黄炳霖，慕嘉伟，徐梦颖，杨瑞，查志华

无线传感器网络与水肥一体化技术＊

黄炳霖，慕嘉伟，徐梦颖，杨瑞，查志华

（石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

伴随经济的发展，中国现代农业与现代电子技术相结合越发成为一种趋势。但是现阶段中国现代农业系统基本直接使用其他国家的系统，造成这些设备没法适应中国的农业技术需要。迎合农业技术和电子技术结合的趋势，将无线传感器网络与水肥一体化结合起来，自主研发一种系统以适应中国农业的需要。

WSN；无线传感网路；水肥一体化技术；水肥一体化智能浇灌系统

放眼全球农业节能浇灌技术在当代的发展现状，很容易发现电子浇灌这种节能浇灌技术在全球范围的推广进度不大相同。很多西方国家早些年便完全普及了农业上的电子节能浇灌，并且对农业浇灌技术拥有十分模式化的使用方法。可以说，国外在这方面暂时领先于中国。

1 中国水肥一体化技术的推广

1.1 相关设施少见

由于经历了许多年的技术改进和发展，到现在对于大型农田电子浇灌技术的应用主要还是喷灌辅助滴灌的浇灌方式，庄稼生长需求的水分与肥料的量几乎全部取决于栽培员集聚长久的工作经验，就算是经过了有关科学家的交流学习，完成这些操作依然需要栽培员自身的经验[1-2]。如果想要准确掌握每时每刻浇灌与施肥的数量，就一定要使用相适合的农业土壤监测设施。然而，目前中国相关的监测设施十分稀有。

1.2 技术推广困难

中国与国外的土壤环境并不相似，因此对于浇灌施肥的方式有许多不同之处，而中国此前推广的现代电子浇灌技术多是借鉴先进国家比较受欢迎或者影响巨大的事例，对于基建设施电磁阀门，传感器的选用也几乎全是沿用那些农业发达的先进国家。但是中国地大物博，不能保证每种浇灌模式都可以适用于中国的实际情况，所以大范围推广现代电子浇灌技术较为困难。

1.3 硬件设施成本过高

在近些年，中国在发展农业的方面上下了很大功夫，“智慧农业”进展十分迅速，由中国自主生产的基建设施也越来越多地使用在了各地农业基地[3-4]。可是现阶段原材料的成本依然过高，这就导致在某些时候中国企业生产的设备价格要更贵，并且中国农业发展不够好，经济利润较低，种植者便可能在购买基建设施时考虑更多，这在一定程度上阻碍了电子浇灌技术的推广。

2 关键技术介绍

2.1 WSN（无线传感器网络）

WSN是近些年提出的新技术，WSN通过一种创新的想法和实用的技巧处理了农业发展过程中遇到的各种有关信息采集与数据处理方面的难题，并且补足以前守旧的数据监控手段上的漏洞[5-6]。实际应用中，无线传感器网络能每时每刻地汇报给操作者土壤当时的生物生态数据等操作者需要的信息，协助操作者尽快找到突发状况并有能力非常精确地了解出现错误的位置，以此协助操作者拟定最贴合实际情况的处理方法，让农业生产从以前的凭借单一设施、以劳动者为关键的生产方式变化成依据信息与电脑相结合为关键的生产方式，有大量的信息网络化装置加入并同时应用，农业数据化、智慧化达到了大面积的实行。当今普遍使用的较为实用的无线传感器网络大致包含以下几个模块：无线传感器节点、集合节点、控制中枢。任意一个节点都具有一定的信号传送本领，然而它的传送距离非常局限，因此要使用汇集节点模块，汇集节点有能力把各单个节点发送的有关数据进行集合处理，在之后将处理后的数据一起传送给远程控制系统。在这个无线传感器网络结构里，传感器节点模块和控制节点模块彼此协作，完成规定范围内测量数据信息的收集与输送，并在最后将已经处理好的汇总数据借由无线传感网络传送到总控制中心[7]。

所有的节点模块大多通过直流电供电的方法，在以前通常是以蓄电池充当电源，并且在传感器系统内节点数量不多的情形中，借由技术升级节点软硬件降低能耗的方式允许网络系统整体的运作周期持续到全年[8]。

可是现在传感器网络的组成中需要部署的节点数目日益增多，通过蓄电池充当电源完全不能满足整个系统的能源需求，频频更替各个节点的蓄电池在浪费时间浪费人力的同时，在现场的实际工作里也非常烦琐[9]。如果某一节点需要的能源无法满足其需求，此节点的信息采集与发送以及基本的路由功能全部会停止运行，这样会无法保证此传感器网络系统的准确与稳定，同时使此传感器网络的工作周期急剧缩短。但显然如今，光能等新兴能源的快速发展完美地克服了这个难题，技术人员在构筑节能、功能丰富、节点数目多、耗能较大的现代农业节水浇灌系统时，无线传感器网络依然是首要选择的信息传输方式。

2.2 水肥一体化技术

水肥一体化技术早先是通过滴灌技术在农业浇灌方面一点点的实际应用改进发展而形成的。滴灌技术的发明让农业方面的灌溉技术发生了转变，它在一定界限里满足了按量按需分配水肥的需求。对于中国来说，滴灌是中国传统农业漫灌灌溉方式向现代农业节水灌溉方式改变的标志，同时是自1900年以后全球农业灌溉领域的革新突破。现在经常运用的水肥一体化技术是通过滴灌管道和滴灌滴头把符合土壤作物需要的肥料调制成合适的施肥液，再把施肥液和灌溉水一并导入可控的灌溉系统中，通过管道按时按量，有计划地运送到庄稼根系临近的泥土里，让它在发育的过程中保持土壤的酥软，保证含水量和微量元素含量[10]。

3 无线传感网络水肥一体化系统的设计

本系统更多地对于新疆地区庄稼的种植特性、当地土壤环境条件、当地在陪着技术发展水平等来进行考证研究和系统设计。此系统在应用时应符合以下性质。

3.1 适用性

庄稼是水肥一体化浇灌系统的适用对象与作用关键，庄稼发育情况的好与坏是检测此系统有无使用价值的单一准则。本系统应该可以同时进行一整块田地或多块田地的可控制浇灌施肥，并且可以满足与多种不同品种庄稼在不同生长时段对水分和肥料的需要。

3.2 高度兼容性

新疆地区及周边地区地属沙漠气候，春季较为干燥，多风沙，而夏季时而会有暴雨洗礼，此系统在硬件设施的外型设计与材料的耐久度的选则上需要更加严谨。在各个零件之间应实现更好兼容，最大限度地削减由于温、湿度等特殊环境或自然灾害造成个别装置的老损，和因为这样的原因而造成的有关装置灵敏度降低的问题。

3.3 安全稳定性

该智能系统拟选用拥有闪存存储器的PLC控制器和可触摸液晶显示屏，在拥有该种稳定的闪存存储器之后，就算遭遇电源供给不足抑或电源电压下降和人为断电等特殊状况，也并不能使系统损坏，造成内部重要参数设置、施肥浇灌程序设置以及已储存的有关土壤的环境数据等关键信息的遗失。

3.4 实用易操作性

此系统的操作UI界面应采用更加简单易懂的布局，更多地考虑人性化设计，使更多受教育程度低的使用者也可以在更短的时间里知晓操作并实际操作，这更适合广大农民的实际情况。

4 总结

水肥一体化智能浇灌系统的普及对中国农业发展意义重大，在针对中国传统浇灌系统问题的探究后，本文提出了一种运用WSN的智能化浇灌方法，旨在为广大科研工作者提供一些新思路，以便推进中国水肥一体化智能浇灌系统的普及进程。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技术在农业工程实验实践中的应用［J］.现代职业教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在农业工程DSP技术中的实践研究［J］.现代职业教育，2019（4）：94-95.

［3］周杰，王申，田敏.信息化模式在农业工程DSP技术实践中的应用［J］.天工，2019（4）：46-47.

［4］卢毅，周杰，万连城.一种无线传感器网络二维目标覆盖的改进方法［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，杨景文，马良，等.基于物联网的水肥一体化技术［J］.资源节约与环保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.视频技术在农业工程实践中的应用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，马良，杨景文，等.物联网技术在水肥一体化中的应用［J］.南方农机，2018，49（19）：4，7.

［8］刘宝，向丽，周杰.农业物联网技术与水肥一体化技术［J］.农村经济与科技，2018，29（23）：64-65.

［9］万毅，刘宝，周杰.基于WSN的农业信息研究绪论［J］.科技与创新，2018（22）：88-89.

［10］向丽，刘宝，周杰.基于物联网的高效滴灌施肥系统［J］.南方农机，2018，49（19）：83，87.

S625

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.056

2095－6835（2019）17－0121－02

黄炳霖（1998—），男，辽宁辽阳人，本科，研究方向为电子信息工程。

查志华（1978—），女，江苏涟水人，研究生，研究方向为电子信息工程。

国家自然科学基金项目（编号：61662063）；促进与美大地区科研合作与高层次人才培养项目“基于智能优化控制的滴灌施肥技术研究”；石河子大学混合式教学改革专项（编号：BL2017032）；石河子大学研究生教育教学改革项目（编号：2019Y-JGFF03）

〔编辑：严丽琴〕