黃炳霖，慕嘉偉，徐夢穎，楊瑞，查志華

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與水肥一體化技術(shù)＊

黃炳霖，慕嘉偉，徐夢穎，楊瑞，查志華

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

伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合越發(fā)成為一種趨勢。但是現(xiàn)階段中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)基本直接使用其他國家的系統(tǒng)，造成這些設(shè)備沒法適應(yīng)中國的農(nóng)業(yè)技術(shù)需要。迎合農(nóng)業(yè)技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的趨勢，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與水肥一體化結(jié)合起來，自主研發(fā)一種系統(tǒng)以適應(yīng)中國農(nóng)業(yè)的需要。

WSN；無線傳感網(wǎng)路；水肥一體化技術(shù)；水肥一體化智能澆灌系統(tǒng)

放眼全球農(nóng)業(yè)節(jié)能澆灌技術(shù)在當(dāng)代的發(fā)展現(xiàn)狀，很容易發(fā)現(xiàn)電子澆灌這種節(jié)能澆灌技術(shù)在全球范圍的推廣進(jìn)度不大相同。很多西方國家早些年便完全普及了農(nóng)業(yè)上的電子節(jié)能澆灌，并且對農(nóng)業(yè)澆灌技術(shù)擁有十分模式化的使用方法。可以說，國外在這方面暫時領(lǐng)先于中國。

1 中國水肥一體化技術(shù)的推廣

1.1 相關(guān)設(shè)施少見

由于經(jīng)歷了許多年的技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展，到現(xiàn)在對于大型農(nóng)田電子澆灌技術(shù)的應(yīng)用主要還是噴灌輔助滴灌的澆灌方式，莊稼生長需求的水分與肥料的量幾乎全部取決于栽培員集聚長久的工作經(jīng)驗，就算是經(jīng)過了有關(guān)科學(xué)家的交流學(xué)習(xí)，完成這些操作依然需要栽培員自身的經(jīng)驗[1-2]。如果想要準(zhǔn)確掌握每時每刻澆灌與施肥的數(shù)量，就一定要使用相適合的農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測設(shè)施。然而，目前中國相關(guān)的監(jiān)測設(shè)施十分稀有。

1.2 技術(shù)推廣困難

中國與國外的土壤環(huán)境并不相似，因此對于澆灌施肥的方式有許多不同之處，而中國此前推廣的現(xiàn)代電子澆灌技術(shù)多是借鑒先進(jìn)國家比較受歡迎或者影響巨大的事例，對于基建設(shè)施電磁閥門，傳感器的選用也幾乎全是沿用那些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的先進(jìn)國家。但是中國地大物博，不能保證每種澆灌模式都可以適用于中國的實際情況，所以大范圍推廣現(xiàn)代電子澆灌技術(shù)較為困難。

1.3 硬件設(shè)施成本過高

在近些年，中國在發(fā)展農(nóng)業(yè)的方面上下了很大功夫，“智慧農(nóng)業(yè)”進(jìn)展十分迅速，由中國自主生產(chǎn)的基建設(shè)施也越來越多地使用在了各地農(nóng)業(yè)基地[3-4]?？墒乾F(xiàn)階段原材料的成本依然過高，這就導(dǎo)致在某些時候中國企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備價格要更貴，并且中國農(nóng)業(yè)發(fā)展不夠好，經(jīng)濟利潤較低，種植者便可能在購買基建設(shè)施時考慮更多，這在一定程度上阻礙了電子澆灌技術(shù)的推廣。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）

WSN是近些年提出的新技術(shù)，WSN通過一種創(chuàng)新的想法和實用的技巧處理了農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中遇到的各種有關(guān)信息采集與數(shù)據(jù)處理方面的難題，并且補足以前守舊的數(shù)據(jù)監(jiān)控手段上的漏洞[5-6]。實際應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能每時每刻地匯報給操作者土壤當(dāng)時的生物生態(tài)數(shù)據(jù)等操作者需要的信息，協(xié)助操作者盡快找到突發(fā)狀況并有能力非常精確地了解出現(xiàn)錯誤的位置，以此協(xié)助操作者擬定最貼合實際情況的處理方法，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從以前的憑借單一設(shè)施、以勞動者為關(guān)鍵的生產(chǎn)方式變化成依據(jù)信息與電腦相結(jié)合為關(guān)鍵的生產(chǎn)方式，有大量的信息網(wǎng)絡(luò)化裝置加入并同時應(yīng)用，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)化、智慧化達(dá)到了大面積的實行。當(dāng)今普遍使用的較為實用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大致包含以下幾個模塊：無線傳感器節(jié)點、集合節(jié)點、控制中樞。任意一個節(jié)點都具有一定的信號傳送本領(lǐng)，然而它的傳送距離非常局限，因此要使用匯集節(jié)點模塊，匯集節(jié)點有能力把各單個節(jié)點發(fā)送的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行集合處理，在之后將處理后的數(shù)據(jù)一起傳送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在這個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)里，傳感器節(jié)點模塊和控制節(jié)點模塊彼此協(xié)作，完成規(guī)定范圍內(nèi)測量數(shù)據(jù)信息的收集與輸送，并在最后將已經(jīng)處理好的匯總數(shù)據(jù)借由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到總控制中心[7]。

所有的節(jié)點模塊大多通過直流電供電的方法，在以前通常是以蓄電池充當(dāng)電源，并且在傳感器系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點數(shù)量不多的情形中，借由技術(shù)升級節(jié)點軟硬件降低能耗的方式允許網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的運作周期持續(xù)到全年[8]。

可是現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成中需要部署的節(jié)點數(shù)目日益增多，通過蓄電池充當(dāng)電源完全不能滿足整個系統(tǒng)的能源需求，頻頻更替各個節(jié)點的蓄電池在浪費時間浪費人力的同時，在現(xiàn)場的實際工作里也非常煩瑣[9]。如果某一節(jié)點需要的能源無法滿足其需求，此節(jié)點的信息采集與發(fā)送以及基本的路由功能全部會停止運行，這樣會無法保證此傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定，同時使此傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期急劇縮短。但顯然如今，光能等新興能源的快速發(fā)展完美地克服了這個難題，技術(shù)人員在構(gòu)筑節(jié)能、功能豐富、節(jié)點數(shù)目多、耗能較大的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水澆灌系統(tǒng)時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依然是首要選擇的信息傳輸方式。

2.2 水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)早先是通過滴灌技術(shù)在農(nóng)業(yè)澆灌方面一點點的實際應(yīng)用改進(jìn)發(fā)展而形成的。滴灌技術(shù)的發(fā)明讓農(nóng)業(yè)方面的灌溉技術(shù)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，它在一定界限里滿足了按量按需分配水肥的需求。對于中國來說，滴灌是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)漫灌灌溉方式向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式改變的標(biāo)志，同時是自1900年以后全球農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的革新突破?，F(xiàn)在經(jīng)常運用的水肥一體化技術(shù)是通過滴灌管道和滴灌滴頭把符合土壤作物需要的肥料調(diào)制成合適的施肥液，再把施肥液和灌溉水一并導(dǎo)入可控的灌溉系統(tǒng)中，通過管道按時按量，有計劃地運送到莊稼根系臨近的泥土里，讓它在發(fā)育的過程中保持土壤的酥軟，保證含水量和微量元素含量[10]。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)水肥一體化系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)更多地對于新疆地區(qū)莊稼的種植特性、當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境條件、當(dāng)?shù)卦谂阒夹g(shù)發(fā)展水平等來進(jìn)行考證研究和系統(tǒng)設(shè)計。此系統(tǒng)在應(yīng)用時應(yīng)符合以下性質(zhì)。

3.1 適用性

莊稼是水肥一體化澆灌系統(tǒng)的適用對象與作用關(guān)鍵，莊稼發(fā)育情況的好與壞是檢測此系統(tǒng)有無使用價值的單一準(zhǔn)則。本系統(tǒng)應(yīng)該可以同時進(jìn)行一整塊田地或多塊田地的可控制澆灌施肥，并且可以滿足與多種不同品種莊稼在不同生長時段對水分和肥料的需要。

3.2 高度兼容性

新疆地區(qū)及周邊地區(qū)地屬沙漠氣候，春季較為干燥，多風(fēng)沙，而夏季時而會有暴雨洗禮，此系統(tǒng)在硬件設(shè)施的外型設(shè)計與材料的耐久度的選則上需要更加嚴(yán)謹(jǐn)。在各個零件之間應(yīng)實現(xiàn)更好兼容，最大限度地削減由于溫、濕度等特殊環(huán)境或自然災(zāi)害造成個別裝置的老損，和因為這樣的原因而造成的有關(guān)裝置靈敏度降低的問題。

3.3 安全穩(wěn)定性

該智能系統(tǒng)擬選用擁有閃存存儲器的PLC控制器和可觸摸液晶顯示屏，在擁有該種穩(wěn)定的閃存存儲器之后，就算遭遇電源供給不足抑或電源電壓下降和人為斷電等特殊狀況，也并不能使系統(tǒng)損壞，造成內(nèi)部重要參數(shù)設(shè)置、施肥澆灌程序設(shè)置以及已儲存的有關(guān)土壤的環(huán)境數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息的遺失。

3.4 實用易操作性

此系統(tǒng)的操作UI界面應(yīng)采用更加簡單易懂的布局，更多地考慮人性化設(shè)計，使更多受教育程度低的使用者也可以在更短的時間里知曉操作并實際操作，這更適合廣大農(nóng)民的實際情況。

4 總結(jié)

水肥一體化智能澆灌系統(tǒng)的普及對中國農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大，在針對中國傳統(tǒng)澆灌系統(tǒng)問題的探究后，本文提出了一種運用WSN的智能化澆灌方法，旨在為廣大科研工作者提供一些新思路，以便推進(jìn)中國水肥一體化智能澆灌系統(tǒng)的普及進(jìn)程。

［1］周杰，王申，田敏.DSP技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實驗實踐中的應(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（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，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，2018，49（19）：83，87.

S625

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.056

2095－6835（2019）17－0121－02

黃炳霖（1998—），男，遼寧遼陽人，本科，研究方向為電子信息工程。

查志華（1978—），女，江蘇漣水人，研究生，研究方向為電子信息工程。

國家自然科學(xué)基金項目（編號：61662063）；促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項目“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（編號：BL2017032）；石河子大學(xué)研究生教育教學(xué)改革項目（編號：2019Y-JGFF03）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕