劉東旭，周偉，陳虹宇，楊杰，王自強(qiáng)，鄭雪松

（1. 中化（煙臺）作物營養(yǎng)有限公司，山東 煙臺265500；2. 中化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司新疆分公司，烏魯木齊830022；3. 中化化肥有限公司，北京100031）

聚焦棉花專業(yè)種植公司節(jié)本增效生產(chǎn)需要[1]，著力解決規(guī)模種植農(nóng)場人工成本高、生產(chǎn)技術(shù)效率低2 個根本問題[2]，迫切需要將植物營養(yǎng)、節(jié)水灌溉、水肥一體化等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)、組網(wǎng)通信、云計算和邊緣計算、工業(yè)自動化控制[3-4]等創(chuàng)新成果，集成基于水肥一體化的棉花高效智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)[5]。應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)，能夠顯著改善棉花品質(zhì)、增加產(chǎn)量，降低水肥人工管理成本，增加新型農(nóng)業(yè)種植主體收益；還可以減少水、化肥等農(nóng)業(yè)投入品使用，從而減少農(nóng)業(yè)源污染，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境[6]。新型種植主體節(jié)本增效獲取穩(wěn)定收益，還能發(fā)揮社會帶動作用，實現(xiàn)農(nóng)村共同富裕[7]。

智能水肥一體化管理系統(tǒng)及其設(shè)備對含有少量泥沙的雪融水有較好耐受性[8-9]，對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)或移動通信公共設(shè)施的依賴性不高[10]，具有穩(wěn)定、有效的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程通信能力， 適合新疆80 hm2甚至更大泵站服務(wù)面積的棉田應(yīng)用。

1 智能水肥一體化管理系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)代智能水肥一體化管理系統(tǒng)設(shè)計包括有效、穩(wěn)定通信組網(wǎng)設(shè)計，邊緣計算節(jié)點(diǎn)設(shè)計，自動化控制田間首部設(shè)計和智能水肥管理軟件設(shè)計。

1.1 通信組網(wǎng)設(shè)計

在智能水肥一體化管理系統(tǒng)中，無線通信能夠?qū)鞲衅鞑杉男畔⑸蟼鞯皆浦行?，傳達(dá)命令到物聯(lián)網(wǎng)終端，從而控制整個設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行。 農(nóng)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場無線通信網(wǎng)一般指無線廣域網(wǎng)組網(wǎng)，包括低功耗無線廣域網(wǎng)技術(shù)和蜂窩移動通信技術(shù)[11]。 低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生之后，一定程度上解決了遠(yuǎn)距離和低功耗之間的矛盾[12]。 其主要代表技術(shù)有LoRa（超遠(yuǎn)距離廣域網(wǎng)，Long range）、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)，Narrow band internet of things）。

LoRa 采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)， 既保持了頻移鍵控調(diào)制低功耗的特性， 又提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。使用不同擴(kuò)頻因子的終端設(shè)備即使同頻率同時發(fā)送也不會產(chǎn)生干擾[13-14]。 與NB-IoT、ZigBee（紫蜂）[15]、WLAN （無線局域網(wǎng)，Wireless local area network）等其他技術(shù)相比，LoRa 通信既具有很強(qiáng)穿透能力、 抗干擾能力， 又保證了低功耗。 2019 年11月，工業(yè)和信息化部根據(jù)《中華人民共和國無線電管理條例》 發(fā)布相關(guān)公告， 使用頻率為470～510 MHz 的LoRa 通信無需取得無線電頻率使用許可、無線電臺執(zhí)照、無線電發(fā)射設(shè)備型號核準(zhǔn)，并可以在建筑樓宇、 住宅小區(qū)及村莊等小范圍內(nèi)組網(wǎng)應(yīng)用。至此，LoRa 通信在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場景應(yīng)用有了政策基礎(chǔ)。

由3GPP（第三代合作伙伴計劃，3rd generation partnership project） 啟動的 “LTE 計劃”， 也就是LTE-TDD 4G （第四代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)）移動通信技術(shù)已經(jīng)于2013 年底在我國實現(xiàn)了商用。4G 移動通信高速的帶寬能力提供了低時延、 高吞吐量、大規(guī)模覆蓋的無線通信網(wǎng)絡(luò)。 盡管5G 技術(shù)有更寬帶寬接入、時延及功耗進(jìn)一步降低，但我國5G 仍處于試驗階段，并未完全商用[16]。 為確保新疆維吾爾自治區(qū)能夠廣泛應(yīng)用智能水肥一體化技術(shù)，將首選4G 蜂窩移動通信與LoRa 通信組網(wǎng)。

通過智能網(wǎng)關(guān)連接LoRa 通信與4G 移動通信，形成農(nóng)業(yè)應(yīng)用場景通信組網(wǎng)。 智能網(wǎng)關(guān)主要完成多通道LoRa 和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)處理，完成無線LoRa 數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端與云中心數(shù)據(jù)交互。

1.2 邊緣計算節(jié)點(diǎn)設(shè)計

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接入設(shè)備簡單、 搭建系統(tǒng)快速， 從而使云計算中心面對設(shè)備和數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長，面臨新的挑戰(zhàn)：傳感器不斷采集數(shù)據(jù)上傳到云計算中心，會耗費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)資源和云端資源；不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)還會影響云中心及時處理數(shù)據(jù)、 控制設(shè)備；且數(shù)據(jù)分析和計算均在遠(yuǎn)端存在時延，實時性難以保證[17]。

邊緣計算技術(shù)允許云中心將存儲和計算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)中，組建“云-邊-端”（云計算-邊緣計算-設(shè)備端）邊緣計算基本架構(gòu)。邊緣計算中的“邊緣”是指從數(shù)據(jù)源到云計算中心數(shù)據(jù)路徑之間的任意計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源[18]。 邊緣計算節(jié)點(diǎn)可以就近處理數(shù)據(jù)、過濾數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、本地決策，解決網(wǎng)絡(luò)能力限制，滿足數(shù)據(jù)時效性、存儲資源等關(guān)鍵需求。

在智能水肥一體化管理系統(tǒng)中，智能網(wǎng)關(guān)可以成為邊緣計算中心[19]。 在智能網(wǎng)關(guān)中部署計算、存儲資源，保證一些終端設(shè)備發(fā)出的計算請求可以及時得到響應(yīng)。 如根據(jù)各類傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)和歷史記錄通過自主學(xué)習(xí)和運(yùn)算， 自動控制相應(yīng)設(shè)備。

1.3 自動化控制田間首部設(shè)計

自動化控制田間首部由物聯(lián)網(wǎng)終端、太陽能供電裝置及電動閥門組成。物聯(lián)網(wǎng)終端包括單片機(jī)控制線路、閥門驅(qū)動線路、LoRa 通信線路、閥門狀態(tài)反饋線路等[20]。 太陽能供電裝置則由充電控制線路、太陽能板、鋰電池組成。電動閥門一般可選擇隔膜式電磁閥、電動球閥或電動蝶閥[21]。

因新疆廣泛采用略含泥沙的雪融水灌溉，部分區(qū)域還存在低壓灌溉，在自動化控制田間首部設(shè)計中不建議選擇電磁閥。根據(jù)棉田灌溉首部對雪融水過濾水平，可以選擇電動球閥和電動蝶閥作為智能水肥一體化田間首部閥門。其中，電動球閥由閥體、閥芯、電動模塊、限位機(jī)構(gòu)及流量壓力傳感器組成。盡管電動球閥閥芯采用較好材質(zhì)，但仍通過緊貼閥體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)啟閉，可用于水質(zhì)較好的井灌區(qū)。與球閥相比，電動蝶閥具有密閉性強(qiáng)、啟動靈活、可靠耐用等特點(diǎn)， 對含泥沙的雪融水有一定的耐受性。

1.4 智能水肥管理軟件設(shè)計

智能水肥管理軟件是一套集數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理、控制計劃、權(quán)限管理及售后服務(wù)等功能為一體的水肥管理平臺。

數(shù)據(jù)管理功能包括設(shè)備列表、設(shè)備地圖、設(shè)備數(shù)據(jù)模板、歷史數(shù)據(jù)、實時或歷史報警數(shù)據(jù)頁面。設(shè)備列表和地圖分別展示所有物聯(lián)設(shè)備名稱和所在位置。 設(shè)備數(shù)據(jù)模板則顯示不同物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)名稱、類型、單位、存儲更新時間等。 在歷史數(shù)據(jù)頁面中可以設(shè)置時間段查詢單個設(shè)備采集或控制數(shù)據(jù)。

設(shè)備管理則根據(jù)功能劃分為智能網(wǎng)關(guān)管理、終端控制設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備管理。 在智能網(wǎng)關(guān)管理功能頁面，可查詢本網(wǎng)關(guān)及其連接的所有設(shè)備編碼、工作狀態(tài)。 設(shè)備管理頁面可輔助管理人員處理異常的智能水肥一體化管理設(shè)備離線故障。

控制計劃則包括定時灌溉計劃和輪灌計劃。通過設(shè)定開始和結(jié)束日期，并以天為單位使田間遠(yuǎn)程控制設(shè)備按照預(yù)設(shè)時間執(zhí)行啟閉閥門命令，即為定時灌溉計劃。 當(dāng)灌溉小區(qū)較多，需要按輪灌組灌溉時，可以選用輪灌計劃功能。在預(yù)定的時間段內(nèi)，設(shè)置循環(huán)次數(shù)和頻率、最大同時開閥數(shù)，形成輪灌灌溉任務(wù)。 在輪灌灌溉任務(wù)中，可以添加若干個輪灌組或設(shè)備組，并設(shè)置每個輪灌組開啟時長。 在每個輪灌組或設(shè)備組中，可以任意選擇智能網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)內(nèi)的田間遠(yuǎn)程控制設(shè)備。 當(dāng)灌溉任務(wù)啟動下發(fā)后，各輪灌組按次序和規(guī)定的開啟時長工作，即為輪灌計劃功能。 控制計劃還可關(guān)聯(lián)傳感器形成觸發(fā)器管理。 如可以設(shè)置土壤含水量上下限值，通過土壤墑情儀監(jiān)測，控制水泵啟閉，使本區(qū)域內(nèi)土壤含水量滿足棉花正常生長。

權(quán)限管理則可以設(shè)置公司賬戶和用戶賬戶。其中公司賬戶權(quán)限最高， 可以設(shè)置若干個用戶賬戶，查看并控制智能水肥一體化管理系統(tǒng)所有設(shè)備工作。用戶賬戶則只能根據(jù)公司賬戶授權(quán)管理某個智能網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)下設(shè)備或部分設(shè)備。

售后服務(wù)頁面則可以查詢系統(tǒng)故障緊急處理預(yù)案、緊急聯(lián)系人并提交常見問題描述，方便后臺人員升級平臺。

2 基于LoRa 通信的智能水肥一體化管理系統(tǒng)在新疆棉田的應(yīng)用

2.1 沙雅棉花示范農(nóng)場

中國中化集團(tuán)有限公司農(nóng)業(yè)事業(yè)部 （中化農(nóng)業(yè)） 沙雅棉花示范農(nóng)場位于沙雅縣紅旗鎮(zhèn)依勒尕爾村。地形不規(guī)則，面積為80 hm2，共有92 個出水樁。水源為新疆融雪地表水和深井水。水源處有浮筒式初級過濾器，灌溉首部選用網(wǎng)式自動過濾器。

2.2 設(shè)計方案

沙雅示范農(nóng)場智能水肥一體化管理系統(tǒng)由無線廣域LoRa 與4G 蜂窩移動通信組網(wǎng)，以智能網(wǎng)關(guān)作為邊緣計算中心， 遠(yuǎn)程控制田間電動閥門組成。根據(jù)歷年灌水施肥經(jīng)驗和當(dāng)?shù)厮磸?fù)雜、水質(zhì)較差特征及農(nóng)場管理人員要求， 在此示范農(nóng)場安裝30 個電動球閥、30 個單向電動蝶閥和32 個雙向電動蝶閥。在泵房處，安裝2 臺智能網(wǎng)關(guān)和1 臺控制屏。 智能網(wǎng)關(guān)至電動閥物聯(lián)網(wǎng)終端最遠(yuǎn)傳輸距離為1 400 m。

2.3 應(yīng)用效果的綜合評價

2.3.1 項目運(yùn)營效果。 （1）示范棉田灌水管理高工效?？赏ㄟ^移動客戶端、電腦以及本地控制屏，遠(yuǎn)程控制田間閥門啟閉。依靠終端應(yīng)用程序?qū)Ρ镜貕K輪灌組進(jìn)行編輯， 允許不同輪灌組內(nèi)出水樁數(shù)量不同。 同一輪灌組內(nèi)電動閥啟閉狀態(tài)一致，不同輪灌組之間命令切換支持按時間設(shè)置、 按灌溉任務(wù)設(shè)置。智能水肥一體化管理系統(tǒng)可以避免管水工田間行走、手動啟閉球閥，降低操作的錯誤概率和人工成本。（2）示范棉田灌水管理更精準(zhǔn)。電動閥門的啟閉狀態(tài)可以在終端上顯示。 電動閥執(zhí)行啟閉命令后，會將執(zhí)行結(jié)果反饋給客戶終端設(shè)備。 平臺能夠確保正常的電動閥打得開、關(guān)得住，并將異常的電動閥報告給管理人員。 （3）角色分工、管理分級、監(jiān)督更有效。 該系統(tǒng)可以設(shè)置農(nóng)場主、技術(shù)員和工人三級權(quán)限，從而實現(xiàn)分級管理：農(nóng)場主可以對全田灌溉進(jìn)行監(jiān)管；技術(shù)員可以根據(jù)各輪灌組區(qū)域內(nèi)的實際土壤類型、 需水保水特點(diǎn)設(shè)置輪灌計劃各參數(shù)；灌水工人可以按照設(shè)置的輪灌計劃執(zhí)行，并現(xiàn)場巡視滴灌效果。

2.3.2 示范農(nóng)場節(jié)本增效效果分析。（1）節(jié)本效果。農(nóng)場棉花種植過程中，共灌水10 次，每次灌水3 d。農(nóng)場現(xiàn)雇傭工人成本為每666.7 m2150 元，雇傭工人主要負(fù)責(zé)零星打藥、拔草、間苗等工作；田間水肥管理則由泵工負(fù)責(zé)。 周邊其他規(guī)模種植農(nóng)場，因為雇傭工人還要負(fù)責(zé)田間水肥管理，每666.7 m2費(fèi)用需要220 元。 因此， 采用該系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制后，每666.7 m2節(jié)省人工成本70 元。 （2）增收效果。 示范農(nóng)場中水肥人工管理地塊每666.7 m2籽棉產(chǎn)量為360 kg；應(yīng)用智能水肥一體化管理系統(tǒng)的技術(shù)示范區(qū)每666.7 m2籽棉產(chǎn)量為400 kg。按籽棉收購價格5.7～6.5 元·kg－1計算， 示范區(qū)的666.7 m2收益增加228～260 元。

2.4 設(shè)備與技術(shù)的適應(yīng)性分析

經(jīng)評估，智能水肥一體化管理系統(tǒng)及其設(shè)備能夠適應(yīng)新疆獨(dú)特的水質(zhì)、地理和氣候環(huán)境。 新疆的雪融水經(jīng)過灌溉首部處理仍有部分泥沙，但電動球閥能正常工作；新疆植棉區(qū)光照時間長，能夠滿足太陽能供電系統(tǒng)正常工作，并能夠有效延長電池使用壽命；新疆植棉區(qū)地勢平坦，沒有高障礙物，能夠滿足LoRa 通信要求。

3 小結(jié)

水肥一體化是將灌溉與施肥相結(jié)合的一項農(nóng)業(yè)技術(shù)。 受“物聯(lián)技術(shù)”制約，新疆水肥一體化管理一直采用人工操作、粗放管理方式，沒有發(fā)揮該技術(shù)在水肥精細(xì)化管理上作用[22]。 這種粗放水肥管理方式不僅人工成本高、水肥浪費(fèi)大，而且會因為人員技能和責(zé)任心等因素， 導(dǎo)致灌溉和施肥不均勻，輕則造成水肥浪費(fèi)，重則影響作物產(chǎn)量。通過LoRa與4G 蜂窩移動通信組網(wǎng)技術(shù)、具有邊緣計算能力智能網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)終端、遠(yuǎn)程自動化控制設(shè)備、水肥管理軟件集成的智能水肥一體化管理系統(tǒng)，可作為數(shù)字農(nóng)場中水肥管理決策的重要工具[23]，其在新疆棉田的應(yīng)用是推動新疆棉花種植從規(guī)?；颥F(xiàn)代化發(fā)展的重要舉措[24]。