物联网技术在智慧农业节水灌溉中的应用

吕庆军，钟闻宇，由浩良

（吉林农业科技学院，吉林 吉林132101）

我国是传统的农业大国，农业问题一直是国家高度重视的发展问题。为了加快我国的农业发展，有力地推动我国农业模式由传统型农业转变为智慧型农业，进一步解放我国农业的生产力，近年来我国正在大力推进物联网等先进技术在农业生产过程中的应用。

在智慧农业的建设过程中，众多现实问题极大地限制了智慧农业的发展。其中节水灌溉的问题是限制我国智慧农业发展的主要问题之一。农业灌溉是农业生产中的关键部分，不解决节水灌溉问题，智慧农业的生产模式便无法真正落实。

1 节水灌溉问题的社会背景

每年我国用于农业灌溉的水资源约占我国总用水量的80%。虽然我国的水资源总量较为丰富，但是用于农业灌溉的水资源却依然存在较大的缺口。同时，我国农业在灌溉过程中还存在较为严重的浪费情况。这是由于我国农业的灌溉技术水平较低，对水资源的利用率也远低于世界先进水平，进而导致大量的水资源在农业灌溉中无法得到充分的利用。低下的农业灌溉效率严重制约了我国农业的现代化发展。因此，实行节水灌溉是我国农业发展过程中一项势在必行的工作任务。

2 智慧农业的现状和农业物联网的基本架构

2.1 智慧农业的现状

随着网络技术在我国农村的普及，以物联网技术为代表的现代科技正在大量应用于农业生产活动中，从而改变了传统农业的生产方式，进而诞生了智慧农业。智慧农业需要采集整理传统农业中的生产技术和经验，并依靠物联网实现各种生产信息的整合共享，从而提升了农业的生产效率。

在我国，农业物联网正处于快速发展的阶段，我国多个省市正在进行农业物联网的试验运行，以促进物联网与农业生产的深度结合。目前，随着农业物联网的应用，我国农业生产中的种植、收获及销售活动已经基本实现了现代化信息管理，可以合理地配置生产过程中的各种农业资源。

2.2 农业物联网的基本架构

农业物联网的应用主要依靠信息化的监控网络实现。在监控网络中存在大量的传感器节点，人们可以通过传感器进行土壤信息、气候信息的采集工作，确保农民可以及时准确地掌握各种与农业生产相关的重要信息，从而帮助农民及时发现并解决农业生产中的各种问题。物联网技术与农业生产的结合，改变传统的以人和机械为中心的农业生产模式，使得农业生产的中心变为了信息软件。通过信息软件，可以将农业生产中的各种自动化的机械设备联合起来，初步实现农业智能化和自动化的生产。

从技术层面上分析农业物联网的架构，可以将农业物联网看作是由感知层、网络层和应用层这三种结构层次所组成的。农业物联网的感知层借助科技设备可以实现对各种物体的识别，采集农业生产信息，具体包括各种专业的检测传感器及其组成的传感器网络。例如，有检测二氧化碳浓度的，有检测温度与湿度的，还有监控摄像头等等。农业物联网的网络层则是负责各种已获取信息的传递与处理。这层结构是由各种局域网、通信网、互联网，以及相关的网络管理平台构成的。而应用层则是负责连接农业用户与物联网，确保物联网的各种应用功能落到实处，真正为农业发展提供助力。

3 物联网技术在智慧农业节水灌溉中的具体应用

智慧农业的节水灌溉系统是一项较为复杂的应用系统，这项系统应用了当前社会的计算机网络技术、农业物联网技术、通信技术和自动化控制技术，构成了灌溉系统的自动化管理系统，通常还会使用太阳能技术为节水灌溉系统提供动力能源。

3.1 智慧农业中节水灌溉的工作流程

在智慧农业中，通过节水灌溉系统控制农田的灌溉工作，以实现大量节省用于灌溉的水资源。一套完整的节水灌溉系统通常包括控制泵房的自动化管理系统，监测土壤墒情的土地监测系统，监测气象条件系统，管理视频监控的系统，监测地下水位系统，太阳能节水系统等多个不同功能的子系统。节水灌溉系统通过自身的监控网络，对系统的各个功能模块进行统一管理。

在使用节水灌溉功能时，节水灌溉系统可以快速高效地收集关于农田和作物的详细信息，如，土壤温度与湿度，光照强度，作物的长势等等，并将获得的各种数据信息进行整合后，通过无线通讯上传至物联网服务平台。而服务平台则根据节水灌溉系统收集的反馈信息，对农田的灌溉作业进行科学的指导，帮助农民确定具体的灌溉方式和灌溉用水量，并自动调配当地的灌溉用水，对农田中需要灌溉的农作物进行精准的灌溉作业。在灌溉作业进行时，节水灌溉系统还在实时监控灌溉结果，以及时调整灌溉方式，提高土地灌溉质量。按照农作物的需求执行自动化的智能灌溉，可以有效避免传统灌溉方式中统一灌溉的情况，在保障农作物用水需求的前提下，大幅度提升了农业生产中的水资源的利用效果。

此外，随着智能手机与农业物联网服务平台的连接，农业生产管理人员还可以通过手机对土地的灌溉工作进行远程控制。管理人员通过手机屏幕便可以实时了解农田的土壤情况，农作物的生长情况，以及当地的天气情况。

目前的智慧农业物联网服务平台针对节水灌溉作业提供给多项服务功能，用户可以通过网页浏览访问，并支持多个用户同时浏览，用户可以根据自身情况选择自动化，半自动化，或人工手动的节水灌溉模式。同时，平台还支持灌溉区域情况的多维度展示与分析，以便于用户及时了解和掌控农田灌溉作业的详细情况。

3.2 智慧农业中关于节水灌溉的物联网方案

当前的农业物联网的组网方式普遍是LORA+4G网络，智能化网关使用是非授权的广域网技术，而网关和物联网服务平台的连接则使用的是4G网络技术。但是随着国家针对LORA网关的使用做出了较多的限制，使得LORA网关在承载连接用户数量方面的功能有着大幅的下降，从而导致该网关无法再为农业物联网提供一些基本的服务功能，使得农业物联网服务平台无法满足用户的使用需求。因此，农业物联网必须对组网方案进行升级，将会使用NB-IOT方式的组网方案。该种形式的组网方案将会减少建设农业物联网系统的施工量，从而进一步降低了农业物联网服务平台的运营成本，同时还会提升服务平台各个模块的服务功能，使该农业物联网提供的各项服务变得更加可靠。此外，新型组网方式还会简化农业物联网系统的网络结构，方便农业物联网系统的后期维护。

4 结语

智慧农业及其节水灌溉功能在我国农业生产中具有非常广阔的应用前景。农业物联网技术应用到智慧农业节水灌溉中后，极大地突破了传统农业的生产模式，使农民的农业生产不再完全依赖于天气条件和种植经验。在农田灌溉方面，通过精准化的灌溉方式，农业物联网技术有效地提升了智慧农田节水灌溉的应用效率，充分保护了当地的水资源，促进当地农田生产的可持续性发展。这对于农业用水资源较为缺乏的地区有着极为重要的意义。