智能化农业灌溉例1

我国是农业大国，农业的是我国经济发展的基础，但是受水资源不足、人多地少、环境污染严重以及技术落后等原因的影响，我国农业用水的浪费率高，这对于发展现代农业是严峻的挑战，也是现代农业必须解决的重要问题。本文通过分析国外经验，研究分析适合我国的智能化设备农业节水灌溉控制系统。

1节水灌溉技术及国内外发展

（1）节水灌溉技术。

节水灌溉技术主要包含两个方面：工程节水技术；灌溉控制技术。①工程节水技术：工程节水技术主要指的是利用原有的灌溉设施并对其进行现代化技术改造，或者重新建设先进的灌溉设备其目的是通过设备改造和创新减少水资源的损失，节水利用原则一是减少输水损失、二是减少无效灌溉；具体技术有管道输水，滴灌等等。②灌溉控制技术：灌溉控制技术主要指的是利用自动化控制技术，根据自然环境、农作物用水需求以及可用水量等因素，综合协调保障供水，其供水原则更加精细化和可控化。相比较传统的人工控制灌溉，灌溉控制技术不再依靠人的经验进行控制灌溉，而是利用对地理环境以及作物生长的特性，大大提高了水资源的利用率，从而满足用水需求的同时，做到不浪费水。

（2）国外农业节水灌溉控制技术应用。

国外在农业节水灌溉控制技术上有发展时间长，智能化水平高，其自动控制系统更加完善和先进。主要是利用计算机控制灌溉系统，检测和掌握土壤环境，从而有效控制和掌握实际需水量，使用滴灌和喷灌，并且实现了自动化管理，只需要在控制室就能够完成整个操作过程，在自动灌溉配套设施中，流量控制阀、减压阀等，能够大大提高整个设备的运行效率，促使作物获得最佳的生长环境。

（3）国内农业节水灌溉控制技术发展。

国内节水灌溉技术开始于20世纪50年代，但是由于在管理和推广方面的问题，开展的效果并不理想。进入新时期以来，我国在灌溉技术上取得了较快发展，但是先进的设备住哟还是依靠从外国进口，并且未能形成完备的控制体系，相比较国外地区，我国在农业生产中，有其特殊性，土地相对分散，并且地形较为复杂，一些国外的灌溉控制系统在适应性上存在不小的问题，并且这些设备价格昂贵，在我国推广的难度大，我国在发展灌溉控制系统时需要加强自主创新，提高对控制系统的整合和升级，开发适用性强、成本低、效率高的智能化灌溉控制系统。

2节水灌溉控制系统

（1）节水灌溉控制系统工作原理。

节水灌溉控制系统是利用土壤测量仪器探测田间土壤各种信息，并对于收集到的信息进行转化成数字量，并在控制器上予以显示。同时这些信息及时传输和推送到PC上位机的人机界面上，实现对信息的掌握和控制。从接收的信息上结合预设的农作物需水量和以及整个灌溉系统的灌溉用水量、水速进行有效控制。一旦需要灌溉就可以启动相关按钮进行灌溉操作，整个过程中的信息都能够在人机界面中得到显示，主要包括灌溉时间、灌溉量以及剩余时间和水量等信息，如果不需要进行灌溉，就可以发出控制指令，机器就会停止操作。

（2）灌溉实现与控制。

在灌溉系统中，最核心的是采用电机驱动离心泵的方式将水注入管道，从而实现灌溉的目的。而这个过程中，执行灌溉任务的是电磁阀，电磁阀在这个系统中充当管理者角色，它能够控制区域灌溉与否，并且连接着灌溉干支流的各个管道，在整个系统中形成若干个连接点。灌溉支管上安置了若干个喷头，根据区域需水量进行灌溉或对区域实行轮流灌溉。对于分片区域，安放一定量的土壤水分传感器，土壤水分传感器的主要作用是监控所在地点的土壤水分，并将检测到的数据和结果通过通讯设备传输到单片机中，单片机再根据预先的参考数据进行对比分析，根据对比分析结果实施灌溉。

（3）节水灌溉控制系统总体结构。

根据具体的原理和实际的需求，对于灌溉控制系统的总体结构进行了分析，其工作采用的是某型单片机，并采用控制电磁阀对于田间进行灌溉操作，其系统主要是利用传感器测量电路、模数转换电路、控制电路等等，结合上述的功能及总体结构。在研究智能化设施农业节水灌溉控制系统时，将灌溉控制系统划分成两个部分，一个是硬件电路，另一个是软件程序。硬件电路主要是负责对数据的处理和执行，并且硬件设备能够根据其实际情况进行调整和完善，软件部分主要负责协调各个部分之间的关系，控制硬件的执行，属于整个系统的核心部分，而整个系统的完成质量主要是硬件设备和软件服务相互协调的结果，只有二者相互协调才能发挥节水灌溉系统的最大功效。

3节水灌溉控制系统的设计及建议

（1）系统设计主要内容。

智能化设施的农业节水灌溉控制系统设计可以分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计主要集中在四个方面：①单片机主机；②模数转换电路；③LED数据现实电路；④超限报警电路。软件主要从五个方面进行设计：①灌溉系统主系统设计；②采样子程序设计；③数据处理程序设计；④尺度变换程序设计；⑤转码程序设计。

智能化农业灌溉例2

关键词：ZigBee；智能农业灌溉系统；硬件；软件

中图分类号：S275 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170230059

1 基于ZigBee的智能农业灌溉系统总体结构

ZigBee智能农业灌溉系统的参数包括用户终端系统、主控制器、ZigBee内部协调节点以及监控系统等，利用节点参数实现网络组网，并借助控制命令优化系统的运行流程。另外，在ZigBee智能农业灌溉系统运行过程中，当终端节点检测到农田水位超标后，就会产生自动断电制动，系统能利用其自身系统控制参数对电磁阀进行控制，从而有效地停止灌溉操作。而针对检测水位在阈值范围以下时，需要利用系统自动化控制功能开启电磁阀，确保振动控制灌溉项目。技术人员要利用模块对开启灌溉和停止灌溉进行集中管理，针对状态信息以及终端节点建立有效的控制框架[1]。

2 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的硬件实施方案

ZigBee智能农业灌溉系统主控制结构主要包括微处理芯片、USB和SPI等，结合图像传感器和MCI，能优化实现系统的高效管理目标，并且可以利用JAVA进行编程操作，将信息缓存后直接输入到存储指令和数据控制模块中。

2.1 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的终端节点设计

ZigBee技术在实际应用过程中，能有效实现低能耗和低成本，同时保证整体运行结构安全可靠，正是基于其自组网能力，能在定义标准结构中实现数据链层级和物理层级的优化连接，保证工作参数运行环境维系在2.4G赫兹、868赫兹以及915赫兹3个频段结构中，并保证拓扑结构运行的完整度。

2.2 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的控制模块电路设计

要想实现整体ZigBee智能农业灌溉系统的优化目标，就要保证系统在TC35i模块能有效维护主控制器和用户之间的数据交流，保证传递结构的安全可靠。系统运行过程中，技术人员要保证基带处理器和天线接口之间有效连接，并且充分满足供电电路的时序性，符合接口需求，利用40帧电缆线对主控制器和系统结构进行集中管控。在电源接线引脚数据处理时，技术人员要保证短信息收发和软件流的系统化控制，确保工作状态引脚也能得到有效传递[2]。

2.3 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的网络控制模块设计

ZigBee智能农业灌溉系统之所以能实现自动化管控，主要是基于网络连接和智能模块技术，借助节点实现系统管控，确保能随时随地提高灌溉系统的访问实效性。除此之外，在系统内还要借助主控制器嵌入以太网，从而有效支持控制层协议，利用物理结构芯片提升处理水平。

3 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的软件实施方案

3.1 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的主程序设计

在软件系统中，借助自动组网层级能实现ZigBee智能农业灌溉系统的优化运行，技术人员要对农田水位的上限和下限进行集中管理，保证水位、土壤以及电磁阀实现自动灌溉。另外，在系统中能借助路由节点和协调节点进行控制器管理，保证信息用户终端对数据建立集中采集机制，能在提升系统容错能力的同时，保证控制组网的可靠性。

3.2 基于ZigBee的智能农业灌溉系统的控制模块应用程序设计

在ZigBee智能农业灌溉系统运行过程中，要满足实时性需求，对短信息标志位进行集中关注，从而保证检测程序发挥实效性。

3.3 基于ZigBee的智能r业灌溉系统的嵌入式网络搜索设计

嵌入式网络搜索设计结构被应用于ZigBee智能农业灌溉系统，能在提升系统联网有效性的同时，优化异地管控终端结构，确保控制命令在发送后实现灌溉操作。特别要注意的是，在系统嵌入结构中，技术人员要遵循HTTP通信协议，保证结构的有效性和完整度[3]。

4 结束语

总而言之，ZigBee智能农业灌溉系统的推广，实现了自动化农业管理项目的有效运行，不仅能运行远程监控和系统管理，也能进一步升级参数解析能力，一定程度上推动了农业项目的可持续发展。

参考文献

智能化农业灌溉例3

物联网是近年来新兴的一种信息技术，它被认为是继计算机互联网技术后一次新的技术革命，然而在农业节水灌溉方面的应用还不是很多[1]。目前，在农业节水灌溉方面的主要新技术有：1）与生物技术相结合的作物调控灌溉技术；2）应用3S技术的精细灌溉技术。即：全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）；三是智能化节水灌溉装备技术。就是把生物学、自动控制、微电子、人工智能、信息科学等高新技术集成节水灌溉机械与设备。

1 物联网灌溉基本情况

随着我国水资源的日渐紧缺，我国的水资源供需矛盾也逐渐表现出来，而农业作为用水大户，其发展节水型农业已经成了农业未来发展势在必行的方向[2]。目前节水农业主要采取了滴灌、喷灌、微灌等节水灌溉措施，虽然相对于大水漫灌而言，已经实现了较高的用水效率，但综合分析，其精准度依旧不够，无法根据农作物的具体需水要求进行灌溉。物联网技术结合农业的发展诞生了物联网智能灌溉系统，不仅提高了灌溉精准度，同时也减轻了人力劳动，实现了远程控制，全面提高了农业生产的生产效率。物联网智能化农业灌溉是指不需要人进行其实控制，系统能够自动的感知对农作物何时进行灌溉，以及为农作物灌溉多少的问题。物联网智能化灌溉可以根据农作物的数据采集结果自动开启灌溉系统。物联网灌溉技术是目前我国从传统农业向现代化农业转型的重要技术支撑，也帮助农业生产实现了向远程化、精细化、自动化、虚拟化的转型[3]。物联网智能灌溉系统提高了灌溉的综合管理水平，将原本最需要人的经验才可以进行生产的农业，转变成了科技化生产模式，不仅杜绝了人为操作的盲目性与随意性，同时提高了全面管理水平，实现了一个人对上万亩地的管理。由此可见，推广物联网智能化节水灌溉，不仅可以有效地缓解我国的水资源短缺危机提高我国农业现代化的水平，改变原先粗放式的灌水模式，同时也可以实现农业管理水平的提升，提高农业生产效率，减少人力劳动，全面优化农业生产方式。所以基于物联网的农业节水灌溉技术，必然成为今后农业灌溉的发展趋势。

2 基于物联网的节水灌溉体系

为了全面实现我国农业高效灌溉系统的建设，必须要大力推广基于物联网技术的农业灌溉应用，这就需要建立基于物联网的节水灌溉体系[4]。利用物联网的节水灌溉体系首先应该利用物联网技术通过传感器采集土壤的温度、湿度、墒情、光照强度、二氧化碳浓度等基本信息，然后通过适合的无线传感设备，将采集的基本信息转化为数字信号，并通过无线通讯方式将这些信息的数字信号传递给计算机系统进行分析处理，计算机系统会将采集的信息进行智能化判断，根据需要及时的控制相关的智能灌溉设备的驱动，对，农作物进行智能化、精细化的灌溉。从而做到灌溉水量、灌溉时间和灌溉周期的三准确，提高水资源的利用率，达到灌溉用水的智能化控制。且由于物联网传感器的网络具有信息互递、自主组建网络、网络通讯时间同步等特点，因此可以对整个灌溉区域与灌溉节点的数据进行综合对比分析，即便个别数据出现问题，也可以对数据进行更正[5]。同时采集的数据也可以直接上传到网络，经过相关技术人员的分析，可以根据分析结果对灌溉数据进行更正，从而确保灌溉的准确性与高效性，如果发现农作物发生病虫害，也可以通过灌溉系统对农作物进行除病害作业。同时随着农业物联网平台的建设，也可以将这些数据上传到平台进行管理，对于构建一个高效、低耗、低投入、多功能的农业灌溉节水平台就这十分重要的意义，然后也对平台采集的信息进行分析，并根据分析的结果进行灌溉，甚至可以对预期将会发生的天獗浠进行预防性灌溉，提高农作物对灾害的抵抗能力，这也是未来物联网智能化灌溉发展的必然要求。

3 结束语

物联网技术作为新一代信息化技术的高度集成与综合性应用，已经成为了当前科技界发展的战略发展方向之一。通过物联网与农业的相结合，为农业信息化技术与农业产业的发展，提供了新的机遇，同时农业也为互联网技术的发展提供了一个广阔的应用平台，尤其是节水灌溉技术的应用，可以直接有效地解决当前农业发展遇到的问题，为农业的现代化进程提供强劲的动力，实现高效的精准化灌溉，全面提高农业生产效率。

参考文献：

[1]徐迪威，蔡建新.物联网及其应用剖析[J].计算机工程与应用，2011，47（15）：229-231.

[2]张邵钧，叶志申，黄仁泰.物联网关键技术及其应用[J].信息化研究，2011，37（4）：8-11.

智能化农业灌溉例4

农业作为关系着国计民生的基础产业，其信息化、智能化的程度尤为重要。21世纪的农业将是信息农业的时代，没有信息技术在农业上的应用，就不可能有农业现代化。物联网技术在农业生产和管理中的引入与应用，将是现代农业依托新型信息化应用上迈出的一大步。物联网可以改变粗放的农业经营管理方式，使农业发展走向高产、优质、高效、生态、安全之路的科技保障，实现智能控制，确保农产品质量安全，引领现代农业的发展。

一、作物智能化灌溉物联网平台建设的现实意义

近年来，新疆兵团已示范推广了农田墒情监测与灌溉自动控制系统，这对促进兵团农业灌溉水平的提高起到了积极作用，是兵团农业信息化建设成为世界领先，中国唯一的技术支撑。

智能化灌溉物联网平台是一个把远程监测系统、管理决策支持系统（或专家系统）及滴灌自动控制系统集成于一体，构成农业灌溉物联网综合技术体系。作物滴灌远程监控技术可通过该技术平台实现远程数据采集、数据存储、数据处理、滴灌自动化及故障排除等功能，可以将触角伸入到现场的各个节点，在异地也可充分掌握现场信息。该平台可以满足不同级别用户在线浏览知识、获知实时数据和远程化化灌溉管理。这将成为灌溉信息化管理发展的方向，将推动兵团农业节水灌溉自动化技术水平的进一步提升。

灌溉管理逐渐向走信息化、自动化管理是兵团农业发展的方向之一。近年来滴灌技术在全球的广泛应用，加强了对大田作物肥水管理的可控性。因此，研发嵌套作物水分管理决策支持系统的灌溉管理自动控制系统更为必要和迫切。中国农业大学、武汉水利电力大学、西北农林科技大学、石河子大学等对不同作物的水分管理决策支持系统都做了大量卓有成效的研究，为我国灌溉管理走向自动控奠定了良好的基础。

二、作物智能化灌溉物联网平台的先进性

物联网被世界公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。他是以感知为前提，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。在这背后，则是在物体上植入各种微型芯片，用这些传感器获取各种信息，再通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网路交互传递，从而实现对世界的感知。自2009年8月总理提出“感知中国”以来，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。农业物联网由农业信息感知层、信息传输网络层、应用服务层组成，可实现农业远距离、大范围的智能化管理。目前，我国已开发出一批农业专用信息感知和监控设备、适合农业特点的无线传感器网络节点、低成本电子标识产品，并在农业资源环境监测、土壤墒情监测、设施农业监控、农业生产精细管理、农产品流通与质量安全管理等不同领域得到应用，推进了信息化与农业现代化的融合。

三、作物智能化灌溉物联网平台是一〇五团科技发展的重要创新，探索了团场、科研院校，科技重心下移的新经验

作物智能化物联网平台依托新疆兵团科技成果（新兵鉴字[2011]第018号）“膜下滴灌远程墒情监测与灌溉控制系统研究与应用”，该平台为新疆生产建设兵团农六师一。五团与石河子大学多年的“产、学、研”结合背景，重点进行了滴灌作物土壤水分的时空变化特征、滴灌农田的蒸散模型、水分传感器的安装方法、低功耗阀门控制器（RTU）、基于GPRS墒情采集系统及农田墒情信息远程管理平台建设等方面研究，已实现了农田水分的自动采集、数据自动处理及墒情评价、滴灌自动控制等功能。实现了农田墒情监测实时化、决策专家化和灌溉自动化功能。在此基础上，应用Zigbee自组网和GPRS+INTERNET协作服务网络的关联，构建农田墒情远程监控系统和水分管理决策支持系统；建设基于上述两个系统为基础的灌溉物联网应用管理平台和示范基地。

四、作物智能化灌溉物联网建设平台建设在一〇五团建设情况

2011年新疆生产建设兵团农六师一〇五团被列入“兵团农六师五家渠现代农业示范区”。兵团农六师一〇五团5万亩作物（棉花、加工番茄）膜下滴灌高效节水示范基地为基础，引入干旱区农田墒情监测与灌溉远程自动化管理技术等科技成果，在兵团农六师一〇五团国家高标准农田生产基地（农业部示范基地）进行墒情监测与灌溉远程自动化管理技术集成创新与应用，建立农业灌溉物联网管理平台，为实现农田的土壤改良、肥水高效运筹、信息化管理目标、推动新疆农业产业持续发展提供理论依据和技术支撑。

1.智能化灌溉物联网在一〇五团推广，探索出了一条建设新路子

新疆兵团农六师一〇五团具有较强的科技力量，建有完善的农业科技服务体系，包括农业技术推广站、土肥站、病虫害防治中心、气象站等机构。团场通过多种方式，与石河子大学、新疆农垦科学院等院校机构建立了紧密的合作关系，为促进和保证一〇五团棉花产业持续高效发展，专门成立了农业科技发展中心，建立了现代化的检测中心，并积极开展各项科研课题的研究。作为项目主持单位，近年来承担各级科技项目有：农业部高标准棉田示范基地建设项目、棉花标准化体系制定与推广项目、棉花膜下滴灌墒情监测与自动控制技术示范推广等示范项目，取得了显著的成效和科技成果。

为进一步完善科技创新创业的政策法规环境，加快团场科技进步进程，促进经济和社会各项事业的发展，增强团场科技创新和区域综合竞争能力，团场积极贯彻落实国家科技进步政策法规以及兵团关于依靠科技进步，推动产业结构优化的精神，并根据经济社会发展的要求，针对科技发展过程中出现的新问题和面临的新形势，以及团场的实际先后制定了《一〇五团引进人才若干优惠政策》、《一〇五团科技工作奖励办法》等。这些制度的制订，建立和完善了人才使用的新机制等多方面内容，大力发展棉花高效节水技术、测土配方施肥等高新技术，加快一〇五团科技示范园建设，进一步引进和扶持民营科技企业发展，建立科技风险投资机制，进一步加强产、学、研合作，建设科技发展的支撑服务体系，加快信息化建设，科技发展的环境进一步优化等。

为使一〇五团农业能够实现健康、持续和跨越式发展，团场以此次现代农业示范区建设为契机，认真做好高标准农田、智能化节水、农业机械化、高标准农田林网等的规划建设，目前已完成的项目运行状况良好，经济效益明显，其他各项建设工作正在扎实有序进行。如在农业高效节水方面：截止到2011年，团场已安装常规滴灌11.5万亩，普及率达到97.5％，农业灌水利用系数0.85。在农业机械化发展方面：团场现有各类拖拉机584台，农具862台（架），机具配套比1：1.5，农业机械化率80％以上。建设一〇五团农机服务中心，集停放、检修和保养等功能。在农业示范基地发展方面：建设优质商品棉基地，加快农业信息服务平台建设，整合涉农信息资源，推动农业信息规范化、标准化，为优质商品棉基地建设和管理，提供信息服务平台。

2.智能化灌溉物联网平台在一〇五团推广产生的优越性

新疆兵团农六师一。五团是以农业为主的团场，棉花是团场的主导产业。按照中央提出兵团加快推进“三化”建设和农业“三大”基地建设的要求，全面推广农田智能化灌溉物联网平台，切实发挥高新节水示范效应，推动团场现代农业健康快速发展。2011年在在2连示范推广棉花自动化滴灌5000亩，节水明显，增产显著，具有省工等特点，其节水技术已达到国内领先水平。该平台示范具有以下优势：第一，使普通滴灌系统能够严格执行轮灌制度，由随意轮灌走向科学灌溉，节约用水和用电10％左右。2011年常规滴灌每亩水方量380方，滴灌自动化每亩350方，每亩节约用水7.5元。第二，使“少食多餐”、高频灌溉技术能够真正实现，促进了作物稳健、持续生长和高产、高效益，亩增产35公斤，产量提高8％以上。第三，提高了劳动生产率，降低了劳动强度，人均管理定额由50亩提高到300亩，管理费用由120元／亩降低到20元／亩。第四，避免了人为开关球阀对作物造成践踏、灌溉时间不一致导致作物生长不均匀等影响。

五、作物智能化物联网平台强化了科技与团场发展的结合。取得了显著的经济效益和社会效益

1.经济效益

作物职能灌溉物联网平台建设将对提高示范区农业生产效益产生显著影响。棉花膜下滴灌的人均管理定额从当前的50亩增加到300亩，平均单产提高28kg／亩，单位面积棉花膜下滴灌生产综合效益增加260元／亩。当推广面积达到5万亩时，将产生综合效益1300万元。对提高示范区农业生产效率、提高农民收入具有显著作用。

2.社会效益、生态效益分析

智能化农业灌溉例5

二、现实意义

为了解决我国农业用水存在的水资源紧缺与水资源污染、浪费严重的突出矛盾以及节水灌溉管理体系有待加强完善的问题，应该更新观念，以现代化大农业的发展为中心，不断向节水灌溉、高效用水模型和绿色环保的研究领域扩展、加强作物需水规律和灌溉制度的研究、加强农田水利应用基础研究等措施，解决农业水资源短缺，保证农业、水利可持续发展。

三、研究目的

实现水稻用水灌溉的最优控制，为农田灌溉排水工程设计和运行管理提供科学依据，为农业可持续发展提供技术支撑，对现代化大农业发展起到引领和示范带动的作用。

四、系统功能

把田间多余灌溉用水排进蓄水池进行保存，最大限度地节约水资源。由于循环水中含有化肥、农药、养料，使之循环利用，做到不污染环境，节约农药、化肥、节约生产成本，绿色环保。水稻田间铺设灌水、排水管道，田间装设电动进水阀门和电动排水阀门、电磁流量计、水位计、水质检测等仪表，按照寒地水稻的全生育期的灌溉需水规程要求，做到灌溉水的自动循环利用，减轻劳动强度，降低人工成本。

五、系统理论基础

智能化循环节水灌溉项目以水稻叶龄诊断技术为理论基础，根据水稻不同叶龄时期的需水规律，分别制定出水稻各叶龄生育时期的灌溉控制策略。秧苗三叶一心开始插秧，田间保持花达水状态；4叶返青期，上护苗水3-5cm；分蘖期保持3-5cm水层，分蘖盛期即7叶期晾田控蘖5天左右；拔节期和孕穗期实行间歇灌溉，水层自然落干后，再灌水3-5cm；孕穗末期至始穗期可根据水稻长势适当晾田；抽穗、开花至蜡熟期继续实行间歇灌溉；水稻成熟前30天停止灌溉，等待收获。

六、系统工作过程

安装在灌水渠和排水渠上的智能灌溉控制装置接到系统决策指令后，通过控制灌水和排水电磁阀的开启和关闭，将蓄水池中的水流入格田或将格田内多余的灌溉水回收到蓄水池进行储存，供下次灌溉使用，从而实现自动化的循环灌溉。

由于天气高温、蒸发量大或其他原因造成格田内的水层深度低于水稻该叶龄期的水位临界值时，系统对传感器采集的数据进行分析诊断后，自动发出灌水指令，蓄水池中的水泵接到指令后立即启动，蓄水池中储存的灌溉水流向灌水渠，同时灌水渠的电磁阀自动打开，灌溉水进入到格田内。当格田内的水层深度达到系统预设值时，系统发出停止指令，蓄水池的水泵停止工作，灌水渠电磁阀自动关闭，停止灌溉。

由于栽培技术要求需要排水，或者是遇到较强的降雨造成格田内的水层深度高于水稻该叶龄期的水位临界值时，系统诊断后立即发出排水指令，排水渠电磁阀自动打开，田间多余的水通过排水渠流向蓄水池并储存起来。当格田内的水层深度降到系统预设值时，系统发出停止排水指令，排水渠电磁阀关闭，停止排水。

七、应用效果分析

1、 用水量监测

对系统灌溉监测数据统计分析，智能化循环节水灌溉用水量107m3/亩，其中排水量45m3/亩，需地下水62m3/亩，常规灌溉需地下水128m3/亩，全年省水66m3/亩。节约了水资源，实现农业可持续发展。

2、 节约肥料成本分析

分别在水稻插秧排水、分蘖、晒田排水和齐穗4个时期，采集水样。养分化验结果见下表1。

蓄水池全氮含量1.2mg/L，晒水池全氮含量0.34mg/L，差值为0.86mg/L，循环水二次利用水量45m3/亩，增加全氮养分含量38.7g/亩，可节约尿素0.09kg/亩；磷肥比较稳定，养分流失量很小，可忽略不计，速效钾流失量最高，按上述方法计算，可节约50%硫酸钾0.6kg/亩，通过智能化循环节水灌溉技术亩节约尿素0.09kg，50%硫酸钾0.6kg，节约肥料成本3.1元/亩。

2、 节约人工成本分析

应用该项技术实现灌溉管理的智能化、自动化控制，节约水稻生产灌溉田间管理人工费15元/亩。

智能化农业灌溉例6

智能灌溉施肥机是由农业推广站和北京金福腾科技有限公司共同开发的，具有自主知识产权的农业自动化高科技产品。该系统采用先进的计算机技术，工业自动控制技术，无线远程控制技术及物联网技术，可以对农业灌溉施肥进行精确的控制，根据不同作物的种类，生长阶段、生长环境、气候土壤条件实施智能化精细灌溉施肥，并能远程监控系统的运行。该系统采用动态的中文人机运行界面，使用触摸屏进行操作，操作直观简洁，功能强大，智能化程序高，可满足不同灌溉水源及不同灌溉条件的要求。具有节水60%、节肥50%，增产30%、环保、省人力等优点。

智能灌溉施肥系统主要包括四部分：水源、中心控制组件、管网系统和灌水器。其中中心控制组件包括水泵、过滤器、灌溉泵、压力和流量监测设备、压力保护装置、施肥设备和自动化控制设备。管网系统包括各级主支管道，各种口径的管道控制阀门，排污设备，田间枢纽，毛管等。本科技项目主要设计中心控制组件部分，集中利用计算机技术及自动化控制技术实现自动灌溉和智能施肥。

智能灌溉施肥机采用模块化设计，可以根据现场需要进行扩展，最多可以控制200路电磁阀门，及使用200 个灌溉程序对灌溉进行智能化管理。同时可以自由添加各种相关模块，比如气象站管理系统、温室管理系统、GIS地理信息管理系统等。

智能化农业灌溉例7

三年前，一次和同学的聚会中，一位从事土豆种植的同学向赵致钧提出一个问题：“种土豆灌溉太累了，你能不能想个办法，让我在家里就能浇地？”朋友这句不经意的话引发了从事IT开发行业多年的赵致钧的思考。回来后，从未接触过农业的赵致钧开始进行全面的市场调查。慢慢地，他发现我国水资源严重短缺、严重浪费，并且浪费最多的是农业用水的漫灌，而国家对水利资源的重视是空前的。他还发现农村劳动力短缺，不远的将来会更加严重，农业集约化经营是未来农业发展的必经模式。目前国内节水灌溉还停留在人工管理阶段，不仅人力成本高，也带来水、电的浪费；而节水灌溉控制器国外产品居统治地位，产品价格高，技术还相对陈旧，国内节水灌溉研究主要以农科、水科体系为主，工业化、产业化研发严重缺失。了解了这些农业发展现状后，善于抓住机遇的赵致钧最终下定决心：开发利用现代最先进物联网技术的智能灌溉控制系统，打破国外对节水灌溉高端控制器的统治。

回忆起当初之所以选择基于物联网架构、智能手机操控的智能灌溉系统这样高难度的科研技术作为研究方向，赵致钧解释说，这是由他的爱好、积累、性格和人生的目标决定的。兰州大学物理系出身的他，第一次接触微机的时候就爱上了计算机。他觉得，无论是计算机硬件还是软件，都包含着逻辑之美。而逻辑思维是物理系学生所擅长的，所以他学计算机从来没有感觉到困难。20多年来，他从单板机、PC机，到小型机、大型机；从硬件的设计、调试、编码，到软件工程的实践；从单机软件，到C/S、B/S；从编码，到设计、分析；从单人工作，到有一定规模的团队，可以说涉猎很深很广。他还曾发明“毛细血管扩张治疗仪”、“IC卡自助加油机”，获得“河北省发明博览会金奖”；在银行等大型国企、知名IT公司长期担任技术开发部门的骨干和领导；并对电子技术、计算机软件、硬件、互联网、移动通讯、软件工程、物联网等IT技术领域的应用开发有着深度的研究和探索。以自己的知识和实践积累，以自己敢于打破常规的思维，开发出能够让人们生活的更好的IT产品，一直是他孜孜不倦追求的目标。他为此坚持了20多年。而在这20多年来，他遇到过的困难也是常人所难以想象的，他都以惊人的毅力一一克服了，一直坚持到了现在，始终留在IT行业。现在，他终于找到了一个非常有前途、有意义的方向，一个可以将他毕生的积累得到充分发挥的方向。也就是从那时起，他暗暗告诉自己：这就是你此生事业的落脚点了。

经过三年艰苦的开发，如今，赵致钧领导下的冀雨科技开发了全嵌入式、全程无线的农业物联网开发平台，在此平台上，拥有多项发明专利和软件著作权的产品：水手TM系列灌溉控制器硬件、助农宝TM系列灌溉控制软件终于诞生了，并形成“助农宝”解决方案：“基于智能手机的中心支轴式喷灌机智能控制系统”和“基于智能手机的滴灌微灌智能控制系统”以及“温室环境测控管理系统”。在品牌建设方面，赵致钧为他的企业注册了冀雨科技TM企业商标，以及水手TM硬件产品商标、助农宝TM软件产品和助农宝TM系统产品商标。该产品填补了国内空白，并达到国际领先水平，一经推出，就受到国内行业专家的高度认可。目前，该项技术已与国家半干旱农业工程研究中心、农机研究院、水科院、农科院以及生产厂家、农场等合作，在内蒙、河北、新疆等地开展了示范性的应用。赵致钧也因此获得2012自主创新品牌大会“自主创新杰出人物奖”。

创新引领未来

在当今信息时代，没有创新的技术是无法立足的。赵致钧深深地懂得市场的残酷，更懂得科技创新的重要性。因此，在坚持创新的道路上，他分秒丝毫都不敢怠慢，始终刻苦钻研，努力走出自己独有的特色路。

应运而生的“助农宝”就是科技创新与发展的结晶，是将移动互联网引入农业的新科技，是现代人“最亲密的伙伴”手机的应用延伸。这项技术通过Android系统的手机，就可以实现对田间喷灌、滴灌等节水灌溉系统的远程控制，它不受时间、地点限制，真正实现了“灌溉之水，信手拈来”。据赵致钧介绍，这是国内首款基于智能手机的灌溉控制系统，拥有无可比拟的便携性和移动性；而且它全程都是无线的，从操控端，到田间的集控器，到终端的控制器、传感器都实现了无线连接，彻底避免了传统有线技术的布线和线路维护问题，是面向未来的技术产品。“冀雨灌溉助理系统”非常注重用户体验，界面是“傻瓜化”的，让用户做最少、最简单的事情，摒弃无用的常态信息和专业的图表，并且是基于国际标准网络协议的，因此是真正基于物联网的技术产品。除此之外，此系统还拥有高强度硬加密――实现“自我保护”；整套应用系统，从硬件到软件，从手机软件到服务器和嵌入式软件，完全是自主研发形成的，拥有完整的自主知识产权；整套产品的设计是基于工业化的，不是那种拼凑的实验室产品，这为产品的产业化和规模推广奠定了坚实的基础。

冀雨科技的产品以全程无线通讯、安装简便不需布线，傻瓜化操控不需要培训，集成化设计、不需要现场维护而深受使用者的欢迎。相对于计算机控制的产品，“助农宝”使用智能手机操控真正把使用者和管理者解放出来；相对于利用传统控制器的产品，“助农宝”使用开放的Android系统开发，具有强有力开放性和灵活性，为产品设计、现场安装配置、软件升级等各方面都提供了无可比拟的优势。据赵致钧介绍，“助农宝”系统的功能主要有以下几点：①通过智能手机在任何地点远程遥控节水灌溉设备的开关动力电、起停水泵、开关水阀；②在智能手机上显示节水灌溉系统的状态；③实时检测电压、水压、地温、土壤湿度；④通过控制电磁阀，控制不同地块的灌溉，并能实现自动轮灌；⑤智能手机、本地触屏和电脑可同时使用；⑥可在手机上进行参数配置；通过配置一部手机可控制多套灌溉系统，一套灌溉系统可受控于多部手机；⑦可以选择摇控和智能控制模式工作。这些都是其他灌溉系统所无法比拟的，赵致钧对此非常自信。

冀雨科技的产品之所以围绕智能手机打造，因为赵致钧相信，在智能手机势如破竹地走进人们日常生活的今天，智能手机天然就有的易维护、前所未有的便携性，再加上冀雨科技精心设计的“傻瓜化”操控界面，没有任何远程控制系统可以拥有像冀雨科技系列产品这样的用户体验。不走寻常路，摒弃了电脑而使用智能手机，从事计算机开发二十几年，从单板机、单片机、PC机，到服务器、小型机、大型机都有亲身开发和使用经历的赵致钧有着自己独到的见解：第一、电脑设计的初衷就是让人们在家或办公室使用的，无论是哪里，田间管理人员的工作的环境都不会像家里和办公室那样优越，这样，“小家碧玉”的电脑怎能在“下里巴人”的田间长期稳定工作？第二、我国农业从业人员整体素质偏低，使用电脑已经勉为其难，电脑的系统维护就更是天方夜谭，加上田间现场一般都比较偏远，环境恶劣，一旦系统出问题，维修就成为大问题；第三、无论是多么现代化，田间管理需要人员到现场的情况还是非常多，如果只能在室内控制，那势必需要增加人员。而使用智能手机就解决了上述的所有问题：一方面，手机早已成为人手一机的“标配”，而智能手机随着价格快速向下降，已成燎原之势进入每个人的口袋；另一方面，IT行业和媒体吹捧的3G和“物联网”技术支撑的“手机控制家电”技术之所以在市场上仍然是不见踪影，主要还是因为人们对远程控制家电的需求并不是很迫切。但对于农业，手机控制可以实现真正的“无人值守的灌溉”，这为农民带来实实在在的实惠。不仅节省了大量的劳动，还为精准种植提供了简便实用的工具。

赵致钧领导下的冀雨科技取得了如此多的成果，并最终得到了大部分终端用户的认可，其中也经历了很多的困难和曲折。据赵致钧回忆，公司首先遇到的困难就是产品在现场应用时的不稳定。原来在实验室运行得非常好，经过几个月测试的系统，到了现场却发生各种意想不到的问题，根本就不能正常工作。于是他们积极地查找问题，回来再试，还是不行，最后干脆住到现场附近，每天就在地里开发。那段时间，从早上天蒙蒙亮，一直干到天黑了，最后终于发现和克服了到现场后出现的问题，使产品稳定下来。其次，就是公司的资金不足问题。公司研发的产品还没有见到效益，初期融到的投资就花完了，有些投资人就打了退堂鼓。这个时候，赵致钧面对的压力是前所未有的，但他自己从未失去过信心。他一边要继续开发，要开拓市场，一边还要想方设法地借钱。在家人和朋友们的支持下，凭着自己渴望成功、始终不渝的信念，他最终顺利度过难关，并取得了令人瞩目的成果。

文化创造成功

当今世界，文化与经济和政治相互交融，在综合国力竞争中的地位和作用越来越突出。文化的力量，深深熔铸在民族的生命力、创造力和凝聚力之中。一个没有文化的国家和民族是可怕的，是注定要被其他国家超越和被历史淘汰的。作为一个企业，又何尝不是如此呢？企业文化是一种精神文化，它是向心力，把整个企业凝聚在一起。在企业文化的感召下，企业全体员工才具有了高度的责任感和统一性。一个没有文化的企业注定不可能取得成功。

2010年回家创业的赵致钧，经过两年的开发，创立了冀雨科技有限公司。公司建立了一支以他为首的懂技术，会管理，善经营的精干队伍，确立了公司以技术创新为主要推动力的创业原则，以填补国内空白的中心支轴式喷灌机灌溉系统的智能控制为切入目标，开展了高起点、高效率的工作。他为公司制定了“以智能化、数字化、电子化、自动化技术服务于农业，打造中国人的‘智慧农场’”的企业使命和“现场是需求的根源，需求是创新的根据，创新是企业的根本”的核心企业文化。

就是怀着这样的理念，赵致钧为冀雨科技制定了这样的目标：从农业自动化领域需求最为迫切的节水灌溉自动控制系统为切入点，首先以自己的创新产品开创“物联网”技术在农业应用的新格局，打破国外产品垄断节水灌溉高端控制器市场的局面，以最快的速度让我国的农场和农户用上智能化的节水灌溉产品，节省水资源，解放大量的劳动力，并为精准农业奠定一个良好的基础。就是怀着这样的理念，赵致钧带领自己的开发团队另辟蹊径，不走外国企业走过的路，也不走中国“学院派”开发者们走过的路。他把“良好用户体验”作为产品设计的第一要旨，设计中国农民“拿来就用”的智能化产品；把实现产业化、市场化作为创新的根本目标，开发免维护、高稳定、可以DIY的产品体系；把持续开发、步步深入作为高速成长、逃离低水平竞争的核心企业文化，开发建立高起点核心开发平台。

冀雨科技的企业核心思维是创新，围绕创新将企业打造成为学习型企业是赵致钧企业管理的核心理念。公司不拘于学历和经历使用人才，根据员工自身所长分配岗位，为每个员工提供充分的学习成长空间。赵致钧认为，要做到科技创新首先要有深厚的积累，厚积才能薄发；其次还要能不盲目追随、敢于标新立异；除此之外，还要有勇气、有担当、有实干精神，这几样缺一不可。在他的带领下，冀雨科技的开发人员，每个人都可以独挡一面，不管理论基础有多深，但每个人的工作都是认认真真、扎扎实实的。

智能化农业灌溉例8

中图分类号： TN926?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0149?05

Abstract： The light monitoring and water?saving irrigation system has the characteristics of complexity and lagging performance， and the traditional control method has low irrigation control efficiency， which may results in waste of water resource. An illuminance monitoring and water?saving irrigation system based on Internet of Things （IOT） was designed. The system is composed of soil moisture sensor， IOT collection terminal， sprinkler control terminal and intelligent illumination monitoring module. The remote control of agriculture irrigation configuration is realized by means of the IOT sensing platform. The intelligent illuminance monitoring system is used to approach the practical illumination data to the ideal data， and monitor the illuminance. The basic framework of terminal acquisition module is introduced. The interface circuits of soil humidity sensor and GPRS communication module are given. In software design， the function modules of the system are analyzed， the part critical codes of the water?saving irrigation pattern processing are given， and the software design process is introduced in detail. The experiment results show that the designed water?saving irrigation system can monitor the illumination status accurately， and has high water?saving efficiency.

Keywords： Internet of Things； illuminance monitoring； water saving irrigation； terminal acquisition module

0 引 言

当前我国的农作物干旱问题，对农业生产发展产生了不好的影响。在复杂的地理环境与光照的作用下，我国农业用水资源量和灌溉效率较低[1?2]。因此，设计一种光照监控与节水灌溉系统具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题，受到了越来越广泛的关注[3?5]。

文献[6]提出的节水灌溉控制器利用红外线热电偶收集土壤信息，结合对大气湿度和土壤湿度条件的分析，使数据更精准，谋划更全面，由于控制器的价钱不符合农民的心里价位，因此比较难推广。文献[7]描述的模糊控制系统以编制好的管理程序为依据，对作物水量的需要进行灌溉，该系统的优点是管理准确，缺点是不符合中国现实情况，得不到全面发展。文献[8]的灌概操作系统在单片机基础上研发了闭环自动控制系统，它可以利用多点对土壤湿度进行收集，具有多种路径传输、不定期灌溉、定点按时灌溉的优势，系统的容错配置使系统在工作状态下更方便使用，同时在不同的环境条件下可以对模块重新排列组合，由于其过程复杂，现实中操作较难。文献[9]通过模糊控制理论设计的模糊推理节水灌溉方法，将作物的蒸发量和土壤水量作定为输入变量，将作物的需水量当成输出变量，能够及时精准地获取作物需水程度，具有一定的工程应用参照价值，缺点是易受到外部条件的干扰，收益率低。

针对上述方法的弊端，设计基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统，给出了系统的总体设计，通过物联网感应平台实现对农业浇灌配置的远程管控。利用智能光照监控系统使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。介绍了终端采集模块的基本框架。软件设计中，分析了系统的功能模块，给出节水灌溉模式处理的部分关键代码，介绍了详细的软件设计流程。实验结果说明，所设计的节水灌溉系统可对光照情况进行精确监控，节水效率较高。

1 硬件设计与实现过程

1.1 系统硬件的总体逻辑单元结构设计

基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统主要由土壤湿度传感器、物联网采集终端、喷灌机控制终端、智能光照监控模块构成，详细结构如图1所示。土壤湿度传感器被埋至土壤中，以得到不同深度的土壤水分信息，同时将其变成0～5 V的模拟电压信号。智能光照监控模块使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。物联网采集终端对土壤湿度传感器和光照监控模块的信号进行采集，通过GPRS 单元将采集的信息发送至监控中心。监控中心不断接收物联网采集终端传输的信息，通过分析获取最佳灌溉方案，将灌溉命令传输至喷灌机控制终端，实现节水灌溉。

1.2 物联网的逻辑结构硬件设计

物联网感应平台主要由智能传感平台、营运调控平台、网络传递平台和实际操作平台4部分组成。每个感应平台的构成都有不同的作用。首先，智能感应平台需要在智能图像操作系统和泥土湿度与温度视觉感应器的引领下完成对土壤中所含水分以及土壤冷热的检测。其次，营运调控平台主要用于对当季天气的旱涝情况进行预先报到，以便及时对庄嫁进行补救和产量的预测，它还具有远程操控浇灌作用，达到对水资源的节约利用的目的。再次，网络传递平台是整个物联网体系的根基，它由PAN 网络、LAN 网络、WAN 网络和网络传递标准组成。最后，利用实际操作平台把实时的天气和旱涝消息经过PAD、移动电话和互联网等其他网络工具传递给使用者。这样不仅实现了对农业浇灌配置的远程监控，也可使政府部门准确掌握农业天气变化，以便在宏观上了解农业生长状况，实现节水与调整的全方位处理。

1.3 智能光照监控模块的硬件设计

智能光照监控系统采用传感器节点收集温室里外环境的阳光、水分、浓度和温度，对农作物的环境情况、生态情况和种植作物的长势情况做出研究后，利用监控的对应功能对各种要素进行主动的管理，使光照条件和作物的生长情况相适应，达到准确合适的成长和增加产量与提升质量的目的。

总体结构示意图如图3所示。

系统通过自动控制模式与手动控制摸式对光照进行监控，两种模式可利用控制面板切换。手动控制模式较简单，由操作人员直接控制，通常用于调试异常情况。在自动控制模式下，计算机通过运行，将光照调控理想数据传输给寄存器，将实时监控数据和理想数据进行对比，智能操作光照控制机构的开关，使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。

1.4 物联网信息采集单元的硬件设计

基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的终端采集模块是物联网采集单元，其基本框架如图4所示。

土壤湿度感应器把收集到的土壤数据，通过镶嵌状的微控制器MCU操作后传送到采集单元，再经过GPRS 网络传输到管理中心计算机上，就会自动呈现出关于湿度的数值情况。子系统内的参数转换器 ADC接收到的土壤感应器信息是经过信号调理电路操作的最终数据。GPRS板块收到利用串行口反馈的数据后，通过网络关口将其传输到Internet上，与Internet相连的中心站计算机就会得到数据。

在该设计中，选择的 GPRS 通信模块接口均是TTL 电平接口，它能和ATmega128 单片机的串行接口直接相连，接口电路如图5所示。

GPRS模块需采用直流5 V电压供电，通信节点是TXD，RXD，能与AVR 单片机的串行接口直接相连，ONLINE是在线提示入口，与互联网接通后端口会发送一个低电平信息，利用74ALS04 完成反向处理后会驱动D1发光二极管，如果发光二极管变亮，说明GPRS模块和网络相连。

在物联网采集终端中，土壤湿度传感器接口输出的信号经线性转换操作后被发送至ATmega128的ADC1引脚，通过 ADC实现模数转换。土壤湿度传感器接口如图6所示。

由于湿度传感器传出的电压信号需经过远距离的电缆输送，缺少牢固性，易受到中高频率设备噪音的影响，因此需在电压信号传进电路后和进入ADC前利用低通滤波把噪声和干扰滤除。通过滤波器后的传感器输出信号首先通过R1与R3合成的分压电路变换成为0～4.09 V的电压信号，然后经一级缓冲，最终传输至操作器的ADC端口。

2 系统软件设计

2.1 软件功能设计

为了全面推广基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的设计，让使用者更方便清楚地了解该系统，给出该系统的五大功能，系统功能图如图7所示。

（1） 地理信息空间展示功能：地理信息空间展示功能主要包括节水浇灌智能管理终端呈现和万亩方示范区数据信号呈现。其中水浇灌智能管理终端呈现的具体项目有井房管理、农业机井与节水状况监察测试点、天气变化监察测试点、幼苗生长监察测试点和农田里智能操作设备等基础配置空间显示。万亩方示范区数据信号呈现包括对地表轮廓数据显示、耕地分布与利用数据显示、耕种作物数据显示、行政单位规划数据显示、水利和道路车辆情况显示以及森林分布数据信息的显示。

（2） 信息综合查询功能：信息综合查询功能是把查找的最终数据与空间分布位置统一呈现出来的一种查找功能。

（3） 通信服务功能：通信服务功能主要包括两个方面：承担与井房管理站的信息传递，收集浇溉范围内的墒情、气象等传感器数据消息；保障墒情检测点信息的畅通，能够不间断传递灌区墒情数据情况。

（4） 农田节水分析决策功能：农田节水分析决策功能利用通信技术掌握灌区数据并对浇筑用时和灌水定点时间进行最终分析，它是整个系统的中心计划核心。它具有不同类型的灌溉决策样本，主要有按照时间定点的灌溉决策样本，按照感应器、气象数据和作物成长样本的智能灌溉决策模型，以及远距离非自动化的灌溉决策模型三种类型。

（5） 农田节水智能灌溉控制功能：农田节水智能灌溉控制功能主要有管理决定远距离输送和监管浇灌时的及时数据以及特殊情况下送水路径的预警提示。利用短信形式对出现的特殊浇灌情形进行提示，实现实时情况下对浇灌设施的管理。

2.2 灌溉控制处理模块软件设计

2.3 软件设计流程

灌溉操作的规划设计需按照土壤中所含水分的多少即旱涝状况来具体执行，这样能够及时获得准确的前沿土地数值，为具体负责单位提供参考根据，在此基础上再对各个地域的缺水情况做出整体全面的研究，提出解决方法。为了不浪费能源，使该系统发挥更好的作用，可以采用区域派遣形式对不同程度的干旱土地进行差异化灌溉。将先前收集到的土壤干旱程度和解决办法发送到传感器节点，按照得到的返回数据，通过传感器网络末端的终端信息，获取各区域具体需要的灌水量。详细的软件设计流程如图8所示。

3 实验结果及对比

为了验证本文设计的基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将传统广域灌溉系统作为对比进行分析。实验环境如图9所示。

将不同区域不同旱情的农作物作为研究对象，分别采用本文系统和广域系统对农作物进行节水灌溉，灌溉准确度曲线比较结果如图10所示。

分析图10可知，在不同区域的土壤环境下，采用本文系统的灌溉准确率一直高于广域系统，这主要是因为本文系统依据物联网关联技术，对不同区域土壤中的不同旱情进行了分析。详细统计结果如表1所示。分析表1可知，针对任意区域，采用本文系统的用水量一直远远低于广域系统，说明本文系统有很好的节水灌溉性能，有效弥补了传统系统的不足。

4 结 论

本文设计了一种基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统，系统主要由土壤湿度传感器、物联网采集终端、喷灌机控制终端、智能光照监控模块构成，通过物联网感应平台实现对农业浇灌配置的远程管控。利用智能光照监控系统使实际光照数据与理想数据接近，实现光照监控。介绍了终端采集模块的基本框架，给出了GPRS通信模块和土壤湿度传感器的接口电路。软件设计中，分析了系统的功能模块，给出节水灌溉模式处理的部分关键代码，介绍了详细的软件设计流程。实验结果说明，所设计的节水灌溉系统可对光照情况进行精确监控，节水效率较高。

参考文献

[1] 束慧.基于物联网和模糊 PID 技术的温室智能监控系统[J].节水灌溉，2014（11）：73?76.

[2] 裴素萍，吴必瑞.基于物联网的土壤含水率监测及灌溉系统[J].农机化研究，2013（7）：106?109.

[3] 李聪聪，高立艾，李云亮.基子物联网技术和模糊控制的智能苇水灌溉系统[J].节水灌溉，2013（12）：83?86.

[4] 王梅，王万岗，夏金凤，等.基于物联网技术的光照试验系统设计[J].中国农机化学报，2013（5）：232?237.

[5] 王福平，刘芳，冯盼盼.基于Java的农田节水灌溉监控系统的设计与实现[J].微型机与应用，2013（22）：83?84.

[6] 景秀眉，钱云庆.基于GPRS技术的农业节水灌溉远程监控系统[J].农村经济与科技，2013，24（8）：184?187.

智能化农业灌溉例9

中图分类号：S642.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.09.008

Abstract： This study used wireless sensors to collect air temperature， air humidity， soil humidity， soil temperature， concentration of carbon dioxide and intensity of illumination and realized the automatic obtainment， transmission and control of the data by using wireless transmission protocol .When the soil humidity was under the threshold， the system would start the magnetic valve and carry on drip irrigation operation. The intelligent irrigation control system could be used at the seedling stage， early-fruit stage， fruit stage and late-fruit stage. The results showd that the use of the system could save 15～20 percent water than ordinary drip irrigation operation.

Key words： internet of things； greenhouse； cucumber； intelligent irrigation control

物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮[1-2]。在美国、澳大利亚、法国、加拿大等一些国家，物联网在大田粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控制、果园生产不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水产精细化养殖监测网络和精细养殖等方面应用广泛[3]。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔1 min检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收[4-5]；2007年美国Crossbow公司推出了一款叫eKo的无线环境监测系统，该系统主要应用于精确农业和环境监测等行业，可实现对农业环境的实时监测，并实现智能灌溉、霜冻监测和施肥驱虫，从而达到节约资源的目的[3]。2008年，法国建立了较为完备的农业区域监测网络，指导施肥、施药、收获等农业生产过程。荷兰VELOS智能化母猪管理系统在荷兰以及欧美许多国家得到广泛应用，能够实现自动供料、自动管理、自动数据传输和自动报警。泰国初步形成了小规模的水产养殖物联网，解决了RFID技术在水产品领域的应用难题。国内主要在四大方面研发了一批系统，包括：田间环境土壤信息获取、联合收获机自动测产、农田作物产量空间差异分布图自动生成和农业机械作业监控等大田粮食作物生产方面；设施农业环境数据采集、、调控等设施农业生产方面；在果园监测、水肥控制、节水灌溉自动化等果园精准管理方面；养殖环境监控、健康养殖、畜禽水产养殖等。例如国家农业信息化工程技术研究中心成功研制了基于GNSS、GIS、GPRS 等技术的农业作业机械远程监控调度系统，可优化农机资源分配，避免农机盲目调度。中国农业大学建立了蛋鸡健康养殖网络系统和水产养殖环境智能监控系统[6-8]。迄今，物联网技术应用在中国还处于初期阶段，尤其在设施农业方面还主要停留在监测与初步分析环节，主要包括监测设施内土壤温湿度、CO2浓度等环境状况，依据监测数据指导农事操作，而其中存在的共同问题就是虽然利用了传感器技术，但是采集到的数据主要还是一种展示或统计分析，没有与相关控制设备进行联动，没有真正意义实现科学决策和智能控制[3]。

近年来，天津市设施种植业发展迅速，节能日光温室面积已近2万hm2，随着温室的升级改造，日光温室所占比例逐步增大[9]。日光温室是目前天津市冬春蔬菜生产的最重要设施之一。由于效益高、见效快，黄瓜生产面积迅速增加，目前已约占日光温室总面积的1/3。黄瓜是需水量较大的蔬菜，因此，科学的水分管理是决定产量的关键。目前，日光温室黄瓜的栽培基本还是沿袭以往的经验做法进行灌溉，不能对水分进行科学合理的利用与管理，不仅浪费水资源，而且还会导致日光温室保护地病、虫害发生和产量下降等问题[10]。物联网技术的应用可有效解决以上的黄瓜生产难题，利用土壤水分传感器可实时监测黄瓜栽培土壤的湿度现状以及动态变化情况，为黄瓜节水高产栽培及日光温室智能化管理提供参数及控制依据，进而实现节水灌溉自动化管理。

1 系统组成

基于物联网技术的日光温室黄瓜智能灌溉控制系统由环境信息采集系统、采集控制系统、视频监控、执行单元和监控中心5个部分组成（图1）。

1.1 环境信息采集系统

环境信息采集系统负责各类传感器数据的采集控制（图2），主要土壤含水量传感器、土壤温度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器及安装附件组成。环境信息采集系统所采集到的环境信息通过无线方式直接与采集控制器通讯，存储并显示。

1.2 采集控制系统

采集控制系统主要由核心控制器和相应的继电器控制电路组成。采集控制器是一款具有12路继电器输出、8路模拟量输入和8路开关量输入，具有良好的扩展性能。它可作为控制终端直接连接传感器、继电器以及电磁阀，实现对现场数据的采集以及对调控设备的手动或自动控制。

功能特点：扩展RS485总线接口，可组成以控制器为中心的多级控制系统；支持远程控制和参数设置功能，包括短信、GPRS网络和无线电台三种数据转发功能，可作为二级网络的现场控制设备与中央计算机通信；控制灌溉时，可设置轮灌组，每个组可按时间或者传感器上下限启动；按时间启动具有每天、单号、双号、星期、自由5种启动方式，每个轮灌组可设置7个启动时间，并可选择定时和周期两种启动方式；按传感器启动可设置启停的上下限。

技术参数：12路继电器输出；8路电流/电压量输入；8路开关量输入；2路RS485接口；2路232接口；支持20个轮灌组。

采集控制器通过串口服务器将485协议转换为网络协议，然后再通过交换机与无线网桥连接，最终将采集端监测的环境数据通过无线传输方式传回到监控中心。

1.3 视频监控系统

视频监控系统负责采集温室生产关键环节、植物生长状态的视频信息以及日光温室内的安全，所有图像信息通过无线网桥传输，实现到主控机房的汇总、统一控制管理，并且能够实现图像信息的远程访问；系统的应用有助于管理人员及时跟踪作物的生长情况，对作物生长的关键环节进行追踪，及时发现并记录作物的各种不良反应，为作物远程病虫害诊断及环境信息采集控制系统提供有效的数据支持。

1.4 执行单元

执行单元由滴灌系统和电磁阀组成，负责接收监控中心发来的指令，通过继电器可以控制温室内电磁阀，实现远程自动化灌溉。滴灌系统包括水源、首部枢纽、输水管网（干管、支管、毛管、管件及阀门）。首部枢纽由过滤器、压力表、控制阀、流量表等组成。输水管网：由主管、支管组成，主管与支管垂直，主管多埋在地下，支管多铺设在地面。滴灌管：按照做好的畦垄铺设滴灌管，滴灌管孔距与株距相同，为30～35 cm，铺好滴灌管后，覆盖地膜。

1.5 监控中心

监控中心由服务器、操作台、视频服务器及物联网监控软件等组成。物联网监控软件，包括日光温室环境信息监测软件及视频监控软件，部署在监控中心服务器上，可以汇总、分析采集得到的上述信息，实现对某项参数预警报警值的设置，当监测到的参数值超过设定的报警值时，系统会用不同的颜色标注出来，以提醒管理人员进行相应操作，并可以通过互联网对外。软件采用组态软件开发，人机界面友好，操作简单，可远程对现场设备进行系统配置、功能配置，并可实时数据列表显示、实时数据曲线显示、历史数据下载、历史数据列表显示、历史数据曲线显示、历史数据分析等功能。

系统具备远程数据功能（需要现场网络条件），用户只需录入指定网址，通过电脑以及手机输入密码直接登录，即可了解现场实时数据，并掌握整个系统的运行情况（图3）。

2 系统功能实现

项目合作单位天津市农业资源与环境研究所，前期已经开展了多年的日光温室黄瓜不同水分处理试验研究，在节水灌溉方面积累了丰富的经验，基本摸清了日光温室黄瓜各个生长期（幼苗期、结果初期、结果盛期、结果后期）需水规律，提出了实现黄瓜高产高效的土壤水分管理对策。（1）幼苗期：这一时期不宜湿度过大，易造成幼苗徒长，当土壤含水量小于田间持水量的60%时，每667 m2灌水6 m3；（2）结果初期：随着植株的生长需水量有所增加，当土壤含水量小于田间持水量的80%时，每667 m2灌水9 m3；（3）结果盛期：这一时期是黄瓜需水量最大的时期，当土壤含水量小于田间持水量的90%时，每667 m2灌水12 m3；（4）结果后期：这一时期黄瓜需水量较结果盛期有所下降，当土壤含水量小于田间持水量的80%时，每667 m2灌水9 m3。

以上研究成果为本系统的智能灌溉控制提供参数。远程监控中心由计算机和日光温室黄瓜物联网智能灌溉控制系统软件组成。计算机接收采集控制器发送的土壤含水量信息，与智能灌溉控制系统数据库进行分析、比对，从而形成灌溉策略，然后由监控中心计算机将灌溉命令下发到采集控制器，由采集控制器直接控制电磁阀进行滴灌作业。

3 结 论

目前，该系统在天津市现代农业创新基地天津市设施农业研究所11号日光温室内安装使用，通过应用取得三方面效果。（1）提高了日光温室黄瓜精细化管理水平。自系统安装以来每天24 h不间断采集日光温室环境参数与视频信息，并实现数据安全存储与共享，通过对监测数据的查询与分析、灌溉智能控制，对温室黄瓜灌溉与施肥决策等实现精确管理，每棚每茬口节省1个种植管理人工。（2）实现了黄瓜灌溉智能控制，提高了节水灌溉精度。以前都是通过研究灌溉制度的经验浇水，做试验时采用张力计，需要科研人员每天去棚里监测，看到张力计达到（灌溉设定的阈值）一定读数后，开始灌水，精度差。例如，做3个处理：土壤含水量分别达到田间持水量70%，80%和90%时开始灌水。采用张力计，往往灌水的时间点不是准确的定位在田持的70%，而是67%或73%之类，影响试验效果，耗费科研人员的时间和精力。现在通过水分传感器可以实时掌握土壤水分状况，通过提前设定好的程序，开闭电磁阀可实现精准灌溉，经测算本系统的应用在保证黄瓜产量水平和品质不降低的情况下，较常规滴灌系统节水15%～20%。（3）省时省力。以前科研人员管理1个日光温室3个不同灌水量滴灌试验，进行1次灌溉管理，需要依次开关小旁通阀90个，灌水时需要有专人盯着水表读数，浇1次水至少需要1个科研人员3 h的时间。而应用物联网技术后，仅需几分钟就能完成灌溉控制，大大降低了劳动强度，提高了劳动生产率。

参考文献：

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智能化农业灌溉例10

中图分类号： S275 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150932019

迁安市为了加快现代农业发展步伐，提高农业综合生产能力，推进农田水利设施建设步伐，实现管道输水到田间，基本实现“旱能灌、涝能排”，迁安市依托九龙泉水库和原配套灌区，对原有节水建筑物及灌溉渠系统进行维修改造，达到明显改善农业生产条件，提高农业综合生产能力的效果。

1 基本情况

迁安市九龙泉水库位于迁安市西北部的徐流河上，属青龙河流域，是一座以灌溉为主的小Ⅰ型水库，控制流域面积2.1km2，年均径流量63.0万m3，设计灌溉效益333.33hm2。工程于1975年10月开工，1977年12月竣工，主要包括主坝、一孔溢洪道和2个放水洞，其中左侧放水洞承担泄洪任务，溢洪道最大泄量25.4 m3/s，放水洞最大泄量2.5 m3/s。水库下游影响范围为徐流营、徐流口、上场、曲河、小套5个村，6230口人，560hm2耕地。库下设计6条干渠，总长7053m，支渠14条，总长4668m，共有各种建筑物107个，设计灌溉面积333.33hm2。

2 现状与存在问题

2.1 灌区设施老化，不配套、防渗差

灌区始建于20世纪70年代，水利设施年久失修，损毁严重，渠道跑、冒、渗漏严重，水资源浪费严重。目前，灌区内几乎无节水工程，除徐流口和上场村残存的1000m渠道外，其余全部损坏，灌区实际效益的灌溉面积大大缩减，已不足53.33hm2，不能满足群众灌溉要求。

2.2 政府投入少，农民负担重，群众灌溉积极性不高

近年来，国家对大、中型灌区投入大量资金，取得了良好的经济和社会效益，但对小型灌区几乎没有投入，九龙泉灌区属小型灌区，是群建群管工程，质量粗糙，随着运行年限的增加，需要投入大量资金进行维修养护，从灌区完工投入使用至目前，政府几乎没有投入，加之村集体经济薄弱，无力筹积足够资金进行改造，严重影响了群众灌溉积极性。

2.3 灌区管理体制、机制不健全

目前，灌区由群众自行管理，无健全的规章制度，无章可循，无法可依。这种粗放式管理方式对水利设施造成了严重破坏，支渠、农渠为土渠的被随意耕种。同时，灌区依然采用大水漫灌的落后灌溉方式，灌溉水利用系数低，造成了水资源大量浪费，灌水效益不高，进行节水改造刻不容缓。

3 节水改造的主要措施

2013～2015年迁安市依托现代农业粮食产业项目、农田水利设施维修养护项目，分别对徐流营、徐流口、小套、上场4个村实施了节水改造工程。

3.1 徐流口村实施取水口设施改造工程

九龙泉水库有左侧和右侧2个放水洞，分别灌溉下游对应的灌区。本次取水口改造工程主要对左侧放水洞进行改造。左侧放水洞通过300～400m输水隧洞从水库引水，取水塔设在库区采用活塞式闸门控制，该放水洞除向下游供水外，还承担部分泄洪任务，出水口石砌成门洞型，设计流量1.5m3/s，洞内岩石，较为完整。

对放水洞进水闸后采取封堵措施，封堵墙上下游水泥砂浆砌砖，中间填筑1000mm微膨胀混凝土，在拱顶做灌浆防渗处理。分别由直径500mm（备用）和400mmUPVC管道引出，洞中500mm管道直接铺设于取水洞底，400mm由砖顶起，在出口500mm管道设阀门作为备用管道，汛期兼泄洪功能，400mm管道出洞后就近埋入地下接入输水干管，投资50万元。

3.2 徐流口、小套、上场田间新建管网工程

新建低压管灌面积260.87hm2，铺设地下输水管道4.4万m，新打机井23眼，建智能井房23个，新建智能灌溉系统1套，上变压器3台，架设低压线路3km，共投资610万元。其中，智能灌溉系统是集智能控制器、集控集中传输RTU、出水口集控装、集控集中传输RTU、云计算中心、电脑客户端软件、智能手机客户端软件为一体的自动化灌溉系统。具有流量采集、土壤湿度采集和出水口的手动、自动控制等功能。该自动化灌溉系统在保证用户完成灌溉的前提下不浪费多余的水资源，达到精准灌溉、省时省力、实时监测、方便用户使用的目的。自动灌溉系统框图如下：

3.3 徐流营村实施了农田水利设施维修养护工程，维修渠道1325m，投资50万元，效益面积40hm2