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物联网技术在农业灌溉作用研究3篇

物联网技术在农业灌溉作用篇1

摘要:通过基本解释物联网与智慧农业及其联系,阐释物联网能够运用于节水灌溉成为智慧农业的关键性技术,并合理地阐明物联网作用于节水灌溉的基本实例,提出合理性建议,以期促进在物联网技术基础下智慧农业的快速发展。

关键词:物联网技术;智慧农业;智能技术;节水灌溉;应用

网络的发展便利了人们的生活,促进了生产力的提高。农业的欣欣向荣也离不开日新月异的物联网技术———RFID技术(无线射频识别即射频识别技术)、传感技术和Wi-Fi技术等。物联网主要加速了有关农业的信息采集、传输,并分析了农业生产的相关情况。物联网技术运用于农业的节水灌溉之中,大大提高了农业生产的效率,使得科技造福人类的口号得以落实。

1智慧农业与物联网技术

智慧农业,通俗地来说就是给传统农业穿上装备—智能技术,计算机和移动设备,来使本身的传统农业在原先的基础上逐步智能化,摆脱完全人工化的操作而形成的新型农业生产模式。为达到用户目的,使其自动化采集农业生产的信息,智能决策判断一些网络运用的实际问题,许多的物联网技术已经投入使用大数据、云技术和网络人工智能等。而物联网技术,由于其囊括的范围实在过大,还没有能够完全定义其概念,只能在字面上理解为物物相连,发挥“一加一大于二”的实际作用,其核心其实是依赖于互联网之间形成的网络关系,使物联网的用户可以通过复杂的关系网便利地交换信息、技术,突破时间空间的限制,节约成本,提高利益。

2物联网投入智慧农业的关键技术

2.1RFID技术

RFID技术是通过无线电技术灵敏地对目标进行检测,同时准确记录数据并且归类于射频识别、通信技术的一项专业手段。其由应答器、阅读器和软件系统共同构成,在长距离信息传输,短距离传导,并识别有关的关键信息中发挥巨大的作用。RFID技术在短距离信息传输、识别中应用效果较佳,经应答器、阅读器、软件系统等构成,数据记忆容量非常大,抗污染能力较强,能够适应多种复杂使用环境,而且具有耐久性佳、扫描速度快等优势,这在智慧农业之中发挥着关键性的作用。在为节水灌溉等智慧农业工作时,其内部芯片会第一时间把有关数据传入库里,阅读器在其中接受信息,高效自动化地处理复杂晦涩的问题与数据。然后将指令传递给后台操作系统,以完成对数据的实时分析、控制和应用。

2.2Wi-Fi技术

Wi-Fi技术是一项对环境影响较大的技术,通常情况下,在公共场合的Wi-Fi技术辐射范围在100m左右,这还是在封闭无人的条件下,而在空旷的室外甚至可以辐射在210m以外,得天独厚的便捷条件使得其广泛地被运用于农业之中。而说起其辐射范围和其原理密不可分,Wi-Fi技术是一种将电子设备连接到局域网络的技术,使多种电子产品上网。除了基本的作用以外,Wi-Fi技术还能感知重要农业信息,并可有效完成传输任务。这一流程主要是通过信息感受器感知有效信息并收集,后通过Wi-Fi处理技术,将信息整合收集,传到应用缝隙层,使智慧农业信息得以高效无误地传递。

2.3传感网技术

传感网技术的应用前提就是信息的及时采集,信息、通信部件随机,在这些条件下使其加强联系而形成一个独立网络结构传感器。其有许多的优势,比如能在复杂的环境下保持稳定,拥有基础的传输信息能力和储备功能,还能将自身的能量转化为工作的所需品,在物联网技术中承担着包括物物连接和信息交流的主要任务。但也存在一定的缺陷,比如单个部件之间传输信息量少,且多为随机,虽然不会造成过大的干扰,但是仍然有进步的空间。

3智慧农业物联网的基本构架体系

3.1物联网的感知层

物联网的感知层包括RFID设备、传感器和视频监控设备等。为了满足基本的信息数据采集与检测,在整个流程里将系统置于上层,提高智能网关传输信息到达继电器,控制农业设备开关,达到智能化调控,监测农业生产环境。而在数据收集和感知用户信息的层面上,使用了Zigbee(物联网电能管理系统)和CAN(控制器域网),充分传输有效信息进入物联网系统,再完成上述流程。

3.2系统结构的设计

智慧农业物联网系统涉及面很广,主要有智能监管、自动调控系统、信息采集器和智能网关。每个部分有每个部分的作用,信息采集器可以高效汇集信息,来形成必需的模拟信号。模拟信号将这些信息通过技术改变成数字信号。而无线传输设备可以将电磁波信息进行转化。有利的是,无线电传输消耗小,能够通过多端介入Zigbee技术。而智能网关主要进行处理信息和加工信息的流程。监控中心可以将智能网关处理的信息进行更深层次的分析存储并交由专业系统审核,保证了流程的科学性。此时,便于在第一时间将调控指令发送于自动控制器,进行现场设施自动化控制,将现场图像信息传输到监控中心,可以实现远程可视化监控的效果。

3.3物联网的应用

物联网应用面对的对象是使用用户,为终端用户服务是物联网应用的目的所在,为了更好地服务所有的用户,物联网甚至构建了平台以便交流改进。在智慧农业方面,物联网渗透到监测农业环境、保护农业生产过程及帮助农业有效对付害虫侵扰的方方面面。应用层注重对农业信息最直观地收纳分析,为管理的自动化打下基础。而管理层面通过实时收集农业生产的数据,分享给工作人员,提供合理的决策结果以辅助工作人员,提高工作效率。

3.4物联网的网络层

除了通常网络中的WLAN技术,还包括LAN技术、CDMA技术及4G技术等等。通过这些技术的相互配合,有效地提高处理整合信息的速度。为了让物联网的客户更加信任,要对客户感知的信息进行保护,在保护用户隐私的同时,高效完成任务。

4物联网技术在现代农业节水灌溉中的应用

在一般的农业生产过程里,灌溉是重中之重,影响作物的质量和周期,影响着生产的利益。通过物联网技术在田间安装传感器,实时跟踪作物的生长习性,包括所需的湿度水分、土壤要求等。并制定相关的灌溉措施来稳定作物生长,为作物提供更好的生长条件。促进农作物健康生长,并节约了水资源。

4.1系统性结构

现代农业节水灌溉中的物联网系统具有独立的检测体系,这一检测体系主要是基于传感器、控制系统和计算机通信技术而建立的。物联网系统主要包括3大部分:一是网络控制和感知层,其主要负责进行检测和数据控制等工作,属于系统的终端。感知层通过实时对农业用水的实际情况进行监控,获得田间环境信息和作物本身信息。二是数据传输层。顾名思义,数据传输层主要负责实现数据的传输,其能够从感知层中获取数据,并传送至处理层中。三是数据处理层。数据处理层将所有的农业数据汇总,并进一步分析数据,最后为自动灌溉提供数据依据[1]。而在农田灌溉区域中,网络系统则会对区域内部的所有灌溉设备进行直接控制,并依据物联网系统所获取的信息进行灌溉设备的控制,从而实现农田灌溉的自动化。这一功能的实现主要依靠于设置在灌溉设备出水口中的控制系统,其具有信号收发功能和传感器信息反射功能等。在灌溉指令下达之后,监控室收到了灌溉信息,计算机系统自动下达指令,灌溉设备阀门打开,进行灌溉。此外,考虑到节水灌溉的基本需求,整个供水的过程中会设置报警线,报警线并非固定,而是根据系统所给出的灌溉水量而决定。当出水量达到最大供应值之后,激发报警线,报警装置启动,从而关闭阀门,而整个灌溉过程也彻底结束。

4.2网络无线传感器

农业灌溉需要大量水资源,为了更好地利用水资源不形成浪费,在灌溉过程中节水环节很重要,节水可以运用无线传感技术。无线传感技术就是将无线个域网自由组合,这种技术是一种低复杂度、近距离、低消耗、慢速率且低成本的无线通信技术,信息容量大,可信度高是这种通信技术的特点,组成部分有4个,分别是使用层、控制层、物理层和网络层。以往的传输系统运用有线传输网络,具有成本高、网络布线复杂、灵活性不强、出现问题时不易解决和推广性不强等诸多弊端,利用网络无线传感技术解决了传统的有线传输网络系统的问题,在控制大棚室内温度、空气湿度和土壤酸碱度方面具有突出贡献[2]。

4.3物联网灌溉系统的供电

从物联网灌溉系统的运行原理中可以发现,其主要依靠无线传感器实现信息的传递,通过无线电磁阀来控制整个网络。物联网灌溉系统本质上是为农业生产而服务的,这也意味着其本身具有广泛性的特征,系统整体的规模相对较大,故而实际应用中需要使用到大量的电力资源。物联网灌溉系统的电力供给主要是通过各个组成单元的电池组,传统的电池组面临着充电、更换等诸多问题,故而可以在实际中设置太阳能电池板,只要有阳光就可以重复利用。此外,节能措施的选择也至关重要。考虑到物联网灌溉系统的运行特征,节能控制点主要集中在通信设备降耗和电压调节功率管理方面。可以采取分区域、选择动态可控制的技术。比方说在灌溉完毕的农田区域中,将电磁阀电源和传感器关闭,只开放需要的区域,来实现节能目的,降低供电需求量。

5系统功能的特点

5.1系统的管理

由于在监管的全过程中,各个技术已经形成了系统的流程,物联网作为统领在监管系统正常运行中也发挥巨大作用。物联网主要是对系统的文件数据进行管理保护,确保各项措施稳定进行,互不干扰。在系统的稳定进行中,对使用者的账户信息、所拥有的财富体系和知识体系进行保护,确保隐私的安全。物联网通过把系统分为特别规定的几个环节,进行定点保护。为确保物联网发挥其最大的作用,要科学合理对待其不足,定期检查测验,对已有数据进行整理归纳。重视用户隐私的保护,权限与信息不可公开,提高准确性和规范性[3]。

5.2信息收集查询与搜索

由于整个过程的信息过于庞大,在不同时间有需要对特定信息进行检索查阅,如何缩短时间也是系统工作的主要一环。通过将信息归纳为图标、坐标等其他方式,来将常用思维和逻辑思维结合,找到最适合人类寻找的工具模式,在系统上查询、收集和搜索相关信息。甚至对每个信息进行位置长度宽度的合理定义,用坐标轴形式能快速定位,准确高效率地找到有关数据[4]。

5.3自动化的数据收集

由于各项数据已经经过编码排序,只要通过物联网技术,就能自动化为用户选择相关所需的信息,通过终端发送给用户。从实际应用情况来看,基于物联网技术的灌溉系统在自动化数据采集方面已经较为成熟,基本上可以实现实时数据采集,且数据的准确性较高,可以客观判断田间的水分供给情况。即便是在数据传输方面存在一定的滞后,也并不影响系统整体的正常运行和灌溉效果。

5.4分析相关数据

对于已经检阅出来的相关数据,对其分析利用也颇为重要。在收集到数据之后,通过图像法、坐标法等对其进行分析,保证稳定性与准确性。合理推算之后再通过系统手段,进行二次检阅,反复模拟实验后,再将最终结果传入终端,交给用户和研究者使用[5]。

6结束语

物联网技术的发展,在各行各业都有巨大的影响,当之无愧与计算机、互联网和移动通信网一起被称为世界信息产业的浪潮。物联网,在字面上,也能得知与其他浪潮的不同在于其将物与物之间的联系放大,找到人与物、人与人及物与物之间可以相互利用的成分。而农业,作为人类安身立命不可或缺的条件,尤其是世界上许多地方还遭受着温饱不足的迫害,将物联网与农业结合,通过解放劳动力,对农作物的生产流程进行管理监控,对经验进行分析,得出更加先进的种植智慧技术,比如作用于节水灌溉技术、科学施肥和定期除害等方面。而智慧农业里的节水农业,不光对农业方面产生巨大的影响,对保护水资源的利用,节约用水方面也做出了榜样。避免因为地区限制而发生土地盐碱化,土壤凝结等危害。其还可以用来疏松土壤,改善土壤的质量,侧面上甚至对一个地区风沙治理、涵养水源和保护环境起到了重要作用。

作者:张连芝 单位:山东省德州市宁津县柴胡店镇人民政府

物联网技术在农业灌溉作用篇2

与根据资料显示,我国现有的人均耕地面积远远低于世界平均水平,仅为其40%;同时数据显示我国人均水资源占有量,也只是世界平均水平的28%。与现代化绿色农业发展息息相关的灌溉用水远远不能满足我国14亿人口农产品供给的发展要求。因此,农业生产必须变原有的大水漫灌,为现代化的精细滴管,只有这样才能最大限度地利用好农业用水资源,产生最大效益。目前,已经进入万物互联的时代,物联网技术的发展,也为农业精细灌溉提供了可借鉴的技术方法。文章所述系统由物联网边缘传感器、数据采集系统、自适应喷灌系统与控制中心组成,其设计遵循农业生产规程的有关规定执行。

1系统原理

通过研究不同农作物生长过程中,受哪些环境因素影响,确定需要物联网边缘传感器的类型,根据植物特点确定传感器封装形式。通过单片机技术、光谱采集分析技术、虚拟仿真、数据融合等传感器技术,开发土壤密度、水浸情况,叶片含水量等快速传感设备;通过现有商用传感器,并做出适应性改造,开展温度、糖度、pH值等多参数传感器进行相应传感器和多参数传感器小型化集成。采集器能够采用太阳能供电,并且能保证阴雨天气可以连续正常工作至少5天;确保所采集的数据能够准确、高效地回传平台,通过数据能够对调控设备进行策略控制,实现自动化。各类智能检测采集设备,需要统一数据接口,同时根据不同传感器监测所得数据特点,规划合适的数据格式定义,从而为所有数据的准确传输和高效利用创造条件。数据反馈后,需要在处理中心根据气象数据、光照数据、风力数据等,对所有数据进行统一分析,并根据分析结果,提出农作物灌溉需求,并将其形成量化数据,驱动农作物灌溉机构,进行精确滴灌作业,同时将各类数据进行存储。为了保障数据的实时传输,可以通过4G/5G/LORAWAN/NB-IOT等多种有线或无线网络搭建物联网传输网络和灌溉设施驱动网络进行传输,以实时性、可靠性为约束条件,确保网络拓扑形式的安全可靠,无缝连接,最终形成稳定的智能化灌溉系统拓扑形式。提高农业种植全过程监测预警、防灾减灾、优化调控等过程中的精准监测与决策管理水平。

2系统组成

该应用系统设计由农作物种植区各类边缘传感器、数据中继监控采集分站、数据处理中心、自适应智能化灌溉分系统、数据及电力传输网络组成。其中,农作物种植区各类边缘传感器包括以下两类:一是环境因素高精度数据采集设备,主要包含田间环境中的温度、湿度、土壤水分、土壤养分、光照强度、二氧化碳浓度、土壤含水量等数据采集传感器,二是农作物生长监控高精度数据采集设备,主要包含叶片含水量、温度、pH值等传感器。各类传感器数据,经A/D采样后由单片机存储管理。传感器采用心跳定时输出、无线(有线)发送方式。其核心电路是模数转换、单片机和2.4G发射模块。传感器供电由电池供电和太阳能供电,两种方式,确保相关设备可以不间断地工作。数据中继监控采集分站主要负责整合分散的边缘传感器信息,特别是通过无线Mesh网络完成各个离散传感器信息的汇集,同时,装备微型气象站功能,负责对现场光照、降水、风力信息进行采集,之后完成所有数据打包,通过有线网络回传数据中心。数据处理中心主要对回传来的数据进行解包分析,同时实时显示各个传感器及数据中继监控分站的信息,供农业技术负责人员进行人工研判或自动形成反馈数据。自适应智能化灌溉分系统根据数据处理中心所下发的数据,控制水泵从水源处抽水,并将水泵如各类不同的灌溉管路,完成精细化灌溉作业。数据及电力传输网络是整个农业智能灌溉系统的神经网络,需要根据不同农业种植环境,完成有线及无线布线,确保网络拓扑形式稳定可靠,实现数据的不间断传输与灌溉分系统的稳定供电。

2.1MC9S08GT60单片机介绍

MC9S08GT60单片机是飞思卡尔公司的高性能、低成本的八位单片机,它作为该项目中各类边缘传感器的数据采集与暂存的核心芯片,完成前端的数据处理工作。此单片机可以快速执行开发与调试指令,兼容M68HC08系列调试指令。可以通过背景调试控制器,完成针对不同传感器数据的采集编程功能设计。该型单片机支持在线编程Flash存储,内嵌8通道10bit模数转换核,串行接口模块和I2C总线传输,可以实现各项种植环境及农作物数据处理需求。

2.2MC13192ZigBee芯片介绍

MC13192ZigBee芯片同为飞思卡尔公司生产的芯片,全面支持IEEE802.15.5协议标准的低功耗、短距离数据传输,可以灵活构建Star型或Mesh型网络。共有16个通信通道,最大发射功率3.6dBm。内置发射、接收RAM,每个5MHz带宽都采用OQPSK传输,传输速率可达250kbps,支持三种工作模式。最低接收电平可达-92dBm。

2.3MC13192与MC9S08GT60连接

MC13192与MC9S08GT60通过SPI技术建立连接,MC13192同时为MC9S08GT60提供时钟。PTB口作为MC9S08GT60外部器件接口,模拟串口位于引脚PTB6、PTB7端口,通过接口芯片驱动外部显示二极管或其他显示单元,引脚PTB3作为各种农作物种植环境或植物附加边缘传感器的模拟输入端,通过程序设定进行A/D转换。同时将转换后的结果送MC13192调制发射。

3主要传感器端与控制工作原理

3.1各类边缘传感器的工作

田间各类传感器和农作物传感器,首先需要将个传感器检测所得的模拟量通过A/D转换,然后将数字量编码,最后通过ZigBee技术发送。MCU中内置了10位A/D转换器,对2V电压的检测精度可以达到/210=0.009V,完全可以满足检测需要。同时,通过ZigBee平台以2.4GHzOQPSK方式,将检测所得数值变为10位数据并加入地址码,进行发射。单片机还可将土壤湿度、环境温度等所监测到的数据,通过传感器平台本身的显示模块进行显示,可以让巡查人员实时获取相关农作物数据。

3.2数据中继监控采集分站

数据中继监控采集分站需要首先根据传输频率不同对各个边缘传感器数据分时接收。再根据所得到的数据进行相应判断,并按照所接收到的不同类型数据,实时将数据通过MCU打包,再通过MCURS232串行接口传输数据,并通过串口RJ45转换器经以太网络传输至中央监控主机。

3.3数据处理中心

数据处理中心通过网络,将分布于不同农作物种植园区的中继监控分站的数据进行汇总,同时根据各个监控分站的数据进行汇总分析,并根据农作物灌溉要求,反馈给前端灌溉网络,做出相应的精细化灌溉。同时,将所有数据汇总记录在数据库中,便于监测分析。如出现有悖于常规的数据阈值,则发出告警提示,以确保农作物种植的智能化管理。

3.4自适应智能化灌溉分系统

该系统根据数据处理中心所发布的控制指令,控制精密变频器、抽水泵机、喷淋电磁阀、节水喷淋头,对不同农作物模拟人工进行滴灌、根灌、喷灌,最大限度地节约灌溉用水,同时也防止根系腐烂等现象出现。

4小结

文章采用物联网边缘传感器技术、智能化自适应灌溉网络、农作物生长数据智能分析、有线无线网络传输,组合构建了一套农业生产智能化灌溉系统,解决现代农业生产中灌溉的精细化问题。该系统成本低廉、可靠性高,特别适合于中西部缺水地区的农业生产。

作者:吴泰文 姚云飞 孙歆钰 单位:荆楚理工工学院

物联网技术在农业灌溉作用篇3

农业智能灌溉的实现,少不了农业智能灌溉系统的支持,而对于农业智能灌溉系统,其功能要想有效实现,便有必要注重现代化科学技术在其中的应用。比如,物联网技术具备先进的CPU及传感器硬件设备,还包括了先进的软件控制程序,应用于农业智能灌溉系统当中有助于系统功能的实现。

1物联网技术应用概述

近年来,随着科学技术的逐步发展,物联网技术在各行各业中得到了广泛的应用,主要依赖于物联网技术具备的先进的CPU、传感器等硬件设备,同时具备先进且稳定的软件控制程序。值得注意的是,在农田灌溉生产工作当中,物联网技术的应用也非常广泛,且价值显著。以其中的农田灌溉为例,通过物联网技术的应用,可以土壤墒情数据为依据,实现自动监测采集,然后分析土壤墒情的适宜度,结合旱情预测结果及调控信息,实现对水资源的合理规范及科学调度。与此同时,利用物联网灌溉远程智能控制技术,可为作出精准的灌溉决策提供有效依据,还能够对灌溉风险进行有效预测、预警及控制。基于物联网技术的概念角度分析,即以信息传输、交换、共享为依据,使农业实现智能灌溉。由此可见,物联网技术值得在农业智能灌溉系统中应用。

2物联网技术在农业智能灌既系统中的应用要点分析

2.1系统简述

结合农业物联网的应用机理,构建了农业智能灌溉系统。在此农业智能灌溉系统当中,基于物联网平台中心授权到农业用户端,通过相关运行控制算法的应用,实现和物联网服务模块之间的信息交流,即:通过土壤墒情的数据自动监测采集和土壤墒情适宜度分析,一方面实现旱情预测与调控,进一步实现水资源规划与调度;另一方面实现精准灌溉决策与预测,进一步实现基于物联网灌溉的远程智能控制,最终实现农业一体化灌溉决策与控制。值得注意的是,系统服务模块负责各接口的管理及服务功能,控制平台则对调控动作进行执行;总结起来,此系统由三大功能模块组成,即:墒情采集功能、灌溉控制功能、控制执行功能。

2.2系统硬件分析

农业智能灌溉系统需使用的设备装置包括:(1)墒情采集装置,具有多通道、多数据传输的特点,主要对温湿度、风速进行控制;(2)灌溉控制装置,其控制算法具有多样性的特点,主要对灌溉的状态、时间及方式进行控制;(3)直流灌溉控制装置,主要由直流阀组成,主要对灌慨状态、时间及方式进行控制;(4)执行控制装置,执行和控制一体化,和传感器或阀门相连接。系统硬件需使用到由电磁阀、变频器、各传感器装置组成的核心控制装置;值得注意的是,和STM相连接的土壤湿度传感器装置,对信号通过有效处理之后,一同汇入至田间智能控制执行装置当中,使一个周期的智能灌溉控制及调节得到有效完成。

2.3系统软件分析

该系统使用到的智能灌溉系统软件,涉及土壤湿度读取模块、空气温湿度模块、电机泵控制模块,其通信功能实现过程为:基于工作状态条件下,经总线接口、寄存器组、发送缓冲等分区,使信号控制模块得到有效构成,其发送部分添加了DMA控制,与其相对应的控制信号及状态信号,在缓冲处理之后,传输至软件系统核心部位;进一步通过信号状态和缓冲处理,使灌溉系统的流量控制得到有效形成,从而使灌溉作业体现出精准化的优势。

3结语

综上所述,在农业智能灌溉系统中,物联网技术应用广泛,合理、科学地使用物联网技术,能够构建完善的农业智能灌溉系统,一方面实现对灌溉状态、时间以及方式的控制,另一方面则可获取灌溉过程的土壤湿度、空气温湿度、电机泵控制等相关信息数据,为作出精准的灌溉决策提供客观、科学的参考依据。由此可见,在农业智能灌溉系统中,物联网技术值得借鉴及应用,在其应用过程中,需注重硬件功能和软件功能的实现,使农业智能灌溉系统发挥应有的价值作用,进一步为农业灌溉生产工作效率及质量的提升提供有效价值建议。

参考文献:

[1]文武.基于物联网技术的农北智能灌溉系统应用[J].农机化研究,2020,42(02):199-204.

[2]侯永进?基于大数据的物联网技术应用——智能灌溉系统[J].中国管理信息化,2016,19(12)=174-175.

[3]侯金波,刘凯,杨倩倩,刘振华,石冠旗,张益利.泓森田管家面向智能灌溉的农业物联网技术[J].农业与技术,2015,35(22):233.

作者:胡杨昊 单位:湖南应用技术学院

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