物聯網技術在現代農田灌溉中的應用

摘? 要：我國水資源短缺，農田灌溉用水效率總體不高，物聯網技術的發展，為改善以上問題提供了新的契機。水資源監控管理系統是物聯網技術在現代農田灌溉中的典型應用，該系統的應用可以使對灌溉水有效利用系數的測算更為精確，還可以使農田灌溉方式變得有序安全、便于管理，可以達到提高農業灌溉用水效率，改善我國水資源短缺現狀的目的。

關鍵詞：水資源;物聯網技術;農田灌溉;GPRS

中圖分類號：TN925.93;S275? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0168-03

Application of Internet of Things Technology in Modern Farmland Irrigation

HAO Pingping

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：China is short of water resources and the overall efficiency of farmland irrigation water is not high. The development of internet of things technology provides a new opportunity to improve the above problems. Water resources monitoring and management system is a typical application of internet of things technology in modern farmland irrigation. The application of the system can make the calculation of effective utilization coefficient of irrigation water more accurate，and can also make farmland irrigation methods orderly and safe，and easy to manage. It can improve the efficiency of agricultural irrigation water and improve the current situation of water shortage in China.

Keywords：water resources;internet of things;farmland irrigation;GPRS

0? 引? 言

針對水資源短缺的現狀，目前采取了多種措施進行改善，其中物聯網技術在現代農田灌溉中的應用，為提高農田灌溉用水效率，實現節水灌溉起到了很好的助力作用。比如節水灌溉自動化系統，利用物聯網技術對農田灌溉過程進行監控，做到適時適量地供給滿足作物生長需要的水分，從而實現了節水灌溉及灌溉自動化。有的灌溉系統采用高精度土壤溫濕度傳感器，依據土壤濕度和作物生長狀況行灌溉，不但能有效解決農業灌溉用水使用率低的問題，還能為農作物提供良好的生長環境，充分發揮現有節水設備的作用，優化水資源的調度，使農田灌溉更加及時和有效。

物聯網工程作為我校的新增本科專業，在設立之初，便秉承了“以需求為導向”“以能力為導向”的教學培養目標，在課程建設過程中，教師們積極探索物聯網技術在各行業的實際應用。筆者在研究物聯網技術在現代農田灌溉的應用過程中，研究該技術在水資源管理中應用的各類系統后，設計并開發了集成度更高的水資源監控管理系統。該系統的設計與開發，為高職與本科學生的培養提供實踐教學案例，提升教師的實踐教學能力和水平，為培養雙師雙能型教師奠定一定的基礎。

1? 物聯網技術

物聯網，顧名思義，強調的是“物”的互聯，這里的“物”可以是具體的各類電器，如電視、音響、空調、燈具、窗簾、冰箱、水泵等;也可以是各類的資源的數據量，如溫度、用電量、燃氣用量、壓力、液位、料位等。前者的“物聯”側重于控制，終端多為指令控制模塊，后者的“物聯”側重于數據的采集，終端多為各類型的傳感器。物聯網技術在實際的行業應用中，很多情況是將以上兩者結合起來，通過傳感器獲得“物”的狀態，決策者根據狀態數據發布指令，通過控制模塊改變“物”的狀態。本文提出的水資源監控管理系統便是將數據采集和指令控制功能結合起來，實現對水資源的監管。

2? 水資源監控管理系統

以北方常見的灌溉井應用為例，水資源監控管理系統的常見模式是由遠端服務器、水資源控制器、GPRS無線通信網絡、無線射頻識別系統（RFID）、IC卡、智能水泵、遠傳水表以及多種水質傳感器組成，水資源監控管理系統如圖1所示。

2.1? 系統的功能說明

本系統中水資源控制器采用了高度集成化技術，以電能表為基礎，將無線射頻讀寫模塊、無線通信模塊、接口模塊集成在一起，安裝于灌溉井一側。按照物聯網的三層體系結構劃分，在水資源監控管理系統中，遠傳水表、水質傳感器、智能水泵和水資源控制器都處于感知層，水資源控制器根據設置可以定時或根據遠端服務器指令來獲取遠傳水表、水質傳感器和智能水泵的數據，并進行處理、存儲和傳輸。無線通信網絡為物聯網的網絡層，系統采用GPRS無線通信網絡進行數據傳輸，具有高帶寬、低延遲的優點。遠端服務器處于物聯網的應用層，通過安裝平臺軟件可以實現對多眼灌溉井感知層數據的分析、統計和管理功能，并可以根據實際需要發布指令調整水泵的運行狀態，另外還可以對取水用戶進行遠程管理。

水資源監控管理系統的應用也是為了方便用戶的取水功能，每個用戶可以辦理一張充值的非接觸式IC卡，利用無線射頻識別技術（RFID），通過在水資源控制器集成的無線射頻讀寫模塊，根據水資源控制器的預設信息購電取水，或者查詢、充值。

2.2? 系統的主要組成

2.2.1? 水資源控制器

水資源控制器是本系統的硬件核心部分，可以配接（智能）遠傳水表、超聲波流量計、水質傳感器、水位計、智能水泵等設備。其接口模塊部分具有模擬量接口（AI）（0～5 V電壓信號或4～20 mA電流信號）、開關量輸入接口（DI）、繼電器輸出接口（DO）、RS-485型通信接口（COM）等。水資源控制器的一般功能為：（1）顯示功能：采用液晶屏顯示剩余水量、累積水量、瞬時流量、水位數據（水深）、水質參數、當前時鐘等數據。（2）采集功能：既可以通過模擬接口采集傳感器模擬量數據，也可以采集串口儀表中的數據。（3）數據處理及存儲功能：可將采集到的模擬量數據進行數字化處理，并存儲監測實時數據，掉電不丟失。（4）管理控制功能：可以實現遠程IC卡充值、遠程/自動控制智能水泵啟停和定時啟動、設置表底值和遠程數據清零、數據定時上報、故障主動上報等功能。（5）數據傳輸功能：采用GPRS無線通信網絡，將感知層數據傳輸給遠端服務器，并執行遠端服務器的發布命令。

水資源控制器的工作原理如圖2所示。

水資源控制器通過COM接口連接流量計和遠傳水表，通過AI接口連接水質傳感器和水位計，通過DI接口獲取智能水泵的狀態，通過讀取IC卡獲取用戶信息，并將這些數據處理后通過無線通信模塊傳送至遠端服務器，根據服務器反饋的指令或者水資源控制器預設的觸發指令來判定允許取水還是禁止取水。水資源控制器的供電電源為DC 12 V。

2.2.2? 計量控制儀表

水資源控制器可以連接多種計量儀表，常用的有遠傳水表、流量計、水質傳感器、工業相機、智能水泵等設備。

遠傳水表是在普通機械水表的基礎之上增加了遠傳模塊，該模塊可以采集普通機械水表的模擬信號，并將模擬信號進行數字化處理，然后將數據存儲，并通過通信線路將數據上傳給水資源控制器。

水質傳感器可以根據實際需要將pH值、電導率、溶解氧、濁度、溫度等參數傳遞給水資源控制器，再由水資源控制器經過數字化處理后將數據通過GPRS無線通信網絡傳送到遠端服務器。

智能水泵可以將水泵的運行狀態傳送到水資源控制器，水資源控制器通過預設的滿足條件指令或者遠端服務器的指令，通過繼電器輸出接口（DO）來管理和控制智能水泵的運行情況。

2.2.3? IC卡

IC卡可以分為管理卡和用戶卡，管理卡由水利管理部門持有，用于參數的設置，如水價電價設置、清零、電表水表參數設置等。

用戶卡是取水用戶在發卡中心通過充值購買的方式獲得，一戶一卡，可以在水資源控制器上查詢到IC卡的充值金額、剩余數量等信息，并通過水資源控制器進行取水，并能實現“一井多卡”和“一卡多井”。現在已有通過藍牙發卡器連接手機進行發卡的發卡方式，方便快捷。

2.2.4? 遠端服務器

遠端服務器安裝有系統平臺軟件，負責接收水資源控制器傳輸的監測數據，并對數據進行圖表、曲線等可視化處理，方便主管部門根據數據信息進行實時調度、決策處理。平臺軟件一般具備如下功能：（1）地圖功能：可以通過矢量地圖標準測控的點位位置和經緯度。（2）數據功能：顯示測控點的流量、水質、水位等監測值，并可以設置報警值;查詢歷史數據，將數據生成報表、曲線、柱狀分析圖。（3）管理功能：測控點管理、用戶管理、IC卡預收費管理、遠程控制取水管理等。

2.3? 系統的優點

2.3.1? 灌溉水有效利用系數測算更為精確

灌溉水有效利用系數是指在某次或某一時間段內被農作物利用的凈灌溉水量與水源渠首處總灌溉引水量的比值，它與灌區自然條件、工程狀況、用水管理水平、灌水技術等因素有關。我國水利部指出農田灌溉水有效利用系數是我國水資源管理“三條紅線”控制目標的一項主要指標，做好農田灌溉水有效利用系數測算分析工作，是落實嚴格水源管理制度、實施國家節水行動、推進水資源消耗總量和強度雙控行動、全面建設節水型社會的重要內容，由此可見灌溉水有效利用系數測算的重要性。

灌溉水有效利用系數測算涉及的一個重要參數就是引水量，此前大多通過各類型的流量計以人工的方式記錄引水量，很容易出現人工誤差，這樣測算出來的灌溉水有效利用系數肯定也會存在一定的誤差。而引入物聯網技術后，同一個區域使用相同的流量計，通過GPRS無線通信網絡直接將數據傳輸到局端交換機，這樣就做到了基礎數據的可靠性、及時性和連續性，使得灌溉水有效利用系數測算更為精確。

2.3.2? 取水和管理更加有序、科學

過去傳統的農田灌溉取水方式采用人工送電、人工計費，存在著安全隱患和取水無序的問題，再加上水源井比較分散，依靠人工管理比較困難，還容易造成水資源的浪費。采用水資源監控管理系統后這種狀況得到了極大的改善，給水利主管部門的管理帶來了極大的便利。水利主管部門可以通過數據分析，全面了解區域水資源的水質情況和供需情況，實現水資源的合理開發利用和科學調度，準確核定水資源的實時消耗，避免出現水資源的浪費。

3? 結? 論

水資源監控管理系統依托物聯網技術助力現代農田灌溉，實現了對水資源的水質監測、用量監測、用戶管理和遠程控制，切實起到了對水資源的監控管理作用，有效地保證了計劃用水、節約用水目標的實現，對改善我國水資源短缺現狀、提高農業灌溉用水效率具有一定的促進作用，可以得到良好的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

[1] 黃長清.智慧武漢 [M].武漢：長江出版社，2012：158.

[2] 信息安全與通信保密雜志社，梆梆安全研究院.2016物聯網安全白皮書 [J].信息安全與通信保密，2017（2）：110-121.

[3] 周昊.物聯網技術優勢及在水利中的應用分析 [J].河南水利與南水北調，2019，48（2）：81-82.

[4] 王文軍.物聯網技術在水利信息化中的應用 [J].科學與信息化，2018（3）：35-36.

[5] 水利部參事咨詢委員會.智慧水利現狀分析及建設初步設想 [J].中國水利，2018（5）：1-4.

作者簡介：郝萍萍（1977—），女，山東德州人，漢族，就職于物聯網工程教研室，主任（專業負責人），副教授，碩士研究生，研究方向：計算機網絡技術、物聯網應用技術、創新創業教育。