物联网在农业灌溉中的应用：从灌溉自动化到智慧灌溉_陆红飞.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 87 灌溉技术与装备 文章编号：1672-3317（2023）01-0087-13 物联网在农业灌溉中的应用：从灌溉自动化到智慧灌溉 陆红飞1，王 涛1,2，乔冬梅3，孙 健1,2，吴刚山1，田崇峰1，严 方1，甄 博1,3*（1.江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400；2.江苏大学，江苏 镇江 212013；3.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002）摘 要：【目的】掌握物联网在农业灌溉中的应用概况，梳理未来农业灌溉的重要发展方向，进一步提高农业灌溉效率和水平。【方法】采用文献计量的方法，分别在中国知网（CNKI）和 Web of Science（WOS）数据库进行主题词和关键词搜索，采用 Endnote X9 和 VOSviewer 对文献数据进行整理，分析了发文量、机构、研究热点等，剖析了该领域发展现状，并对未来趋势进行展望。【结果】近年来，物联网在农业灌溉中的应用这一领域在国内外均得到快速发展，20112020 年 CNKI 年均增加 27.7 篇，2020 年发文量为 300 篇，20112021 年 WOS 年均增加 24.3 篇，2021年发文量为 280 篇。国内方面，河北农业大学、北京农业智能装备技术研究中心等是主要的研究机构，节水灌溉农机化研究等是主要发文期刊；2010 年之前，国内研究主要集中在灌溉自动化方面，智能灌溉研究逐渐兴起；2011 年至今，主要关注智能灌溉、水肥一体化、智能农机、智慧灌溉以及节水减肥和绿色发展等。国际方面，佛罗里达州立大学系统、佛罗里达大学等是该领域的主要研究机构，Agricultural Water Management Sensors等是该领域的主要发文期刊，印度、中国、美国是主要的论文产出国，分别发表了 292、220、184 篇；2010 年之前国际上主要关注农业生产、水管理和水资源调控等，2011 年之后，主要关注农业生产及其环境效应、水资源的调控、以物联网和计算机为核心的灌溉技术的应用、智慧灌溉等。【结论】物联网技术推动灌溉自动化迈向智慧灌溉，未来农业灌溉物联网领域的研究方向主要包括优化智慧灌溉系统软件和硬件布局、低成本的灌溉设备、大数据分析和安全、智慧灌溉标准建立和人才培养、高效的无线传输网络、“水-肥-药”智能实施等。关 键 词：物联网；自动化；智慧灌溉；文献计量学；VOSviewer 中图分类号：S275 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022402 OSID：陆红飞,王涛,乔冬梅,等.物联网在农业灌溉中的应用：从灌溉自动化到智慧灌溉J.灌溉排水学报,2023,42(1):87-99.LU Hongfei,WANG Tao,QIAO Dongmei,et al.Application of Internet of Things in Irrigation:A ReviewJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):87-99.0 引 言1 物联网（Internet of things，简称 IOT）的概念兴起于 20 世纪 90 年代，2005 年国际电信联盟（ITU）发布了ITU 互联网报告 2005：物联网，正式提出了“物联网”的概念1。物联网指通过各种装置和传感技术实时采集任何需要监控、互动、连接的物体或过程，通过各类网络的接入，实现物体与人和物体与物体之间的连接，实现对物体和其过程的一种智能化感知和识别2。物联网具有非常突出的优点，如相对廉价的设备、低功耗的无线技术、云存储、大数据分析、智慧决策等。收稿日期：2022-07-20 基金项目：江苏农林职业技术学院科技计划项目（2022kj16）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（212400410790）；河南省自然科学基金项目（212300410139）作者简介：陆红飞（1989-），男，江苏淮安人。助理研究员，博士，主要从事节水灌溉技术和装备方面的研究。E-mail: 通信作者：甄博（1988-），女，河南新乡人。助理研究员，硕士，主要从事农田排水理论与装备研究。E-mail:【研究意义】全球不断增长的人口对食物的高需求正在影响环境，并对农业生产力造成许多压力，农业 4.0 的发展成为迫切需求。农业 4.0 采用先进的信息系统和互联网技术3，农业物联网是农业 4.0 的重要组成部分。农业物联网主要包括感知层、传输层（网络层）、处理和应用层4，将农田、传感器网络、数据管理终端和移动终端等连接起来，使农田能够成为网络中的一个可观测终端。目前水资源的短缺和不合理的使用一直是制约我国农业发展的主要问题之一。物联网成为进一步提升农业灌溉效率的重要抓手。系统分析物联网在农业灌溉中的应用情况，梳理农业灌溉发展的重要方向，有助于农业节水灌溉新技术的推广和应用。【研究进展】提高农业水资源的利用效率是关系到农业可持续发展的重大问题。传统的灌溉方式是通过重力方式和毛细管原理来用水浸润土壤5，主要分为淹灌、漫灌和沟灌等，这些仍然是我国当前最主要灌溉排水学报 http:/ 88 的灌溉方式。但传统灌溉方式的缺点很明显，需要大量的灌溉水资源，并且水的利用率却非常低，还容易造成土壤和肥料流失，不利于农业的可持续发展6。随着数字农业、农业物联网的发展，农业灌溉与信息技术的结合，进一步提升了节水空间。如采用物联网技术，根据棉花灌溉决策与管理的实际需求，设计并实现了棉花智能化微灌系统，并将其应用于新疆库尔勒棉花智能化膜下滴灌示范区中；该系统解决了示范区墒情监测布点缺乏依据的困难和关键硬件产品进口价格过高、难以推广等问题7。农田环境监测和智能灌溉施肥、果园生产中的信息采集和灌溉控制等方面都是物联网在农业灌溉中的应用实践。智能（智慧）灌溉是运用物联网技术、云计算技术、大数据技术与传感器技术相结合的方式，对农业生产中的环境温度、光照强度、土壤墒情等一些参数进行实时监测，系统地分析处理数据信息，达到所设阈值，或者结合水肥一体化技术实现智能化灌溉。其相比于传统灌溉方式不仅大大提高了水资源的利用率，减少了时间成本和劳动成本，还可以准确定时、定量、高效地给农作物自动补充水分，改善土壤环境，从而达到增产、增质、节能的目标。【切入点】物联网是 2005 年以来发展最快的技术之一，农业灌溉中应用物联网技术的研究逐渐成为重点，粮食、蔬菜、水果等不断增长需求对农业灌溉提出了新的挑战；随着数字农业的发展，物联网在农业灌溉中将发挥关键作用。文献计量学主要是研究文献体系和文献的相关媒介，采用数学、统计学、文献学等计量方法，研究文献信息的分布式结构、数量之间的规律的一门学科，主要通过引文、作者、机构、国家和词汇数量来定量分析文献特征，帮助研究人员或技术人员快速了解某个领域的研究现状及发展脉络。【拟解决的关键问题】本文采用文献计量学的方法，在中国知网和 Web of Science 检索物联网在农业灌溉中的应用方面的文献，通过 Endnote X9 和VOSviewer 对文献数据进行挖掘，分析作者、关键词、研究机构、期刊的特点，剖析该领域的发展动态，并结合近年国家政策和市场走势对未来发展趋势进行展望，以期促进农业物联网和智慧灌溉的发展。1 材料与方法 1.1 研究数据 研 究 数 据 来 源 于 中 国 知 网（CNKI，https:/ Web of science（WOS，http:/ CNKI 中选择所有期刊，不限研究时段，检索时间为 2022 年 6 月 10 日。在 CNKI 中的专业检索中检索，检索式共有 4 个：TI=(智慧灌溉+智能灌溉)OR SU=(智慧灌溉+智能灌溉)OR KY=(智慧灌溉+智能灌溉)；先检索 TI=水肥一体化 OR SU=水肥一体化 OR KY=水肥一体化，然后再结果中检索FT=(物联网+智慧+智能)；先检索 TI=物联网 OR SU=物联网 OR KY=物联网，然后再结果中检索TI=(灌溉+滴灌+喷灌+微喷灌+微灌+漫灌+隔沟灌+畦灌+控制灌溉+非充分灌溉+波涌灌+低压管灌+水分)OR KY=(灌溉+滴灌+喷灌+微喷灌+微灌+漫灌+隔沟灌+畦灌+控制灌溉+非充分灌溉+波涌灌+低压管灌+水分)OR AB=(灌溉+滴灌+喷灌+微喷灌+微灌+漫灌+隔沟灌+畦灌+控制灌溉+非充分灌溉+波涌灌+低压管灌+水分)；SU=灌溉 AND SU=自动化。将 4 种检索方式得到的文献导入 Endnote X9 中，整理去重，得到数据库中所有关于物联网在农业灌溉中的应用（以下简称为研究领域）方面的论文，共计 2 126 篇文献。在 WOS 中选择核心数据集中的 paper，不限研究时间，检索时间为 2022 年 6 月 10 日。采用专业检 索，检 索 式 为 TS=(intelligent irrigation)OR TS=(IOT*irrigation)OR TS=(internet of things*irrigation)OR TS=(smart irrigation)，共得到 1 371篇文献。1.2 研究方法 在 EndNote X9 中将研究领域的文献按年份划分，通过初步对研究趋势进行研判，划分出 2 个研究时期：2010 年以前和 20112022 年。对于 CNKI 数据库的文献，2010 年以前，设定关键词频次2，共得到 121 个关键词，其中 118 个存在关联；设定作者频次1，共得到 476 位作者共现图，仅 13 位作者存在明显的合作关系。20112022年，设定关键词频次5，共得到 202 个关键词，均存在关联；设定作者频次2，共得到 572 位作者共现图，仅 38 位作者存在明显的合作关系。对于 WOS 数据库的文献，2010 年以前，设定关键词频次2，共得到 54 个关键词，其中 53 个存在关联；设定作者频次1，共得到 289 位作者共现图，仅 14 位作者存在明显的合作关系。20112022 年，设定关键词频次6，共得到 252 个关键词，均存在关联；设定作者频次2，共得到 558 位作者共现图，仅 137 位作者存在明显的合作关系。采用 VOSviewer 制作关键词（合并含义相近的词）和作者图谱，采用 EndNote X9 和 Excel 2016 进行数据整理、分析和作图。2 结果与分析 陆红飞 等：物联网在农业灌溉中的应用：从灌溉自动化到智慧灌溉 89 2.1 物联网在农业灌溉中的应用研究文献统计 中国知网（CNKI）关于物联网在农业灌溉中的应用方面的论文数量如图 1 所示。从图 1 可以看出，2000 年之前，该领域发文数量较少，部分年份无相关论文发表；20002010 年，该领域每年均有论文发表，发文数量介于 1031 之间，无明显趋势；20112020 年，该领域论文呈快速增长趋势，年均增加 27.7 篇，至 2020 年达到发文高峰（300 篇），2021年发文数量有所减少。图 1 CNKI 数据库年度发文数量 Fig.1 Annual number of papers issued by CNKI database WOS（Web of science）关于物联网在农业灌溉中的应用方面的论文数量如图 2 所示。从图 2 可以看出，2000 年之前，该领域发文数量较少；20002010年，年均发文量均低于 20；20112021 年，该领域论文呈快速增长趋势，年均增加 24.3 篇论文；2016年有所回落，2017 年起再次快速增长，至 2021 年达到发文高峰（280 篇）。结合图 1 和图 2 可以看出，该领域国内外的研究具有相同的发展趋势，说明该领域具有重要的研究价值。图 2 WOS 数据库年度发文数量和引用频次 Fig.2 Annual number of papers and their cite