柴林杰，劉寶，周杰

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與水肥一體化技術(shù)＊

柴林杰，劉寶，周杰

（石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

在過去的幾年里，中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展得到了國(guó)家和政府的重視。在農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的背景下，很多問題也慢慢顯露了出來，其中水資源和化學(xué)肥料的浪費(fèi)問題、施肥過后農(nóng)作物化學(xué)物質(zhì)殘余過量的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了中國(guó)農(nóng)業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。為此，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息化技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為了新時(shí)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地應(yīng)用在水肥一體化中，這對(duì)中國(guó)的信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展來說意義重大。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；水肥一體化；滴灌；水肥比例

迄今為止，中國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)獲得了顯著的成效。在中國(guó)，糧食栽種面積大、糧食產(chǎn)量高等現(xiàn)狀已經(jīng)滿足了中國(guó)人民群眾的溫飽需求。但在果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)方面，中國(guó)的發(fā)展仍落后于西方國(guó)家。為了提高中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的水平，這就需要中國(guó)高效地把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展結(jié)合起來。糧食、果蔬等作物成長(zhǎng)所需要的土壤或空氣中的情況會(huì)對(duì)最終的產(chǎn)量和品質(zhì)起到關(guān)鍵作用，特別是作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度、光照和營(yíng)養(yǎng)成分等要素更是直接決定了農(nóng)作物生長(zhǎng)情況的好壞。利用現(xiàn)代的科學(xué)信息技術(shù)把物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，達(dá)成一種新穎的水肥一體化處理方式，然后對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將得到的結(jié)果傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)端供相關(guān)人員查詢，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)端的大數(shù)據(jù)算法計(jì)算出作物最適合生長(zhǎng)的環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化處理。在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的水肥一體化技術(shù)有著良好的發(fā)展遠(yuǎn)景，加速了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向信息化、自動(dòng)化農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)是最先發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的國(guó)家，這個(gè)概念最先由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出。物聯(lián)網(wǎng)并沒有明確的含義，在不同的使用場(chǎng)景中，它所代表的意義也是不同的。但不同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本理論是大致一樣的，它是一個(gè)結(jié)合了多個(gè)技術(shù)的綜合平臺(tái)，例如通信技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等[1]。

20世紀(jì)50年代以后，歐美的很多國(guó)家開始著手發(fā)展溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的栽種工作，然后大量的實(shí)踐推廣[2]。如今，西方國(guó)家在信息化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物自動(dòng)互化管理等方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。在荷蘭，大棚農(nóng)作物的生產(chǎn)管理技術(shù)在國(guó)際上總是走在前沿，他們所發(fā)明的溫室大棚信息化管理模式和自動(dòng)化澆灌設(shè)備均得到了其他國(guó)家的肯定，并且被大量使用[3]。法國(guó)能夠利用天氣傳感器和衛(wèi)星觀測(cè)，提前預(yù)知可能會(huì)到來的病蟲害，然后提醒群眾采取預(yù)防措施[4]。信息化的牲畜養(yǎng)殖管理系統(tǒng)在很多歐美國(guó)家已經(jīng)被大量使用，該系統(tǒng)可以自動(dòng)完成飼料和水的投喂工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)物的健康狀態(tài)，并在必要時(shí)候進(jìn)行警示。

國(guó)內(nèi)研究溫室大棚自動(dòng)化的進(jìn)程較慢，對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究也相對(duì)遲緩[5]。初期的嘗試，因?yàn)榧夹g(shù)的不完善，沒能被大面積應(yīng)用。在信息化大棚控制的研究領(lǐng)域里，國(guó)內(nèi)有許多的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行著研究工作。也有許多的系統(tǒng)模式被提出，例如藍(lán)牙通信智能化的農(nóng)業(yè)控制等。

2 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)的目的在于提高水資源和肥料的利用率，并且精確掌控好量，確保二者的比例合適。實(shí)現(xiàn)水肥一體化，需要根據(jù)實(shí)際的土壤情況和農(nóng)作物的需要來確定一個(gè)合適的比例[6]。按照這個(gè)比例將水和化肥混雜在一起，然后通過滴灌帶等運(yùn)送通道進(jìn)行施肥工作[7]。為了讓作物的需水量和化肥需求量控制在一個(gè)合適的水平，不僅要求根據(jù)土壤和作物情況掌握好化肥和水的比例，更需要在施肥時(shí)滿足位置準(zhǔn)確、區(qū)域均勻等特點(diǎn)。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是利用不同類型傳感器把所需物體連在一起的一個(gè)綜合平臺(tái)，它用到了無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化信息技術(shù)。歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用和改良，如今的科技領(lǐng)域慢慢地建立起一套物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用體系。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)分為三層，依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層[8]。它是一個(gè)巨大并且復(fù)雜的現(xiàn)代化數(shù)字平臺(tái)，其重要特點(diǎn)是能夠?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)體系內(nèi)的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息提取、信息傳達(dá)以及對(duì)信息處理運(yùn)用[9]。感知層的基本結(jié)構(gòu)是信息收集模塊、無線通信模塊、信號(hào)管理模塊。感知層的作用是通過不同類型的傳感器來收集某個(gè)物體的相關(guān)信息，將得到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后進(jìn)行信息的傳送；網(wǎng)絡(luò)層作為中間的一個(gè)層面，需要將感知層發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息運(yùn)輸?shù)綉?yīng)用層，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸以網(wǎng)絡(luò)層作為重要媒介。通常用互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的功能，應(yīng)用層要做的是完成系統(tǒng)層面和應(yīng)用層面的控制。它管理并對(duì)感知層收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的操作，按照不同的要求進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了給客戶提供便利的要求。同時(shí)，應(yīng)用層的處理也是物聯(lián)網(wǎng)體系的最后操作結(jié)果。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與水肥一體化技術(shù)

本文提出的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和水肥一體化結(jié)合的模式，能夠給人們提供農(nóng)產(chǎn)品成長(zhǎng)的情況信息，包括土壤的水分、酸堿度、營(yíng)養(yǎng)成分、空氣的濕度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等信息，對(duì)環(huán)境信息化處理然后加以管理控制。實(shí)現(xiàn)智能化管理農(nóng)作物的目的，真正服務(wù)于人、便利于人。按照各種農(nóng)作物的不同成長(zhǎng)需要，該模式能做到水肥混雜自動(dòng)化、自動(dòng)施肥、自動(dòng)澆水、溫室遮光簾自動(dòng)升降、通風(fēng)口自動(dòng)開閉等操作，已達(dá)到調(diào)節(jié)適宜生長(zhǎng)環(huán)境（土壤、空氣、水分等）的目的[10]。

物聯(lián)網(wǎng)具有配置簡(jiǎn)易、范疇大、可控性強(qiáng)、可信度高等特點(diǎn)。正因如此，該模式被普遍使用在軍事、醫(yī)療、家居等領(lǐng)域。對(duì)于實(shí)際的環(huán)境來說，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的要求并不高，其后期維修價(jià)格和維護(hù)難度也不高，極大便利了對(duì)環(huán)境的研究和分析工作。把物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系和水肥一體化相結(jié)合，也是其優(yōu)點(diǎn)的一大應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含土地收集處理裝置、總控制裝置、管理控制裝置、開關(guān)系統(tǒng)、云端服務(wù)、通信系統(tǒng)等。系統(tǒng)對(duì)作物生長(zhǎng)土地的各種信息、氣象信息等，可進(jìn)行自動(dòng)化處理，也可以根據(jù)情況選擇手動(dòng)處理。利用云端服務(wù)平臺(tái)，對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行一定的操作，必要時(shí)也會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒人們。

5 總結(jié)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與水肥一體化技術(shù)相結(jié)合在目前來說是較為新穎的一種水肥處理方式，以滴灌等形式可以均勻?qū)⒒祀s后的水肥定量滴在作物根系部分。不僅解決了作物的化肥養(yǎng)分需求，也節(jié)約了水資源和化肥資源。在提高水分與化肥的使用效率的同時(shí)，也節(jié)約了大量的資金成本。此系統(tǒng)可以確保作物對(duì)化肥的需求達(dá)到目標(biāo)，并根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水分和肥料的混合比例。在農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)時(shí)期，其對(duì)于水分和養(yǎng)分的需求也各不相同，這就需要人工觀察來確定這個(gè)數(shù)據(jù)，這也是該系統(tǒng)需要完善和改進(jìn)的地方。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化和自動(dòng)化必將是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，但這個(gè)過程需要不斷地進(jìn)行改革和完善。相信將來，中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、信息化程度定會(huì)走在世界的前列。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（7）：34-35.

［2］王申，周杰，田敏.新模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術(shù)中的實(shí)踐研究［J］.現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（4）：94-95.

［3］周杰，王申，田敏.信息化模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術(shù)實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.天工，2019（4）：46-47.

［4］盧毅，周杰，萬連城.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)二維目標(biāo)覆蓋的改進(jìn)方法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，46（2）：101-106.

［5］周杰，楊景文，馬良，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化技術(shù)［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2018（10）：106-107.

［6］王申，周杰，田敏.視頻技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.天工，2019（2）：34-35.

［7］周杰，馬良，楊景文，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水肥一體化中的應(yīng)用［J］.南方農(nóng)機(jī)，2018，49（19）：4，7.

［8］劉寶，向麗，周杰.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水肥一體化技術(shù)［J］.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2018，29（23）：64-65.

［9］萬毅，劉寶，周杰.基于WSN的農(nóng)業(yè)信息研究緒論［J］.科技與創(chuàng)新，2018（22）：88-89.

［10］向麗，劉寶，周杰.基于物聯(lián)網(wǎng)的高效滴灌施肥系統(tǒng)［J］.南方農(nóng)機(jī)，2018，49（19）：83，87.

S126；S365

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.026

2095－6835（2019）17－0061－02

柴林杰（1997—），男，新疆哈密人，本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

周杰（1982—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：61662063）；促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目“基于智能優(yōu)化控制的滴灌施肥技術(shù)研究”；石河子大學(xué)混合式教學(xué)改革專項(xiàng)（編號(hào)：BL2017032）；石河子大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：2019Y-JGFF03）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕