都江堰丘陵灌區(qū)基于物聯網的高效節(jié)水技術及安全保障體系的設想

李菁 劉強

摘 要：本文結合都江堰丘陵灌區(qū)的特點，以都江堰灌區(qū)水利現代化技術推廣示范基地龍泉山灌溉實驗示范基地為依托工程，闡述構建基于物聯網的丘陵灌區(qū)高效節(jié)水技術及安全保障體系的設想。

主題詞：丘陵灌區(qū) 節(jié)水 物聯網 安全

物聯網（The Internet of things）的概念是在1999年提出的，它簡單的定義是：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。物聯網把新一代IT技術充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把感應器嵌入或裝備到要觀測的物體中，如電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、土壤、大壩、油氣管道等各種要監(jiān)測的實體和對象中，然后將這些“觀測到的物”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，在此基礎上，人類可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。

本文結合都江堰丘陵灌區(qū)的特點，以都江堰灌區(qū)水利現代化技術推廣示范基地龍泉山灌溉實驗示范基地為依托工程，闡述以水情、雨情、墑情、氣象監(jiān)測為核心構建基于物聯網的高效節(jié)水技術示范體系的設想。

1.背景概況

都江堰灌區(qū)承擔著1040萬畝農田的灌溉供水，都江堰管理局歷來把農業(yè)供水作為工作的重中之重，農業(yè)用水能否得到保障關系著社會大局的穩(wěn)定。但灌區(qū)來水一直存在時空分布不均的問題，季節(jié)性缺水非常嚴重。最近幾年來，由于上游來水的減少，整個灌區(qū)出現了大范圍的缺水矛盾，在丘陵灌區(qū)缺水更為突出，缺水時間越來越長，造成的危害也越來越大，一些地方不僅農田用不到水，連人蓄飲水都出現了嚴重的短缺。同時，丘陵灌區(qū)所具有的水利工程分散性、水情雨情變化性、農作物需水時效性、灌溉供水動態(tài)性、灌區(qū)性質特殊性等方面的特點，使灌區(qū)的供水管理工作十分艱巨，管理手段的落后難以實現農業(yè)用水優(yōu)化調配和節(jié)水高效利用。因此，必須盡快在丘陵灌區(qū)推廣高效節(jié)水技術，通過現代化的電子技術、通信技術、計算機技術、全球定位技術，搭建物聯網信息平臺，完成水位、雨量、墑情、溫度、濕度等傳感器信息的自動識別、互聯和共享，實現設備到設備、設備到人及人到設備之間的水資源管理智能化，達到提高灌區(qū)的灌溉用水效率和效益，緩解日益嚴重的丘陵區(qū)缺水矛盾，保證農業(yè)灌溉用水及人蓄飲水的目的。

2.技術體系組成

都江堰丘陵灌區(qū)基于物聯網的高效節(jié)水技術示范體系將建立一個以丘陵灌區(qū)水、雨、墑情、氣象監(jiān)測為核心的綜合數據采集系統，在此基礎上建立灌區(qū)基本信息數據庫和實時信息數據庫，并通過專用軟件，建立灌區(qū)農業(yè)用水優(yōu)化調配模型，分析灌區(qū)歷史氣象、水文、土壤、作物狀況以及生活、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水狀況等數據，制定出科學的農業(yè)用水預案，并根據水情、雨情、墑情的變化及時調整用水計劃。其技術體系由兩大部分組成：

一是基于無線傳感器網絡的監(jiān)測系統。無線傳感器網絡是一種無中心節(jié)點的全分布系統。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數據處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息并發(fā)送給觀察者。由于傳感器網絡具有多跳路由、信息互遞、自組網絡及網絡通信時間同步等特點， 使灌區(qū)面積、節(jié)點數量不受到限制， 可以靈活增減傳感器，大大節(jié)約了設備費用和通信成本，使大范圍內的節(jié)水農業(yè)和智能灌溉成為可能。

第二是灌區(qū)灌溉用水監(jiān)控系統，它的主要目的是解決灌溉供水工程各環(huán)節(jié)監(jiān)測點的數據采集和監(jiān)控。該系統由監(jiān)控中心和各個灌溉取水監(jiān)測點組成，各個監(jiān)測點的遠程測控終端RTU可監(jiān)視和采集水位、流速、雨量、墑情、氣象等各種數據，供灌區(qū)控制中心及有關部門分析和決策用，以提高工作效率，保證農業(yè)灌溉質量，滿足灌區(qū)農業(yè)用水量的需求。

3.網絡架構

方案擬選擇在川中丘陵區(qū)的都江堰龍泉山灌區(qū)實行。龍泉山灌區(qū)，屬都江堰的尾水丘陵灌區(qū)，靠引蓄灌溉。由于近年來都江堰上游岷江來水減少，農業(yè)生產的現代化發(fā)展，作物布局、種植耕作的變化，以致種植收獲時間相對集中，尤其在大春栽插時，用水的供需矛盾更加突出，因此擬在該灌區(qū)內建立高效節(jié)水技術示范區(qū)5000畝，建設20個農業(yè)用水監(jiān)測與調配信息監(jiān)測點，對土壤含水量、渠道供水量、雨量、灌區(qū)氣象進行實時監(jiān)測，并通過節(jié)水農業(yè)效益評估方法與指標體系及其軟件系統提供高效節(jié)約的配水信息，實現水資源綜合利用和節(jié)水增產效益的最大化，保障農業(yè)用水安全。

丘陵灌區(qū)基于物聯網的高效節(jié)水灌溉用水管理系統主要由中心控制站、手機、現場傳感器（流速計、水位計、雨量計、墑情傳感器等）、RTU遠程測控終端、灌區(qū)供水監(jiān)測軟件組成，是基于GRPS或3G無線通信網絡的專業(yè)監(jiān)控系統，可以實現遠程無線監(jiān)控。系統組成如下：

3.1 感知層

感知層由現場傳感器（流速計、水位計、雨量計、墑情、濕度傳感器等）、射頻自動識別（RFID）標簽和讀寫器、GPS定位等感知終端及RTU遠程測控終端組成，實現各種傳感器設備的自動識別、監(jiān)測數據的動態(tài)感知與采集。

3.2 傳輸網絡層

無線網鏈接技術的迅猛發(fā)展和日趨成熟，為廣泛分布于野外的監(jiān)測數據的傳輸與信息交換提供了便利、可靠的技術手段。節(jié)點之間的近距離數據傳輸可考慮采用Wifi或Zigbee短距離無線通信方式，實現傳感器等設備信息的互聯互通。而把各監(jiān)測點的數據遠距離傳輸至中心控制站則可考慮采用基于TD-SCDMA/GPRS/CDMA等無線通訊方式，實現現場數據的遠程上傳及中心控制站監(jiān)控指令的下行傳遞。

3.3 應用層

應用層包括計算機、服務器、手機、PDA等硬件設備及灌溉供水管理等業(yè)務軟件。具體功能如下：

3.3.1數據管理模塊

建立數據庫，對采集回來的各類監(jiān)測數據進行匯集、提取、計算、統計等處理，寫入實時數據庫及歷史數據庫，實現實時數據在線顯示、歷史數據查詢、報表統計、打印、數據維護（補充、修正、刪除）等功能。

3.3.2設備運行管理模塊

對采集回來的現場設備運行數據進行分析，出現異常時，向用戶發(fā)出報警，以便用戶能及時、正確處理故障。

3.3.3供水管理模塊

通過匯集分析水位、流速、雨量、墑情、濕度等監(jiān)測數據及作物信息數據（如種類、面積、階段、施肥、需水等），建立丘陵灌區(qū)土壤含水量、植物水勢、枯水年預測模型，通過節(jié)水農業(yè)效益評估方法與指標體系提出高效節(jié)約的配水計劃，實現灌區(qū)需水量預報、灌溉時間預測、農業(yè)用水監(jiān)測與調配、水費計取等目的。

3.3.4移動終端應用模塊

用戶通過手機、PDA等移動終端，隨時隨地查詢監(jiān)測數據及編制、提取配水預案、完成水費征收等，使移動辦公成為可能，具備比固定辦公更好的靈活機動性和時效性。

4.安全體系

建立基于物聯網的丘陵灌區(qū)高效節(jié)水技術示范體系能夠大大緩解丘陵地區(qū)缺水矛盾，提高灌區(qū)的灌溉用水效率和效益，但基本物聯網本身的特點，解決信息化與網絡化帶來的安全風險，顯得尤為重要。

4.1面臨的安全問題

1）現場傳感器設備多，種類多，數據格式各異，為安全鑒別提出了更高的要求；2）現場傳感器通常情況下功能簡單，無法擁有復雜的數據安全保護能力，容易泄漏或丟失；3）現場傳感器多位于野外、山區(qū)、無人看守，其自身的安全無法得到有效保證；4）感知網絡中水位、流速、雨量、墑情、濕度以及作物信息等數據種類多樣，數據格式和傳輸并沒有特定的標準，無法提供統一的安全保護體系。5）傳輸網絡基于互聯網和現有通信網絡，其中存在的安全威脅直接影響物聯網的正常運行。

4.2安全的網關接入

目前，網關技術仍然是跨網數據安全接入的基本策略。采用成熟的網關技術能夠起到有效的安全隔離、靈活的業(yè)務代理，能夠與相關技術實現較好的銜接與過渡。綜合該物聯網特點及安全保障要求，可從體系結構上強化感知層接入網關的功能要求和技術設計。接入網關位于感知層與應用層之間，對數據進行安全檢測，過濾有效數據，阻止跨層威脅及敏感信息泄漏。

4.2.1密鑰管理

密鑰系統是實現感知層信息隱私保護的重要手段。經接入網關傳輸的數據類型包括現場傳感器采集的數據和對現場傳感器進行管理的控制指令。采集的數據與控制指令必須按照不同的安全策略進行嚴格區(qū)分，分別進行處理和傳輸。主要構建貫穿物聯網體系的密鑰管理系統，并妥善解決感知層密鑰的分配、更新和組播等。

4.2.2數據處理

該物聯網體系的應用不僅要考慮信息采集的安全性、信息傳送的私密性，同時，還要保障整個網絡的可靠、可信和安全。通過數據處理，實現感知層與應用層之間有效信息和數據的交換，將感知層各節(jié)點采集的各類身份信息、狀態(tài)信息、位置信息等轉發(fā)至應用層中相應的應用系統，并根據需要回傳對應的指令信息至感知層，根據實際數據量的大小和時效要求，可采用專用的處理設備實現數據的快速轉發(fā)，有效均衡安全與效率之間的關系。

4.2.3安全路由和內核保護

由于要跨越多類網絡，如基于IP地址的Internet路由協議、有基于標識的移動通信網和傳感網的路由算法，因此需要妥善解決多網融合的路由，保障數據傳輸。同時，增加安全內核模塊，建立訪問規(guī)則庫，攔截所有的內核訪問路徑，通過搶先加載等方式，使系統的任何操作都成為符合規(guī)則的可信任傳遞。按照最小授權原則，精簡操作系統內核和功能模塊，從系統底層對接入網關進行安全防護和安全支持，提升其抵御安全威脅的能力。

4.2.4身份認證及訪問控制

身份認證可以使通信雙方彼此確認身份并交換會話密鑰。認證過程中，感知網絡的認證機制是重點，可采用基于輕量級公鑰的認證技術、預共享密鑰認證技術、隨機密鑰預分布認證技術以及基于單向散列函數的認證等。訪問控制主要是基于角色的訪問控制機制及其擴展模型，包括對網關資源訪問的控制管理以及對感知節(jié)點訪問的控制管理。針對不同資源，設置不同訪問權限。

4.2.4日志管理

接入網關要求具備日志功能。日志記錄包括各類數據安全檢測記錄、指令數據檢測記錄、設備訪問日志記錄等，并對日志進行加密存儲。

5.結語

建立基于物聯網的丘陵灌區(qū)高效節(jié)水技術示范體系，一方面將通過以無線傳感器技術為核心的物聯網系統來提高監(jiān)測數據的多樣性和時效性；另一方面，通過制定科學的節(jié)水灌溉預案，確定灌溉定額，并與農田用水監(jiān)測與優(yōu)化調配系統集成，實現農田用水的自動化及效益最大化。

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作者簡介：李菁（1976.2-），女，籍貫：四川內江，本科學歷，四川省都江堰管理局科技科工程師。

劉強（1979.1-），男，籍貫：四川井研，本科學歷，四川省都江堰管理局安全生產辦公室工程師