物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用

摘? 要：我國水資源短缺，農(nóng)田灌溉用水效率總體不高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為改善以上問題提供了新的契機(jī)。水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)田灌溉中的典型應(yīng)用，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以使對灌溉水有效利用系數(shù)的測算更為精確，還可以使農(nóng)田灌溉方式變得有序安全、便于管理，可以達(dá)到提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，改善我國水資源短缺現(xiàn)狀的目的。

關(guān)鍵詞：水資源;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);農(nóng)田灌溉;GPRS

中圖分類號：TN925.93;S275? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)狀，目前采取了多種措施進(jìn)行改善，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用，為提高農(nóng)田灌溉用水效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉起到了很好的助力作用。比如節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對農(nóng)田灌溉過程進(jìn)行監(jiān)控，做到適時適量地供給滿足作物生長需要的水分，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉及灌溉自動化。有的灌溉系統(tǒng)采用高精度土壤溫濕度傳感器，依據(jù)土壤濕度和作物生長狀況行灌溉，不但能有效解決農(nóng)業(yè)灌溉用水使用率低的問題，還能為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境，充分發(fā)揮現(xiàn)有節(jié)水設(shè)備的作用，優(yōu)化水資源的調(diào)度，使農(nóng)田灌溉更加及時和有效。

物聯(lián)網(wǎng)工程作為我校的新增本科專業(yè)，在設(shè)立之初，便秉承了“以需求為導(dǎo)向”“以能力為導(dǎo)向”的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，在課程建設(shè)過程中，教師們積極探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。筆者在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)田灌溉的應(yīng)用過程中，研究該技術(shù)在水資源管理中應(yīng)用的各類系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)并開發(fā)了集成度更高的水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，為高職與本科學(xué)生的培養(yǎng)提供實(shí)踐教學(xué)案例，提升教師的實(shí)踐教學(xué)能力和水平，為培養(yǎng)雙師雙能型教師奠定一定的基礎(chǔ)。

1? 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，強(qiáng)調(diào)的是“物”的互聯(lián)，這里的“物”可以是具體的各類電器，如電視、音響、空調(diào)、燈具、窗簾、冰箱、水泵等;也可以是各類的資源的數(shù)據(jù)量，如溫度、用電量、燃?xì)庥昧俊毫Α⒁何弧⒘衔坏取Ｇ罢叩摹拔锫?lián)”側(cè)重于控制，終端多為指令控制模塊，后者的“物聯(lián)”側(cè)重于數(shù)據(jù)的采集，終端多為各類型的傳感器。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際的行業(yè)應(yīng)用中，很多情況是將以上兩者結(jié)合起來，通過傳感器獲得“物”的狀態(tài)，決策者根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布指令，通過控制模塊改變“物”的狀態(tài)。本文提出的水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)便是將數(shù)據(jù)采集和指令控制功能結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對水資源的監(jiān)管。

2? 水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)

以北方常見的灌溉井應(yīng)用為例，水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)的常見模式是由遠(yuǎn)端服務(wù)器、水資源控制器、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別系統(tǒng)（RFID）、IC卡、智能水泵、遠(yuǎn)傳水表以及多種水質(zhì)傳感器組成，水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖1所示。

2.1? 系統(tǒng)的功能說明

本系統(tǒng)中水資源控制器采用了高度集成化技術(shù)，以電能表為基礎(chǔ)，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(cè)。按照物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)劃分，在水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)中，遠(yuǎn)傳水表、水質(zhì)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(jù)設(shè)置可以定時或根據(jù)遠(yuǎn)端服務(wù)器指令來獲取遠(yuǎn)傳水表、水質(zhì)傳感器和智能水泵的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、存儲和傳輸。無線通信網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，系統(tǒng)采用GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高帶寬、低延遲的優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)端服務(wù)器處于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，通過安裝平臺軟件可以實(shí)現(xiàn)對多眼灌溉井感知層數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)和管理功能，并可以根據(jù)實(shí)際需要發(fā)布指令調(diào)整水泵的運(yùn)行狀態(tài)，另外還可以對取水用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)（RFID），通過在水資源控制器集成的無線射頻讀寫模塊，根據(jù)水資源控制器的預(yù)設(shè)信息購電取水，或者查詢、充值。

2.2? 系統(tǒng)的主要組成

2.2.1? 水資源控制器

水資源控制器是本系統(tǒng)的硬件核心部分，可以配接（智能）遠(yuǎn)傳水表、超聲波流量計(jì)、水質(zhì)傳感器、水位計(jì)、智能水泵等設(shè)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(guān)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(shù)據(jù)（水深）、水質(zhì)參數(shù)、當(dāng)前時鐘等數(shù)據(jù)。（2）采集功能：既可以通過模擬接口采集傳感器模擬量數(shù)據(jù)，也可以采集串口儀表中的數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)處理及存儲功能：可將采集到的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，并存儲監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)，掉電不丟失。（4）管理控制功能：可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程IC卡充值、遠(yuǎn)程/自動控制智能水泵啟停和定時啟動、設(shè)置表底值和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)定時上報、故障主動上報等功能。（5）數(shù)據(jù)傳輸功能：采用GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)，將感知層數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)端服務(wù)器，并執(zhí)行遠(yuǎn)端服務(wù)器的發(fā)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(jì)和遠(yuǎn)傳水表，通過AI接口連接水質(zhì)傳感器和水位計(jì)，通過DI接口獲取智能水泵的狀態(tài)，通過讀取IC卡獲取用戶信息，并將這些數(shù)據(jù)處理后通過無線通信模塊傳送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，根據(jù)服務(wù)器反饋的指令或者水資源控制器預(yù)設(shè)的觸發(fā)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(jì)量控制儀表

水資源控制器可以連接多種計(jì)量儀表，常用的有遠(yuǎn)傳水表、流量計(jì)、水質(zhì)傳感器、工業(yè)相機(jī)、智能水泵等設(shè)備。

遠(yuǎn)傳水表是在普通機(jī)械水表的基礎(chǔ)之上增加了遠(yuǎn)傳模塊，該模塊可以采集普通機(jī)械水表的模擬信號，并將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，然后將數(shù)據(jù)存儲，并通過通信線路將數(shù)據(jù)上傳給水資源控制器。

水質(zhì)傳感器可以根據(jù)實(shí)際需要將pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、溫度等參數(shù)傳遞給水資源控制器，再由水資源控制器經(jīng)過數(shù)字化處理后將數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器。

智能水泵可以將水泵的運(yùn)行狀態(tài)傳送到水資源控制器，水資源控制器通過預(yù)設(shè)的滿足條件指令或者遠(yuǎn)端服務(wù)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(yùn)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(shù)的設(shè)置，如水價電價設(shè)置、清零、電表水表參數(shù)設(shè)置等。

用戶卡是取水用戶在發(fā)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(shù)量等信息，并通過水資源控制器進(jìn)行取水，并能實(shí)現(xiàn)“一井多卡”和“一卡多井”。現(xiàn)在已有通過藍(lán)牙發(fā)卡器連接手機(jī)進(jìn)行發(fā)卡的發(fā)卡方式，方便快捷。

2.2.4? 遠(yuǎn)端服務(wù)器

遠(yuǎn)端服務(wù)器安裝有系統(tǒng)平臺軟件，負(fù)責(zé)接收水資源控制器傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表、曲線等可視化處理，方便主管部門根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時調(diào)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(biāo)準(zhǔn)測控的點(diǎn)位位置和經(jīng)緯度。（2）數(shù)據(jù)功能：顯示測控點(diǎn)的流量、水質(zhì)、水位等監(jiān)測值，并可以設(shè)置報警值;查詢歷史數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)生成報表、曲線、柱狀分析圖。（3）管理功能：測控點(diǎn)管理、用戶管理、IC卡預(yù)收費(fèi)管理、遠(yuǎn)程控制取水管理等。

2.3? 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.3.1? 灌溉水有效利用系數(shù)測算更為精確

灌溉水有效利用系數(shù)是指在某次或某一時間段內(nèi)被農(nóng)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(qū)自然條件、工程狀況、用水管理水平、灌水技術(shù)等因素有關(guān)。我國水利部指出農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是我國水資源管理“三條紅線”控制目標(biāo)的一項(xiàng)主要指標(biāo)，做好農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析工作，是落實(shí)嚴(yán)格水源管理制度、實(shí)施國家節(jié)水行動、推進(jìn)水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動、全面建設(shè)節(jié)水型社會的重要內(nèi)容，由此可見灌溉水有效利用系數(shù)測算的重要性。

灌溉水有效利用系數(shù)測算涉及的一個重要參數(shù)就是引水量，此前大多通過各類型的流量計(jì)以人工的方式記錄引水量，很容易出現(xiàn)人工誤差，這樣測算出來的灌溉水有效利用系數(shù)肯定也會存在一定的誤差。而引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，同一個區(qū)域使用相同的流量計(jì)，通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄侄私粨Q機(jī)，這樣就做到了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性、及時性和連續(xù)性，使得灌溉水有效利用系數(shù)測算更為精確。

2.3.2? 取水和管理更加有序、科學(xué)

過去傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉取水方式采用人工送電、人工計(jì)費(fèi)，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(fèi)。采用水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)分析，全面了解區(qū)域水資源的水質(zhì)情況和供需情況，實(shí)現(xiàn)水資源的合理開發(fā)利用和科學(xué)調(diào)度，準(zhǔn)確核定水資源的實(shí)時消耗，避免出現(xiàn)水資源的浪費(fèi)。

3? 結(jié)? 論

水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力現(xiàn)代農(nóng)田灌溉，實(shí)現(xiàn)了對水資源的水質(zhì)監(jiān)測、用量監(jiān)測、用戶管理和遠(yuǎn)程控制，切實(shí)起到了對水資源的監(jiān)控管理作用，有效地保證了計(jì)劃用水、節(jié)約用水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對改善我國水資源短缺現(xiàn)狀、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率具有一定的促進(jìn)作用，可以得到良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[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(lián)網(wǎng)安全白皮書 [J].信息安全與通信保密，2017（2）：110-121.

[3] 周昊.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢及在水利中的應(yīng)用分析 [J].河南水利與南水北調(diào)，2019，48（2）：81-82.

[4] 王文軍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利信息化中的應(yīng)用 [J].科學(xué)與信息化，2018（3）：35-36.

[5] 水利部參事咨詢委員會.智慧水利現(xiàn)狀分析及建設(shè)初步設(shè)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(lián)網(wǎng)工程教研室，主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人），副教授，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。