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摘要:信息技術(shù)、智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等多項(xiàng)現(xiàn)代前沿科學(xué)技術(shù)成就的全面發(fā)展,給現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)的全面發(fā)展模式帶來諸多重大變化。目前,我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正在逐漸利用現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)而迅速地發(fā)展并成為新型智慧農(nóng)業(yè)。智慧農(nóng)業(yè)主要是指農(nóng)業(yè)利用信息智能與監(jiān)控、遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)管理信息系統(tǒng)等一系列先進(jìn)現(xiàn)代化科技手段,對(duì)生產(chǎn)農(nóng)業(yè)活動(dòng)全面進(jìn)行智能化、自動(dòng)化管理。例如,控制程序和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于實(shí)施具體的農(nóng)業(yè)活動(dòng),如施肥、灌溉和噴灑農(nóng)藥。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水中發(fā)揮著重要作用。文章針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探索研究,為在智慧農(nóng)業(yè)中充分實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉作用。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);智慧農(nóng)業(yè);節(jié)水灌溉;實(shí)際應(yīng)用
中國(guó)是一個(gè)具備悠久農(nóng)耕歷史的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)一直以來都是一個(gè)國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展問題。為了繼續(xù)加快甘肅省農(nóng)業(yè)信息化科技的發(fā)展,加快傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向信息化智慧農(nóng)業(yè)的深刻轉(zhuǎn)型,進(jìn)一步加快我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的釋放,各級(jí)相關(guān)部門近年來一直積極地推動(dòng)信息物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等先進(jìn)的信息技術(shù)平臺(tái)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中卓有成效的創(chuàng)新應(yīng)用。
1節(jié)水灌溉問題的社會(huì)背景
中國(guó)灌區(qū)每年安排的各類農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉設(shè)備用水總量約需占全國(guó)計(jì)劃總設(shè)備用水量比重的近80%。我國(guó)農(nóng)村水資源相對(duì)豐富,但與農(nóng)業(yè)機(jī)械化灌溉工程用水比例相比仍存在一些差距。這是由于我國(guó)的農(nóng)業(yè)水利灌溉設(shè)備技術(shù)水平很低,用水率仍遠(yuǎn)低于世界先進(jìn)技術(shù)水平,導(dǎo)致我國(guó)大量農(nóng)業(yè)水資源尚未得到充分開發(fā)。農(nóng)業(yè)設(shè)施灌溉效率嚴(yán)重低下,嚴(yán)重制約和影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的全面發(fā)展。因此,節(jié)水施肥和灌溉是在促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全面發(fā)展的過程中不可或缺的重大戰(zhàn)略和基本措施。目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)正在加快智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。通過智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等工具,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化管理、檢測(cè)和生產(chǎn),因地制宜,減少化肥、農(nóng)藥和水資源的使用,節(jié)約人力物力,增加生產(chǎn)收入,實(shí)現(xiàn)從機(jī)械化到智慧化的農(nóng)業(yè)革命。
2智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)
2.1智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀
隨著新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)村的廣泛深入普及,農(nóng)民也在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)境中廣泛應(yīng)用各種現(xiàn)代科技,影響和改變了傳統(tǒng)的農(nóng)耕環(huán)境,以及傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。智慧農(nóng)業(yè)還必須積極收集整理各類農(nóng)業(yè)方面的現(xiàn)代化生產(chǎn)的技術(shù)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn),依靠移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各地不同類型生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息系統(tǒng)的高度集成管理和知識(shí)共享,以進(jìn)一步提高現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)效率。在中國(guó),農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在迅速發(fā)展。我國(guó)的一些地區(qū)和城市正積極地嘗試發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。目前,為了將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球一體化,我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管理信息和農(nóng)產(chǎn)品銷售的現(xiàn)代化管理。
2.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程的成功實(shí)施,主要依靠針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),獲取信息。監(jiān)控農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中分布有很多在線傳感器節(jié)點(diǎn)。通過安裝這些無線傳感器,人們隨時(shí)可以獲取到土壤質(zhì)量和土壤氣候信息,農(nóng)民能夠更及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取檢查結(jié)果,并通過相關(guān)農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)參考信息,發(fā)現(xiàn)并及時(shí)地解決相關(guān)生產(chǎn)問題。物聯(lián)網(wǎng)與集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的結(jié)合,將使農(nóng)業(yè)逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式,從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。通過分析物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu),將物聯(lián)網(wǎng)分為3個(gè)層面:遠(yuǎn)程監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控層可以檢測(cè)各種對(duì)象和采集農(nóng)場(chǎng)信息,包括各種傳感器和專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)設(shè)備傳感器,例如,碳濃度檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、監(jiān)控?cái)z像頭、氣象站等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸和處理收集的任何信息。該體系結(jié)構(gòu)由不同的本地網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)組成,負(fù)責(zé)將農(nóng)業(yè)用戶與物聯(lián)網(wǎng)連接起來,確保物聯(lián)網(wǎng)的功能得以實(shí)現(xiàn),并確保其真正有助于農(nóng)業(yè)發(fā)展。
3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的具體應(yīng)用
3.1智慧農(nóng)業(yè)中的節(jié)水灌溉工作流程
灌溉設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備在不同地區(qū)的分布情況各異,因此,我們需要一個(gè)能夠互動(dòng)和有效控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水管理中,控制系統(tǒng)非常重要。應(yīng)用對(duì)象是中央控制室和無線通信設(shè)備有限公司,系統(tǒng)從灌區(qū)采集信息和數(shù)據(jù)。然后,系統(tǒng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,并制定相關(guān)決策。該系統(tǒng)檢查設(shè)備、土地灌溉和指定農(nóng)業(yè)區(qū)的灌溉說明、灌溉管道和相應(yīng)的控制閥。在農(nóng)田自動(dòng)灌溉過程中,傳感器實(shí)時(shí)收集記錄并分析傳輸出有關(guān)農(nóng)田水情動(dòng)態(tài)的各類數(shù)據(jù)圖像和相關(guān)信息,并及時(shí)將圖像傳輸回控制中央系統(tǒng)。如果控制器發(fā)現(xiàn)田間供水量已達(dá)到滿載或超過設(shè)計(jì)預(yù)定量值,中央控制系統(tǒng)即發(fā)出緊急警報(bào),控制閥則自動(dòng)緊急關(guān)閉農(nóng)田最后一根水管。基本參數(shù)傳感器與控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通訊方式目前主要是用GPRS網(wǎng)絡(luò),控制測(cè)量指令數(shù)據(jù)主要還是通過中心控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)終端,通過流式以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至中央控制服務(wù)器。利用節(jié)水系統(tǒng)的節(jié)水功能,我們可以快速高效地收集農(nóng)田的溫度、亮度、光密度、作物生長(zhǎng)和其他功能,基于節(jié)水系統(tǒng)收集的備份信息,將通過非地面通信收集到的數(shù)據(jù)和信息整合并上傳到地面物聯(lián)網(wǎng)上,服務(wù)平臺(tái)為節(jié)水區(qū)域提供科學(xué)指導(dǎo),幫助農(nóng)民確定安全用水和用水方法,在水處理過程中自動(dòng)分配安全用水和必要的水桶,安全的水控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用水情況,并及時(shí)調(diào)整供水模式,改善水質(zhì)??筛鶕?jù)作物需要進(jìn)行自動(dòng)智能供水,有效防止傳統(tǒng)供水模式下缺水或水量過大的情況。此外,農(nóng)業(yè)管理者還可以通過智能手機(jī)和農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái),通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制農(nóng)田灌溉。同時(shí)通過手機(jī)屏幕接收關(guān)于農(nóng)田土壤、作物生長(zhǎng)和當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r的實(shí)時(shí)信息。實(shí)用的農(nóng)業(yè)服務(wù)平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水服務(wù)平臺(tái),提供不同的服務(wù)功能。用戶可以在線瀏覽。在瀏覽時(shí),用戶可以根據(jù)自己的情況自動(dòng)、半自動(dòng)或立即儲(chǔ)存水。同時(shí),該平臺(tái)還支持對(duì)水域條件的多邊論證和分析,用戶可以及時(shí)了解和獲取水域條件的數(shù)據(jù)。
3.2智慧農(nóng)業(yè)中節(jié)水灌溉的物聯(lián)網(wǎng)方案
控制系統(tǒng)包括控制室、安裝在水泵旁邊的無線通信網(wǎng)絡(luò)、專有設(shè)備、農(nóng)業(yè)通信設(shè)備、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器。控制系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)射器和信息反射等傳感器可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。灌溉過程開始進(jìn)行時(shí),無線通信網(wǎng)絡(luò)可將實(shí)時(shí)灌溉控制信息及時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)室。監(jiān)控系統(tǒng)可打開自動(dòng)灌溉水控制閥,為農(nóng)業(yè)灌溉供水,并請(qǐng)求相應(yīng)的報(bào)警信息。當(dāng)灌溉水達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),控制閥自動(dòng)關(guān)閉。農(nóng)業(yè)環(huán)境的變化由GPRS傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)并發(fā)送到農(nóng)業(yè)設(shè)備??刂菩盘?hào)輸出的方法是:遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)利用服務(wù)器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,并在遠(yuǎn)程決策時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)控制信號(hào),控制發(fā)動(dòng)機(jī)。目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模式一般為L(zhǎng)aura+4G網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)采用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于LauraGate的使用受到限制,該Gate無法提供一些農(nóng)業(yè)服務(wù),LauraGate的用戶數(shù)量與功能數(shù)量的顯著減少有關(guān)。因此,有必要更新農(nóng)業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,并采用NB-loT物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將減少農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè),進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)成本,提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的功能性。服務(wù)平臺(tái)的每個(gè)模塊都使農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)更加可靠。此外,還簡(jiǎn)化了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),便于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后續(xù)維護(hù)。
3.3系統(tǒng)功能特點(diǎn)
3.3.1系統(tǒng)管理。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能是管理內(nèi)部數(shù)據(jù)、確定數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,保護(hù)用戶賬戶、權(quán)限、文件和信息的完整性。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以規(guī)范特定領(lǐng)域的知識(shí)管理。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行過程中,必須科學(xué)地管理內(nèi)部數(shù)據(jù),不僅要確定數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu),還要做好數(shù)據(jù)的維護(hù)工作。另外,管理系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)系統(tǒng)本身不能丟失,用戶賬戶、權(quán)限、信息等都需要保證安全。值得注意的是,具體領(lǐng)域的知識(shí)管理不應(yīng)被忽視,還應(yīng)確保其規(guī)范性。3.3.2查詢、信息收集和搜索性能。使用不同的方法查找信息,然后利用圖表和其他不同的形式來表達(dá)結(jié)果。研究方法主要包括點(diǎn)搜索、空間搜索和組合邏輯形式。在系統(tǒng)功能上,需要保證數(shù)據(jù)的查詢、采集和分析。信息搜索可以是點(diǎn)搜索、空間搜索等多種方法,并利用圖形等形式表達(dá)結(jié)果。在該系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集是基于各個(gè)位置,長(zhǎng)信息和寬度可以準(zhǔn)確分類。中央計(jì)算機(jī)接收到監(jiān)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)后,可以準(zhǔn)確地查找到信息。3.3.3數(shù)據(jù)收集的自動(dòng)識(shí)別。數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)不同的位置自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過精確采集經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī),進(jìn)行行為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。3.3.4數(shù)據(jù)分析職能。在系統(tǒng)的使用過程中,數(shù)據(jù)和信息的收集、處理和分析起著非常重要的作用。在信息收集過程中,可以通過圖形幫助和其他方法顯示在某個(gè)點(diǎn)或空間中。在系統(tǒng)中,必須分析在所有位置獲取的數(shù)據(jù),以確定顯示的準(zhǔn)確性。從監(jiān)控計(jì)算機(jī)收集信息和數(shù)據(jù)后,必須使用中央計(jì)算機(jī)來正確安排位置。分析不同地段的不同特點(diǎn),并將結(jié)果以專題圖的形式打印出來。
4結(jié)束語
智慧農(nóng)業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用范圍和重要意義。物聯(lián)網(wǎng)被世界公認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。它是以感知為前提,實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中,基于信息采集點(diǎn)感知數(shù)據(jù),集成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理知識(shí)模型,開發(fā)大田生產(chǎn)智能決策系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥、節(jié)水灌溉、病蟲害預(yù)警防治等生產(chǎn)措施的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)水灌溉是農(nóng)田節(jié)水灌溉的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)新技術(shù),它不僅能夠根據(jù)相應(yīng)植物的需水特性、生育階段、氣候、土壤條件等做合理設(shè)計(jì),制定相應(yīng)的灌溉制度,適時(shí)、適量,合理灌溉,也可以做到局部灌溉。還可避免土壤鹽堿化,對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)鹽堿化的土壤,可利用灌溉沖洗土壤中的可溶鹽分,以改良土壤。此外科學(xué)灌溉方式還可起到預(yù)防果樹蔬菜霜凍和預(yù)防干熱風(fēng)危害,以及防止土壤風(fēng)蝕等作用。
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作者:石沖貌 單位:甘肅瑞盛·亞美特高科技農(nóng)業(yè)有限公司
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