张兴超

（昆明理工大学津桥学院电气与信息工程学院，云南昆明 650106）

0 引言

随着我国经济的快速发展，各行各业水资源的需求不断增加。其中农业生产中的用水量占我国总用水量的约60%，而我国沟渠与漫灌型的传统农业灌溉方式导致水利用率只有40%左右，这也是造成我国水资源匮乏的一个重要因素[1]。另外，传统人工灌溉方式主要是农民根据自身长期的农作物种植经验来决定灌溉时间以及灌溉量；灌溉精度和效率低下，农作物产量与品质无法达到较理想的状态。因此，改变灌溉方式、加强灌溉设备改造以提高灌溉用水效率，成为当前我国农业灌溉过程中节约用水的主要方向。同时，这一措施也能够改善农作物的生长条件，有利于提高灌溉效率和作物产量。

近年来，国家大力发展智慧农业，数据传输与智能处理、大数据应用、物联网感知等新兴技术被广泛应用到农业生产的各个方面。推动我国农业产业升级，不断朝着高效精细、绿色经济和可持续的方向发展。这也为我国农业灌溉方式由“传统灌溉”向“智能灌溉”转变提供了一个契机。智能灌溉是利用物联网技术将各种传感装置和网络连接起来，对农田及农作物的各种信息进行采集、传输和处理，并根据需要远程操控设备实现一种智能化的精准灌溉。智能灌溉系统主要利用了网络通信、基于传感网络的信号采集与处理等关键技术。该系统的应用有利于提高水资源的利用率和农作物产量，对农业生产起着至关重要的作用。鉴于此，结合智能灌溉系统的功能需求，对其关键技术开展研究，并分析系统的发展和应用前景。

1 智能灌溉系统功能需求分析

集数据采集与处理、自动控制技术、通信技术和计算机技术于一体的智能灌溉系统，是一种基于移动物联网的新型农业灌溉形式。在设计理念、实际环境和功能需求等方面都与工业系统有着较大差异。为了最大限度提高水资源的利用率和农作物产量，智能灌溉系统设计时应满足以下功能需求和特点[1-2]。

（1）能够利用互联网进行系统访问，方便使用维护、降低农业运营成本。农业生产过程一般操作现场较为分散且规模较大，如果将GPRS、3G/4G/5G 技术与互联网结合，使系统具有交互功能，既可大大提高系统的便捷性和可操作性，也可节省人力物力等运营成本。

（2）具有较强的续航能力、高可靠性，且操作简单。农业生产过程一般周期较长，为了保证整个周期内都能正常工作，系统应具有低功耗、高续航能力以及良好的可靠性等特点。

（3）能够适应不同的农业现场环境，适用范围广、灵活性强。系统需要通过大量传感器节点进行现场环境的数据采集，而耕种、灌溉、收割等农业生产活动以及露天的野外环境都会对传感器性能造成一定影响。因此，应从传感器节点设计和安装方式的角度考虑，使系统具有较强的环境适应性。另外，此种新型农业灌溉方式不仅能够应用于大型农场、农田，也应适用于城市绿化等多种场合，具有广泛的使用范围。

2 智能灌溉关键技术

智能灌溉系统主要包括基于传感网络的信号采集与处理、网络通信以及远程监控等功能。其中，多路信号采集与处理功能主要是利用传感网络实现对农业生产活动现场环境的数据采集、线性化处理、A/D 转换。网络通信功能是利用GPRS、3G/4G/5G 等通信技术完成智能灌溉控制终端与远程监控平台之间的通信任务。远程监控平台用于现场环境的数据监控和存储、控制命令的下发以及系统的综合管理。系统关键技术在于基于传感网络的信号采集与处理、网络通信功能的实现[3]。

基于传感网络的信号采集与处理功能主要依靠智能灌溉控制终端完成，该终端由传感器节点、信号隔离、A/D 转换和线性化处理等模块组成。可接入电压输出型、电流输出型等多种类型传感器，其工作温度为（-45～80）℃，并可实现高精度的数据采集和处理以及与远程监控平台之间的传输与监控功能。其内部存储器可存储设定值、地址、数据格式、波特率等用户配置信息，具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性。

网络通信功能包括2 个方面的含义：①智能灌溉控制终端内部通信，用于数据采集和控制命令下发；②与远程监控平台连接，用于远程监控和数据存储以及参数取出。两种通信功能分别需要数据链路层和应用层通信协议。网络通信的上行数据包括空气和土壤的温湿度、土壤养分含量、控制阀与控制终端的工作状态等。下行数据包括控制指令、控制阀的开关指令、各终端参数设置与状态查询指令等。

3 智能灌溉技术发展前景

土壤传感器和智能灌溉技术在农业生产中的应用，使得农业生产者可以准确测量和分析农田不同区域含水量，既可实现一定程度的农业自动化，也可提高农作物生产率。基于大数据、云计算和物联网技术的智能灌溉系统，未来将在农业生产中发挥越来越重要的作用，并且有着广泛的发展前景[4]。

（1）智能灌溉系统中加入天气预报功能，在旱季和雨季时提前发出天气预警，为下一步农业生产做好准备，以减少不利天气对农作物生长造成的影响。

（2）通过移动终端和电脑实现农田环境的监测、水泵和阀门的远程监控、农事服务信息数据的采集和管理。

（3）改变传统农业生产方式，提高劳动生产率，降低农业运营成本。实现农业生产的低成本投资和精细化管理，解决传统灌溉设施留存管理难、效益低的问题。

4 结语

新兴技术的发展及其在农业生产中运用，使得智能化灌溉逐渐成为了现代农业的重要发展方向。智能灌溉是利用物联网技术将各种传感装置和网络连接起来，对农田及农作物的各种信息进行采集、传输和处理，并根据需要远程操控设备实现一种智能化的精准灌溉。结合智能灌溉系统的功能需求和特点，对其基于传感网络的信号采集与处理、网络通信功能等关键技术进行介绍。该系统具有较高的社会经济效益和广阔的发展前景，对促进我国农业经济发展有着重要意义。