(nèi)部的所有灌溉設(shè)備進(jìn)行直接控制，并依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所獲取的信息進(jìn)行灌溉設(shè)備的控制，從而實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的自動化。這一功能的實現(xiàn)主要依靠于設(shè)置在灌溉設(shè)備出水口中的控制系統(tǒng)，其具有信號收發(fā)功能和傳感器信息反射功能等。在灌溉指令下達(dá)之后，監(jiān)控室收到了灌溉信息，計算機系統(tǒng)自動下達(dá)指令，灌溉設(shè)備閥門打開，進(jìn)行灌溉。此外，考慮到節(jié)水灌溉的基本需求，整個供水的過程中會設(shè)置報警線，報警線并非固定，而是根據(jù)系統(tǒng)所給出的灌溉水量而決定。當(dāng)出水量達(dá)到最大供應(yīng)值之后，激發(fā)報警線，報警裝置啟動，從而關(guān)閉閥門，而整個灌溉過程也徹底結(jié)束。
4.2網(wǎng)絡(luò)無線傳感器
農(nóng)業(yè)灌溉需要大量水資源，為了更好地利用水資源不形成浪費，在灌溉過程中節(jié)水環(huán)節(jié)很重要，節(jié)水可以運用無線傳感技術(shù)。無線傳感技術(shù)就是將無線個域網(wǎng)自由組合，這種技術(shù)是一種低復(fù)雜度、近距離、低消耗、慢速率且低成本的無線通信技術(shù)，信息容量大，可信度高是這種通信技術(shù)的特點，組成部分有4個，分別是使用層、控制層、物理層和網(wǎng)絡(luò)層。以往的傳輸系統(tǒng)運用有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有成本高、網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、靈活性不強、出現(xiàn)問題時不易解決和推廣性不強等諸多弊端，利用網(wǎng)絡(luò)無線傳感技術(shù)解決了傳統(tǒng)的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的問題，在控制大棚室內(nèi)溫度、空氣濕度和土壤酸堿度方面具有突出貢獻(xiàn)[2]。
4.3物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的供電
從物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的運行原理中可以發(fā)現(xiàn)，其主要依靠無線傳感器實現(xiàn)信息的傳遞，通過無線電磁閥來控制整個網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)本質(zhì)上是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而服務(wù)的，這也意味著其本身具有廣泛性的特征，系統(tǒng)整體的規(guī)模相對較大，故而實際應(yīng)用中需要使用到大量的電力資源。物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的電力供給主要是通過各個組成單元的電池組，傳統(tǒng)的電池組面臨著充電、更換等諸多問題，故而可以在實際中設(shè)置太陽能電池板，只要有陽光就可以重復(fù)利用。此外，節(jié)能措施的選擇也至關(guān)重要?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的運行特征，節(jié)能控制點主要集中在通信設(shè)備降耗和電壓調(diào)節(jié)功率管理方面?？梢圆扇》謪^(qū)域、選擇動態(tài)可控制的技術(shù)。比方說在灌溉完畢的農(nóng)田區(qū)域中，將電磁閥電源和傳感器關(guān)閉，只開放需要的區(qū)域，來實現(xiàn)節(jié)能目的，降低供電需求量。
5系統(tǒng)功能的特點
5.1系統(tǒng)的管理
由于在監(jiān)管的全過程中，各個技術(shù)已經(jīng)形成了系統(tǒng)的流程，物聯(lián)網(wǎng)作為統(tǒng)領(lǐng)在監(jiān)管系統(tǒng)正常運行中也發(fā)揮巨大作用。物聯(lián)網(wǎng)主要是對系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理保護(hù)，確保各項措施穩(wěn)定進(jìn)行，互不干擾。在系統(tǒng)的穩(wěn)定進(jìn)行中，對使用者的賬戶信息、所擁有的財富體系和知識體系進(jìn)行保護(hù)，確保隱私的安全。物聯(lián)網(wǎng)通過把系統(tǒng)分為特別規(guī)定的幾個環(huán)節(jié)，進(jìn)行定點保護(hù)。為確保物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮其最大的作用，要科學(xué)合理對待其不足，定期檢查測驗，對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納。重視用戶隱私的保護(hù)，權(quán)限與信息不可公開，提高準(zhǔn)確性和規(guī)范性[3]。
5.2信息收集查詢與搜索
由于整個過程的信息過于龐大，在不同時間有需要對特定信息進(jìn)行檢索查閱，如何縮短時間也是系統(tǒng)工作的主要一環(huán)。通過將信息歸納為圖標(biāo)、坐標(biāo)等其他方式，來將常用思維和邏輯思維結(jié)合，找到最適合人類尋找的工具模式，在系統(tǒng)上查詢、收集和搜索相關(guān)信息。甚至對每個信息進(jìn)行位置長度寬度的合理定義，用坐標(biāo)軸形式能快速定位，準(zhǔn)確高效率地找到有關(guān)數(shù)據(jù)[4]。
5.3自動化的數(shù)據(jù)收集
由于各項數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過編碼排序，只要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就能自動化為用戶選擇相關(guān)所需的信息，通過終端發(fā)送給用戶。從實際應(yīng)用情況來看，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉系統(tǒng)在自動化數(shù)據(jù)采集方面已經(jīng)較為成熟，基本上可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，可以客觀判斷田間的水分供給情況。即便是在數(shù)據(jù)傳輸方面存在一定的滯后，也并不影響系統(tǒng)整體的正常運行和灌溉效果。
5.4分析相關(guān)數(shù)據(jù)
對于已經(jīng)檢閱出來的相關(guān)數(shù)據(jù)，對其分析利用也頗為重要。在收集到數(shù)據(jù)之后，通過圖像法、坐標(biāo)法等對其進(jìn)行分析，保證穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。合理推算之后再通過系統(tǒng)手段，進(jìn)行二次檢閱，反復(fù)模擬實驗后，再將最終結(jié)果傳入終端，交給用戶和研究者使用[5]。
6結(jié)束語
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在各行各業(yè)都有巨大的影響，當(dāng)之無愧與計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)一起被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)的浪潮。物聯(lián)網(wǎng)，在字面上，也能得知與其他浪潮的不同在于其將物與物之間的聯(lián)系放大，找到人與物、人與人及物與物之間可以相互利用的成分。而農(nóng)業(yè)，作為人類安身立命不可或缺的條件，尤其是世界上許多地方還遭受著溫飽不足的迫害，將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)結(jié)合，通過解放勞動力，對農(nóng)作物的生產(chǎn)流程進(jìn)行管理監(jiān)控，對經(jīng)驗進(jìn)行分析，得出更加先進(jìn)的種植智慧技術(shù)，比如作用于節(jié)水灌溉技術(shù)、科學(xué)施肥和定期除害等方面。而智慧農(nóng)業(yè)里的節(jié)水農(nóng)業(yè)，不光對農(nóng)業(yè)方面產(chǎn)生巨大的影響，對保護(hù)水資源的利用，節(jié)約用水方面也做出了榜樣。避免因為地區(qū)限制而發(fā)生土地鹽堿化，土壤凝結(jié)等危害。其還可以用來疏松土壤，改善土壤的質(zhì)量，側(cè)面上甚至對一個地區(qū)風(fēng)沙治理、涵養(yǎng)水源和保護(hù)環(huán)境起到了重要作用。
作者:張連芝 單位:山東省德州市寧津縣柴胡店鎮(zhèn)人民政府
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉作用篇2
與根據(jù)資料顯示，我國現(xiàn)有的人均耕地面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，僅為其40%；同時數(shù)據(jù)顯示我國人均水資源占有量，也只是世界平均水平的28%。與現(xiàn)代化綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)的灌溉用水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國14億人口農(nóng)產(chǎn)品供給的發(fā)展要求。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須變原有的大水漫灌，為現(xiàn)代化的精細(xì)滴管，只有這樣才能最大限度地利用好農(nóng)業(yè)用水資源，產(chǎn)生最大效益。目前，已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，也為農(nóng)業(yè)精細(xì)灌溉提供了可借鑒的技術(shù)方法。文章所述系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自適應(yīng)噴灌系統(tǒng)與控制中心組成，其設(shè)計遵循農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
1系統(tǒng)原理
通過研究不同農(nóng)作物生長過程中，受哪些環(huán)境因素影響，確定需要物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器的類型，根據(jù)植物特點確定傳感器封裝形式。通過單片機技術(shù)、光譜采集分析技術(shù)、虛擬仿真、數(shù)據(jù)融合等傳感器技術(shù)，開發(fā)土壤密度、水浸情況，葉片含水量等快速傳感設(shè)備；通過現(xiàn)有商用傳感器，并做出適應(yīng)性改造，開展溫度、糖度、pH值等多參數(shù)傳感器進(jìn)行相應(yīng)傳感器和多參數(shù)傳感器小型化集成。采集器能夠采用太陽能供電，并且能保證陰雨天氣可以連續(xù)正常工作至少5天；確保所采集的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、高效地回傳平臺，通過數(shù)據(jù)能夠?qū)φ{(diào)控設(shè)備進(jìn)行策略控制，實現(xiàn)自動化。各類智能檢測采集設(shè)備，需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，同時根據(jù)不同傳感器監(jiān)測所得數(shù)據(jù)特點，規(guī)劃合適的數(shù)據(jù)格式定義，從而為所有數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和高效利用創(chuàng)造條件。數(shù)據(jù)反饋后，需要在處理中心根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)、風(fēng)力數(shù)據(jù)等，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出農(nóng)作物灌溉需求，并將其形成量化數(shù)據(jù)，驅(qū)動農(nóng)作物灌溉機構(gòu)，進(jìn)行精確滴灌作業(yè)，同時將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。為了保障數(shù)據(jù)的實時傳輸，可以通過4G/5G/LORAWAN/NB-IOT等多種有線或無線網(wǎng)絡(luò)搭建物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和灌溉設(shè)施驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，以實時性、可靠性為約束條件，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问降陌踩煽?，無縫連接，最終形成穩(wěn)定的智能化灌溉系統(tǒng)拓?fù)湫问?。提高農(nóng)業(yè)種植全過程監(jiān)測預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、優(yōu)化調(diào)控等過程中的精準(zhǔn)監(jiān)測與決策管理水平。
2系統(tǒng)組成
該應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計由農(nóng)作物種植區(qū)各類邊緣傳感器、數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站、數(shù)據(jù)處理中心、自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)及電力傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。其中，農(nóng)作物種植區(qū)各類邊緣傳感器包括以下兩類：一是環(huán)境因素高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包含田間環(huán)境中的溫度、濕度、土壤水分、土壤養(yǎng)分、光照強度、二氧化碳濃度、土壤含水量等數(shù)據(jù)采集傳感器，二是農(nóng)作物生長監(jiān)控高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包含葉片含水量、溫度、pH值等傳感器。各類傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D采樣后由單片機存儲管理。傳感器采用心跳定時輸出、無線（有線）發(fā)送方式。其核心電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機和2.4G發(fā)射模塊。傳感器供電由電池供電和太陽能供電，兩種方式，確保相關(guān)設(shè)備可以不間斷地工作。數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站主要負(fù)責(zé)整合分散的邊緣傳感器信息，特別是通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)完成各個離散傳感器信息的匯集，同時，裝備微型氣象站功能，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場光照、降水、風(fēng)力信息進(jìn)行采集，之后完成所有數(shù)據(jù)打包，通過有線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)處理中心主要對回傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包分析，同時實時顯示各個傳感器及數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控分站的信息，供農(nóng)業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人員進(jìn)行人工研判或自動形成反饋數(shù)據(jù)。自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心所下發(fā)的數(shù)據(jù)，控制水泵從水源處抽水，并將水泵如各類不同的灌溉管路，完成精細(xì)化灌溉作業(yè)。數(shù)據(jù)及電力傳輸網(wǎng)絡(luò)是整個農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)不同農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，完成有線及無線布線，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问椒€(wěn)定可靠，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷傳輸與灌溉分系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。
2.1MC9S08GT60單片機介紹
MC9S08GT60單片機是飛思卡爾公司的高性能、低成本的八位單片機，它作為該項目中各類邊緣傳感器的數(shù)據(jù)采集與暫存的核心芯片，完成前端的數(shù)據(jù)處理工作。此單片機可以快速執(zhí)行開發(fā)與調(diào)試指令，兼容M68HC08系列調(diào)試指令。可以通過背景調(diào)試控制器，完成針對不同傳感器數(shù)據(jù)的采集編程功能設(shè)計。該型單片機支持在線編程Flash存儲，內(nèi)嵌8通道10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換核，串行接口模塊和I2C總線傳輸，可以實現(xiàn)各項種植環(huán)境及農(nóng)作物數(shù)據(jù)處理需求。
2.2MC13192ZigBee芯片介紹
MC13192ZigBee芯片同為飛思卡爾公司生產(chǎn)的芯片，全面支持IEEE802.15.5協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、短距離數(shù)據(jù)傳輸，可以靈活構(gòu)建Star型或Mesh型網(wǎng)絡(luò)。共有16個通信通道，最大發(fā)射功率3.6dBm。內(nèi)置發(fā)射、接收RAM，每個5MHz帶寬都采用OQPSK傳輸，傳輸速率可達(dá)250kbps,支持三種工作模式。最低接收電平可達(dá)-92dBm。
2.3MC13192與MC9S08GT60連接
MC13192與MC9S08GT60通過SPI技術(shù)建立連接，MC13192同時為MC9S08GT60提供時鐘。PTB口作為MC9S08GT60外部器件接口，模擬串口位于引腳PTB6、PTB7端口，通過接口芯片驅(qū)動外部顯示二極管或其他顯示單元，引腳PTB3作為各種農(nóng)作物種植環(huán)境或植物附加邊緣傳感器的模擬輸入端，通過程序設(shè)定進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。同時將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送MC13192調(diào)制發(fā)射。
3主要傳感器端與控制工作原理
3.1各類邊緣傳感器的工作
田間各類傳感器和農(nóng)作物傳感器，首先需要將個傳感器檢測所得的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量編碼，最后通過ZigBee技術(shù)發(fā)送。MCU中內(nèi)置了10位A/D轉(zhuǎn)換器，對2V電壓的檢測精度可以達(dá)到/210=0.009V，完全可以滿足檢測需要。同時，通過ZigBee平臺以2.4GHzOQPSK方式，將檢測所得數(shù)值變?yōu)?0位數(shù)據(jù)并加入地址碼，進(jìn)行發(fā)射。單片機還可將土壤濕度、環(huán)境溫度等所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，通過傳感器平臺本身的顯示模塊進(jìn)行顯示，可以讓巡查人員實時獲取相關(guān)農(nóng)作物數(shù)據(jù)。
3.2數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站
數(shù)據(jù)中繼監(jiān)控采集分站需要首先根據(jù)傳輸頻率不同對各個邊緣傳感器數(shù)據(jù)分時接收。再根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)判斷，并按照所接收到的不同類型數(shù)據(jù)，實時將數(shù)據(jù)通過MCU打包，再通過MCURS232串行接口傳輸數(shù)據(jù)，并通過串口RJ45轉(zhuǎn)換器經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控主機。
3.3數(shù)據(jù)處理中心
數(shù)據(jù)處理中心通過網(wǎng)絡(luò)，將分布于不同農(nóng)作物種植園區(qū)的中繼監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，同時根據(jù)各個監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并根據(jù)農(nóng)作物灌溉要求，反饋給前端灌溉網(wǎng)絡(luò)，做出相應(yīng)的精細(xì)化灌溉。同時，將所有數(shù)據(jù)匯總記錄在數(shù)據(jù)庫中，便于監(jiān)測分析。如出現(xiàn)有悖于常規(guī)的數(shù)據(jù)閾值，則發(fā)出告警提示，以確保農(nóng)作物種植的智能化管理。
3.4自適應(yīng)智能化灌溉分系統(tǒng)
該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心所發(fā)布的控制指令，控制精密變頻器、抽水泵機、噴淋電磁閥、節(jié)水噴淋頭，對不同農(nóng)作物模擬人工進(jìn)行滴灌、根灌、噴灌，最大限度地節(jié)約灌溉用水，同時也防止根系腐爛等現(xiàn)象出現(xiàn)。
4小結(jié)
文章采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器技術(shù)、智能化自適應(yīng)灌溉網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)智能分析、有線無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，組合構(gòu)建了一套農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化灌溉系統(tǒng)，解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉的精細(xì)化問題。該系統(tǒng)成本低廉、可靠性高，特別適合于中西部缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
作者:吳泰文 姚云飛 孫歆鈺 單位:荊楚理工工學(xué)院
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉作用篇3
農(nóng)業(yè)智能灌溉的實現(xiàn)，少不了農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的支持，而對于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，其功能要想有效實現(xiàn)，便有必要注重現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)在其中的應(yīng)用。比如，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備先進(jìn)的CPU及傳感器硬件設(shè)備，還包括了先進(jìn)的軟件控制程序，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)當(dāng)中有助于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。
1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用概述
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備的先進(jìn)的CPU、傳感器等硬件設(shè)備，同時具備先進(jìn)且穩(wěn)定的軟件控制程序。值得注意的是，在農(nóng)田灌溉生產(chǎn)工作當(dāng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也非常廣泛，且價值顯著。以其中的農(nóng)田灌溉為例，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以土壤墑情數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)自動監(jiān)測采集，然后分析土壤墑情的適宜度，結(jié)合旱情預(yù)測結(jié)果及調(diào)控信息，實現(xiàn)對水資源的合理規(guī)范及科學(xué)調(diào)度。與此同時，利用物聯(lián)網(wǎng)灌溉遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)，可為作出精準(zhǔn)的灌溉決策提供有效依據(jù)，還能夠?qū)喔蕊L(fēng)險進(jìn)行有效預(yù)測、預(yù)警及控制?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的概念角度分析，即以信息傳輸、交換、共享為依據(jù)，使農(nóng)業(yè)實現(xiàn)智能灌溉。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)值得在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用。
2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能灌既系統(tǒng)中的應(yīng)用要點分析
2．1系統(tǒng)簡述
結(jié)合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用機理，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)。在此農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)當(dāng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺中心授權(quán)到農(nóng)業(yè)用戶端，通過相關(guān)運行控制算法的應(yīng)用，實現(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模塊之間的信息交流，即：通過土壤墑情的數(shù)據(jù)自動監(jiān)測采集和土壤墑情適宜度分析，一方面實現(xiàn)旱情預(yù)測與調(diào)控，進(jìn)一步實現(xiàn)水資源規(guī)劃與調(diào)度；另一方面實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉決策與預(yù)測，進(jìn)一步實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)灌溉的遠(yuǎn)程智能控制，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)一體化灌溉決策與控制。值得注意的是，系統(tǒng)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)各接口的管理及服務(wù)功能，控制平臺則對調(diào)控動作進(jìn)行執(zhí)行；總結(jié)起來，此系統(tǒng)由三大功能模塊組成，即：墑情采集功能、灌溉控制功能、控制執(zhí)行功能。
2．2系統(tǒng)硬件分析
農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)需使用的設(shè)備裝置包括：（1）墑情采集裝置，具有多通道、多數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，主要對溫濕度、風(fēng)速進(jìn)行控制；（2）灌溉控制裝置，其控制算法具有多樣性的特點，主要對灌溉的狀態(tài)、時間及方式進(jìn)行控制；（3）直流灌溉控制裝置，主要由直流閥組成，主要對灌慨狀態(tài)、時間及方式進(jìn)行控制；（4）執(zhí)行控制裝置，執(zhí)行和控制一體化，和傳感器或閥門相連接。系統(tǒng)硬件需使用到由電磁閥、變頻器、各傳感器裝置組成的核心控制裝置；值得注意的是，和STM相連接的土壤濕度傳感器裝置，對信號通過有效處理之后，一同匯入至田間智能控制執(zhí)行裝置當(dāng)中，使一個周期的智能灌溉控制及調(diào)節(jié)得到有效完成。
2．3系統(tǒng)軟件分析
該系統(tǒng)使用到的智能灌溉系統(tǒng)軟件，涉及土壤濕度讀取模塊、空氣溫濕度模塊、電機泵控制模塊，其通信功能實現(xiàn)過程為：基于工作狀態(tài)條件下，經(jīng)總線接口、寄存器組、發(fā)送緩沖等分區(qū)，使信號控制模塊得到有效構(gòu)成，其發(fā)送部分添加了DMA控制，與其相對應(yīng)的控制信號及狀態(tài)信號，在緩沖處理之后，傳輸至軟件系統(tǒng)核心部位；進(jìn)一步通過信號狀態(tài)和緩沖處理，使灌溉系統(tǒng)的流量控制得到有效形成，從而使灌溉作業(yè)體現(xiàn)出精準(zhǔn)化的優(yōu)勢。
3結(jié)語
綜上所述，在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，合理、科學(xué)地使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠構(gòu)建完善的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)，一方面實現(xiàn)對灌溉狀態(tài)、時間以及方式的控制，另一方面則可獲取灌溉過程的土壤濕度、空氣溫濕度、電機泵控制等相關(guān)信息數(shù)據(jù)，為作出精準(zhǔn)的灌溉決策提供客觀、科學(xué)的參考依據(jù)。由此可見，在農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)值得借鑒及應(yīng)用，在其應(yīng)用過程中，需注重硬件功能和軟件功能的實現(xiàn)，使農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的價值作用，進(jìn)一步為農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)工作效率及質(zhì)量的提升提供有效價值建議。
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作者:胡楊昊 單位:湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
