一、應(yīng)用背景

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉中，普遍存在著灌溉方式粗放、水資源利用率低、人力成本高、灌溉決策缺乏數(shù)據(jù)支撐等問(wèn)題。很多地區(qū)仍采用人工漫灌的方式，不僅造成了大量水資源的浪費(fèi)，還容易因灌溉不均導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)不良。同時(shí)，對(duì)于大面積的農(nóng)田、果園、溫室大棚等種植場(chǎng)景，人工巡檢和控制灌溉設(shè)備的效率極低，難以根據(jù)農(nóng)作物的實(shí)際生長(zhǎng)需求和土壤、環(huán)境的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。LORA 無(wú)線通信技術(shù)以其低功耗、遠(yuǎn)距離、大連接、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉場(chǎng)景，能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉的諸多痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化、精準(zhǔn)化和自動(dòng)化。基于此，推出 LORA 無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)智慧農(nóng)業(yè)解決方案，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效、節(jié)水節(jié)能。

二、方案原則

實(shí)用性：充分結(jié)合農(nóng)業(yè)種植的實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，系統(tǒng)功能貼合灌溉管理的實(shí)際操作流程，簡(jiǎn)單易用，確保農(nóng)戶能夠快速上手。

可靠性：LORA 通信技術(shù)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)硬件設(shè)備選用工業(yè)級(jí)材質(zhì)，適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

可擴(kuò)展性：系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，支持后續(xù)根據(jù)種植規(guī)模的擴(kuò)大、功能需求的增加進(jìn)行靈活擴(kuò)展和升級(jí)。

節(jié)能性：利用 LORA 低功耗特性，傳感器和控制節(jié)點(diǎn)可采用電池供電，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗;同時(shí)通過(guò)精準(zhǔn)灌溉，減少水資源和電能的浪費(fèi)。

經(jīng)濟(jì)性：在保證系統(tǒng)性能的前提下，優(yōu)化硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本，讓廣大農(nóng)戶能夠負(fù)擔(dān)。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

LORA 無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成，形成一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)灌溉體系。

1、感知層

感知層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，主要包括各類(lèi)傳感器和智能灌溉控制器，負(fù)責(zé)采集農(nóng)田的土壤、環(huán)境數(shù)據(jù)以及控制灌溉設(shè)備的運(yùn)行。

土壤傳感器：采集土壤濕度、土壤溫度、土壤 pH 值、土壤電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反映土壤的墑情狀況，為灌溉決策提供核心依據(jù)。

環(huán)境傳感器：監(jiān)測(cè)空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)，輔助判斷農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和需水情況。

智能灌溉控制器：與電磁閥、水泵等灌溉設(shè)備相連，接收來(lái)自應(yīng)用層的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)可通過(guò)本地按鍵進(jìn)行手動(dòng)操作。

流量計(jì)：安裝在灌溉管道上，計(jì)量灌溉用水量，實(shí)現(xiàn)用水的精準(zhǔn)計(jì)量和管控。

所有感知層設(shè)備均集成 LORA 無(wú)線模塊，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息通過(guò) LORA 無(wú)線方式上傳至網(wǎng)絡(luò)層，同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)層下發(fā)的控制指令。

2、網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和中轉(zhuǎn)樞紐，由LORA 網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交互。

LORA 網(wǎng)關(guān)：部署在農(nóng)田區(qū)域的合適位置，作為 LORA 無(wú)線信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，接收感知層設(shè)備上傳的無(wú)線數(shù)據(jù)，通過(guò)以太網(wǎng)、4G/5G 等方式將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器;同時(shí)將云服務(wù)器下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的智能灌溉控制器。一個(gè) LORA 網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊數(shù)公里范圍內(nèi)的 LORA 設(shè)備的通信覆蓋，滿足大面積農(nóng)田的組網(wǎng)需求。

云服務(wù)器：采用云平臺(tái)架構(gòu)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和運(yùn)算能力，接收來(lái)自 LORA 網(wǎng)關(guān)的各類(lèi)數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，同時(shí)為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)接口和服務(wù)支持。

3、應(yīng)用層

應(yīng)用層是系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，主要為用戶提供數(shù)據(jù)展示、灌溉控制、數(shù)據(jù)分析等功能，包括電腦端管理平臺(tái)和移動(dòng)端 APP / 小程序。

數(shù)據(jù)展示：以圖表、數(shù)字等直觀形式展示農(nóng)田的土壤墑情、環(huán)境參數(shù)、灌溉設(shè)備狀態(tài)、用水量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，讓用戶隨時(shí)掌握農(nóng)田的各項(xiàng)情況。

遠(yuǎn)程控制：用戶可通過(guò)電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程控制智能灌溉控制器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)或多個(gè)灌溉區(qū)域的定時(shí)、定量灌溉，也可根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手動(dòng)觸發(fā)灌溉操作。

智能決策：系統(tǒng)基于采集到的土壤和環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合不同農(nóng)作物的需水模型，自動(dòng)分析并生成灌溉建議，提醒用戶進(jìn)行灌溉操作，或直接自動(dòng)觸發(fā)灌溉設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。

報(bào)警提醒：當(dāng)土壤濕度低于或高于設(shè)定閾值、設(shè)備出現(xiàn)故障、用水量異常等情況時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)短信、APP 推送等方式向用戶發(fā)送報(bào)警信息，及時(shí)提醒用戶處理。

數(shù)據(jù)分析與報(bào)表：系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析灌溉數(shù)據(jù)、農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)等，生成各類(lèi)報(bào)表和分析曲線，為用戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐，幫助用戶優(yōu)化灌溉方案。

設(shè)備管理：支持對(duì)感知層設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、參數(shù)修改、固件升級(jí)等操作，方便設(shè)備的維護(hù)和管理。

四、核心功能

1、精準(zhǔn)灌溉控制

定時(shí)灌溉：用戶可根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期和灌溉習(xí)慣，設(shè)置不同灌溉區(qū)域的定時(shí)灌溉任務(wù)，如每天、每周的特定時(shí)間開(kāi)啟或關(guān)閉灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。

定量灌溉：根據(jù)土壤墑情和農(nóng)作物需水量，設(shè)定每次灌溉的用水量，通過(guò)流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用水量，達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停止灌溉，避免過(guò)度灌溉。

智能觸發(fā)灌溉：系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉，當(dāng)土壤濕度達(dá)到適宜值時(shí)自動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)按需灌溉。

分區(qū)灌溉：將農(nóng)田劃分為不同的灌溉區(qū)域，每個(gè)區(qū)域配備獨(dú)立的智能灌溉控制器和傳感器，可針對(duì)不同區(qū)域的農(nóng)作物類(lèi)型、土壤狀況進(jìn)行差異化灌溉控制。

2、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：不間斷采集土壤、環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)并展示，用戶可隨時(shí)查看農(nóng)田的動(dòng)態(tài)狀況。

歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)：支持按時(shí)間維度(小時(shí)、天、周、月、年)查詢(xún)各類(lèi)數(shù)據(jù)的歷史記錄，便于用戶分析農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的變化規(guī)律和灌溉效果。

數(shù)據(jù)對(duì)比分析：可對(duì)不同地塊、不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為優(yōu)化種植和灌溉方案提供依據(jù)。

需水模型構(gòu)建：基于長(zhǎng)期采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)特性，構(gòu)建農(nóng)作物需水模型，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的灌溉預(yù)測(cè)和控制。

3、設(shè)備遠(yuǎn)程管理

遠(yuǎn)程控制：通過(guò)電腦端或移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制水泵、電磁閥等灌溉設(shè)備的啟停，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)操作，節(jié)省人力成本。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如電壓、電流、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并報(bào)警。

遠(yuǎn)程參數(shù)配置：可遠(yuǎn)程修改傳感器的閾值、灌溉控制器的工作參數(shù)等，方便系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)。

4、報(bào)警與預(yù)警

墑情報(bào)警：當(dāng)土壤濕度超出設(shè)定的適宜范圍時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)送報(bào)警信息，提醒用戶及時(shí)采取灌溉或排水措施。

設(shè)備故障報(bào)警：當(dāng)灌溉設(shè)備出現(xiàn)短路、斷路、過(guò)載等故障時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并顯示故障設(shè)備位置和故障類(lèi)型，便于快速排查和維修。

用水異常報(bào)警：當(dāng)灌溉用水量突然增加或減少，超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，防止因管道破裂、設(shè)備異常等造成水資源浪費(fèi)。

氣象預(yù)警：結(jié)合天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，當(dāng)即將出現(xiàn)暴雨、高溫、霜凍等極端天氣時(shí)，系統(tǒng)提前發(fā)送預(yù)警信息，用戶可提前調(diào)整灌溉計(jì)劃。

五、實(shí)施步驟

1、現(xiàn)場(chǎng)勘查與需求分析

安排專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員前往農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)，勘察種植面積、地形地貌、農(nóng)作物類(lèi)型、現(xiàn)有灌溉設(shè)施等情況，與用戶深入溝通，了解用戶的灌溉需求、管理模式和預(yù)算等，制定個(gè)性化的系統(tǒng)實(shí)施方案。

2、設(shè)備選型與配置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果和用戶需求，選擇合適型號(hào)的傳感器、智能灌溉控制器、LORA 網(wǎng)關(guān)、電磁閥、水泵等設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備配置和系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)，確保設(shè)備的性能和數(shù)量滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3、設(shè)備安裝與調(diào)試

感知層設(shè)備安裝：按照設(shè)計(jì)方案，將土壤傳感器、環(huán)境傳感器埋置或安裝在農(nóng)田的合適位置，將智能灌溉控制器與灌溉設(shè)備連接，并完成 LORA 模塊的配對(duì)和調(diào)試。

LORA 網(wǎng)關(guān)部署：選擇信號(hào)覆蓋良好的位置安裝 LORA 網(wǎng)關(guān)，完成網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)的連接調(diào)試，確保網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定接收和轉(zhuǎn)發(fā)感知層設(shè)備的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層平臺(tái)部署：完成云服務(wù)器的配置和應(yīng)用層管理平臺(tái)的部署，進(jìn)行數(shù)據(jù)接口調(diào)試，確保平臺(tái)能夠正常接收和展示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)整體調(diào)試：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，檢查數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、設(shè)備控制的有效性、通信的穩(wěn)定性等，及時(shí)解決調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

4、人員培訓(xùn)與交付

為用戶提供系統(tǒng)操作培訓(xùn)，包括設(shè)備使用、平臺(tái)操作、數(shù)據(jù)查看、故障處理等方面的內(nèi)容，確保用戶能夠熟練掌握系統(tǒng)的使用方法。培訓(xùn)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)交付，提供設(shè)備清單、操作手冊(cè)、維保說(shuō)明等資料。

5、后期運(yùn)維與服務(wù)

建立完善的售后服務(wù)體系，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行巡檢和維護(hù)，及時(shí)處理用戶反饋的問(wèn)題。為用戶提供技術(shù)支持和系統(tǒng)升級(jí)服務(wù)，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

六、應(yīng)用價(jià)值

1、經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)約水資源：通過(guò)精準(zhǔn)灌溉，根據(jù)農(nóng)作物的實(shí)際需水情況進(jìn)行灌溉，避免了傳統(tǒng)漫灌造成的水資源浪費(fèi)，可節(jié)約用水 30%-60%，大幅降低用水成本。

降低人力成本：實(shí)現(xiàn)灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，無(wú)需人工現(xiàn)場(chǎng)巡檢和操作，減少了人力投入，尤其對(duì)于大面積種植戶，人力成本節(jié)約效果顯著。

提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)：精準(zhǔn)的灌溉控制為農(nóng)作物提供了適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，減少了因灌溉不當(dāng)導(dǎo)致的病蟲(chóng)害和生長(zhǎng)不良等問(wèn)題，可使農(nóng)作物產(chǎn)量提升 10%-20%，品質(zhì)也得到明顯改善，增加農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值。

減少設(shè)備損耗：系統(tǒng)對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和控制，避免設(shè)備空載運(yùn)行、過(guò)載運(yùn)行等情況，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備維修和更換成本。

2、社會(huì)效益

推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展：LORA 無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度融合，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

節(jié)約能源：精準(zhǔn)灌溉減少了水泵等灌溉設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和能耗，同時(shí) LORA 設(shè)備的低功耗特性也降低了系統(tǒng)的整體能耗，符合節(jié)能減排的發(fā)展理念。

保護(hù)生態(tài)環(huán)境：減少水資源的過(guò)度開(kāi)采和浪費(fèi)，避免因漫灌導(dǎo)致的土壤鹽堿化、水土流失等生態(tài)問(wèn)題，有利于保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

審核編輯 黃宇