引言

作为世界第一人口大国，中国对粮食的需求量是非常庞大的，只有拥有足够的粮食才能不受制于人，而传统农业受到了资源和环境的双重制约。农作物的良好生长离不开先进灌溉技术及设备的投入，灌溉过度会导致农作物生长滋生细菌，灌溉不足则易导致农作物生长营养供应不足。为了高效提升农业现代化、自动化技术水平，合理进行农业灌溉，将物联网管控技术引入智能灌溉体系势在必行。节水灌溉就是根据农作物的生长规律，在作物需水的情况进行灌溉水的高效利用，从而实现农业效益的增加。它是以降低灌溉用水的无效损耗为核心，最大限度地提高灌溉水的有效利用率，以及提高农作物的水分利用率，进而提高生产效益。在全球水资源紧缺的情况下，对水资源的有效利用是非常重要的，由于农业用水在我国水资源利用中占有一定的比例，因此采用农业节水灌溉技术，能够有效提高水资源的利用率，同时还能满足作物对水的需求。可见，农业节水灌溉技术在作物灌溉中发挥着重要作用。

1 物联网的相关概念及基本特征

1.1 基本概念

物联网（The Internet of Things，简称IOT）是指把所有物品通过红外感应器、射频识别技术、激光扫描器、全球定位系统等各种装置与技术与互联网连接起来，通过实时采集物体或过程的声、光、热、电、力学、化 学、生物、位置等各种需要的信息，经各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的连接，实现信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

1.2 基本特征

物联网的基本特征从通信对象和过程来看，人与物、物与物之间的信息交互是物联网的核心。物联网的基本特征可概括为智能处理、可靠传输和整体感知。

(1）智能处理。通过运用各种智能技术，对感知和传送到的数据、信息一一进行分析与处理，使控制与监测变得智能化。

(2）可靠传输。为了使物体的信息实时、准确地传送，达到信息的交流和分享的目的，可将互联网、无线网进行融合。

(3）整体感知。通过利用二维码、射频识别、智能传感器等感知设备来达到获取物体的各类信息的目的。

2 系统

2.1 基本系统框架

基于物联网技术的农业智能节水灌溉系统由数据采集处理部分、数据传输部分以及人机交互部分三部分构成。系统结构框图如图1所示。

图1系统结构框图

依托于4G无线远程通信技术，采用DHT11温湿度传感器、雨水传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器获取农作物的土壤环境指数，并将其发送至互联网平台实现对土壤环境的连续监测。

2.2 数据采集处理

数据采集处理部分以KZM4矩阵为中心，采用传感器设备对农作物土壤环境指数进行采集并实时传输给中央系统，系统对采集的数据进行处理与分析，并生成相应的决策，对灌溉控制系统发出指令。土壤的各个节点都设置了监测设备，每一个节点都可以实时的采集控制区内的信息，从而达到监测农作物土壤水分的目的。采集到的信息可以在节点内进行处理，然后通过其他节点传输到汇聚节点，随后利用无线通信技术把采集到的信息传输到网关。

根据农田的特性，传感器节点的硬件设计应遵循以下几点：

(1)低成本：由于传感器节点的数量较多，单个节点的成本会很大影响整个系统的成本。为了有效降低整个系统的成本，必须尽可能降低单个节点的费用，但要在保证节点性能的前提下采用此方法。

(2)微型化：由于农田的特殊性，传感器节点需要大量部署在监测区域，考虑部署简易方便以及对目标系统本身的特性没有影响等问题，传感器节点的体积要非常小才能很好的监测信息。

(3)低功耗：由于传感器节点通过电池供电，电量有限，等电脑耗尽后，传感器节点会停止工作，整个系统的传感器网络的拓扑结构也会相应变化。故减少节点本身的功耗，延长节点使用寿命，对于整个系统稳定、运行高效是非常有意义的。

(4)可扩展性：在系统的后期应用中，可能会有新的需求，因此一个具有可扩展性的系统可以根据需求增加不同的功能器件。

(5)优良射频性：节点间通信距离是限制无线传感器网络应用的重要原因[8]，由于农田环境的特殊性，无线信息的传播与通信距离指数相关并衰减，节点之间的通信距离直接影响到发射功率的消耗，最后会引发功耗相关问题。因此，改善系统的工作能力可以提高射频性能。