基于物聯網技術的灌溉控制系統在石漠化治理中的應用

郝金平+高成+張亞玲

摘 要：中國西南喀斯特山區石漠化坡耕地自然條件的特點是石多土少，土地貧瘠，降水不少但干旱嚴重，生態環境脆弱、生態惡化與農村貧困惡性循環，加強水利水保建設是實現區域經濟社會可持續發展的關鍵。文中結合滇黔桂石漠化地區的實際情況，設計了基于物聯網技術的灌溉控制系統。該系統由農田無線灌溉網絡和遠程數據中心兩部分組成，結合土壤墑情監測和滴灌、微潤灌等方式，有助于實現農業需水量和生態需水量、生活用水量之間的平衡。示范應用結果表明，使用該系統能夠節水20%～50%，節電10%～30%，減少了大量人工作業。基于物聯網技術的灌溉控制系統運行穩定、可靠，提高了石漠化治理中坡耕地和梯田農業灌溉的用水效率，具有較大推廣價值。

關鍵詞：物聯網；石漠化治理；無線；節水灌溉

中圖分類號：TP393；S274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

滇黔桂地區位于珠江上游石灰巖地區，是中國石灰巖地貌集中分布的區域，也是全國水土流失最為嚴重、治理難度最大、治理最為迫切的地區之一。水土流失導致石漠化面積不斷擴大，為當地農業生產、群眾生活、經濟發展帶來了極大危害，因此加強滇黔桂石漠化地區的水土流失綜合防治，提高農業綜合生產能力，防止土地石漠化加劇，搶救珍貴的土地資源，改善群眾生產生活條件和生態環境已成為一項緊迫而重大的戰略任務[1]。云南、貴州、廣西石漠化總面積約為8.58萬平方千米，石漠化面積大于300平方千米的石漠化嚴重縣有169個。目前，云南和貴州有15%～20%的土地面臨著潛在石漠化威脅，若不及時進行搶救性治理，則將喪失土壤資源，形成大片難以恢復、難以利用的裸巖。石漠化治理根據水文地貌結構，水土資源條件等綜合因素，確定流域小型農田水利配套方式與布局，以洼地排澇解決內澇保護基本農田為核心，以解決水資源短缺為重點，通過配套供水管網，灌溉網絡、田間道路等，引導發展節水灌溉型農業生產。

節水灌溉是石漠化治理的重要手段，也是現代農業發展的趨勢，節水灌溉以最低限度的用水量獲得最大的產量或收益，節水灌溉結合土壤環境監測，利用滴灌和水肥一體化等手段，可精細、準確地調整各項土壤參數和作物種植管理，使各項農業投入效益最大化，獲取單位面積的最高產量和最大經濟效益，同時保護石漠化地區或潛在石漠化地區的生態環境。傳統的灌溉監控系統多采用人工實地操作或有線組網方式，存在較大局限性。人工實地操作控制灌溉工作量大，實地檢測不僅耗費大量人力、物力，且結果受主觀因素影響較大。有線組網存在布線復雜，移動困難等問題，在石漠化坡耕地和梯田使用困難尤為突出，安裝和維護具有一定難度。

物聯網（Internet of Things， IoT）技術為石漠化地區的節水灌溉提供了一個新的途徑。基于物聯網技術的灌溉控制系統在坡耕地和梯田區域部署帶有傳感器的無線傳感器節點，通過無線通信方式形成一個自組織網絡系統，感知、采集與作物生長密切相關的環境參數發送給遠端服務器[2]。農民通過手機等設備訪問Internet就能對農田環境信息進行遠程實時監控，專家庫根據采集信息做出決策，指導農民進行正確的農事活動。農民可科學、高效地完成灌溉、施肥等生產活動。該系統滿足節水灌溉精準化、自動化等要求，為農作物的安全優質生產提供保障。

1 系統設計總體概述

本文設計的硬件設備包含網關、節點等部分，軟件包括通訊服務器、監測與控制平臺等。利用本文所設計的軟硬件設備可實現完整的灌溉控制系統。在田間布置若干節點，其中部分節點接土壤監測傳感器測量環境參數，部分節點接水泵或電磁閥控制灌溉，這些節點組成無線傳感網，并與網關進行數據交互，用戶可利用網關上的觸摸屏查看環境參數并進行灌溉操作，網關的控制器具有邏輯編程功能，用戶可設置自動灌溉策略，灌溉設備按照策略自動灌溉。網關、節點、傳感器等組成無線監測網絡，可在不接入Internet的情況下獨立運行。同時，網關利用GPRS/3G/4G和Internet接口可與遠程數據中心通訊，用戶利用手機等終端設備訪問遠程數據中心，可實現遠程查看農田環境信息、灌溉控制并設置自動灌溉策略、查看原定時間的農事活動指導意見、在線自動計算灌溉和施肥量、通過留言向農業專家咨詢問題等。網絡拓撲圖如圖1所示。

2 硬件設計

節點是物聯網傳感層的基本組成單元，承擔著環境感知和信息傳輸的功能，利用各類傳感器實現對環境狀態信息的采集及灌溉控制[3]。節點以微處理器為核心，采集傳感器數據并反饋給遠程服務器。根據傳感器的電氣特性和系統所要完成的任務，并考慮系統的可靠性、維護性、便攜性及能夠在比較惡劣的環境中正常工作的要求。其硬件功能包括供電電路、控制電路、擴展電路、傳感器信號轉換電路、無線通信模塊等。節點組成結構圖如圖2所示。

網關承擔著邏輯控制、信息傳輸、人機交互等功能，硬件采用了模塊化結構，以應對復雜多樣的情況。例如某農田4G網絡覆蓋，可選4G通訊模塊；某農田無4G網絡覆蓋，則選用GPRS通訊模塊。網關的主要模塊包括控制器模塊、觸摸屏模塊、無線通信模塊、GPRS/3G/4G模塊、供電模塊等。網關組成結構如圖3所示。

3 軟件設計

低功耗局域網強大的組網功能是保證無線傳輸距離的關鍵。整個網絡是由協調器、路由器、終端節點構成的簇樹拓撲結構網絡[4]。當與控制器相連的具有組網功能的協調器節點被激活時，首先應進行主動信道掃描，選擇最佳信道。信道選擇成功后，協調器改為被動信道掃描方式，接收子節點入網申請[5]。若子節點找到網絡并獲取網絡信息，就會向父節點協調器發送入網申請，協調器通過對請求信息的判斷，決定是否響應子節點。節點地址通過外殼上的撥碼開關設定。

網關兼具邏輯控制、人機交互等功能。網關的控制器預置了基于時間控制和基于傳感器反饋信號閉環控制兩種自動灌溉控制方式，用戶可根據自身情況通過設置參數實現自動灌溉。網關控制器開放了邏輯組態功能，用戶可利用一種與數字邏輯電路類似的語言編寫程序開發更多功能。網關的觸摸屏人機交互界面包括查看當前網絡狀態、查看系統拓撲圖與設備分布位置圖、查看傳感器參數、灌溉設備控制、灌溉策略設定、實時曲線和歷史趨勢、報表等功能。endprint

遠程數據中心采用Java、ASP.NET和數據庫技術構建監控平臺，實現了與網關觸摸屏一致的基礎功能和高級功能。其高級功能包括Web發布、園區管理、高低預警值及預警信息設置、接收預警的手機號碼設置、分析報表、農事活動指導、在線自動計算灌溉和施肥量、花期預測、留言板、資料下載等。平臺還集成了自動氣象站數據、中央氣象臺天氣預報、無線太陽能視頻監控圖像等。軟件功能框圖如圖4所示。用戶可利用手機訪問平臺網址，隨時隨地通過Web界面查看田間環境參數、氣象信息、視頻監控和控制灌溉電磁閥等設備，并根據農業專家給出的農事活動指導意見進行生產。

4 應用示范情況

貴州省普定縣石漠化治理試點項目圍繞小型水利水保工程進行。該項目新建了1座提水泵站，1座50 m3取水前池，1座200 m3高位水池，灌溉管網15 529 m，灌溉面積約1 153畝，灌溉形式以滴灌和微潤灌為主，灌溉片區以坡改梯土地為主。

灌溉控制系統由灌溉控制器（網關）、監測與控制節點、路由節點、執行機構（電磁閥）和土壤溫濕度、電導率傳感器等組成。系統主要通過無線網關對電磁閥和傳感器進行數據采集和控制，實現對農田的實時監控及灌溉控制。根據園區灌溉形式的規劃將灌溉土地分為南北兩個區安裝灌溉控制系統，共使用網關2個，節點32個。田間設備使用太陽能供電，使用直流脈沖電磁閥，可通過中控室遠程自動控制，管理者也可通過手機等智能終端遠程自動控制和在農田就地手動控制。土壤濕度傳感器能夠把土壤的體積含水量參數轉換為標準信號，并由控制節點傳遞給灌溉控制器（網關）和主服務器。用戶可通過查看手機Web頁面或網關上的傳感器數據指導灌溉作業，也可以設定灌溉策略實現自動灌溉。灌溉策略包括定時定點灌溉和根據土壤濕度傳感器反饋信號閉環控制兩種，用戶可根據自己的情況自由選擇使用。應用結果表明，用戶通過使用該系統，利用手機可實時掌握土壤墑情并反控現場灌溉電磁閥，準確把握灌溉的時機和用水量，避免了水、電資源的浪費，有利于水土保持，確保作物有最好的生長環境。據用戶統計，2016年下半年灌溉節水約50%，泵房用電節省約20%，既有利于水土保持又可有效降低農戶的生產成本。Web界面、網關和節點如圖5所示。

5 結 語

本研究提出了一種低功耗、低成本、覆蓋面積廣、戶外續航能力強、無線傳輸穩定可靠的用于灌溉的控制系統，構建了系統的體系結構，設計并實現了網關和節點的硬件電路與軟件系統，集成傳感器、嵌入式、網絡通信等技術。小型水利水保設施及配套工程建設是石漠化治理的重要措施，節水灌溉是重要手段。定量監測結果顯示，農田水利配套工程實施后，流域內石漠化土地比重減少、等級強度降低，水土流失得到有效控制。本研究成果可應用于小型水利水保設施，具有很強的環境適應性，可實現灌溉相關設備的開環與閉環控制，達到節水節電目的。示范應用結果表明該系統實時性好，數據傳輸穩定可靠，用戶使用方便，節能效果明顯，具有廣闊的應用前景與產業價值。將物聯網技術應用在石漠化治理方面是物聯網技術應用的一個方向，它將提高農業灌溉的用水效率，有利于提升石漠化治理效果，具有較大推廣價值。

參考文獻

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