基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉控制系統(tǒng)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(qū)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(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)惡化與農(nóng)村貧困惡性循環(huán)，加強水利水保建設是實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。文中結(jié)合滇黔桂石漠化地區(qū)的實際情況，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由農(nóng)田無線灌溉網(wǎng)絡和遠程數(shù)據(jù)中心兩部分組成，結(jié)合土壤墑情監(jiān)測和滴灌、微潤灌等方式，有助于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)需水量和生態(tài)需水量、生活用水量之間的平衡。示范應用結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)能夠節(jié)水20%～50%，節(jié)電10%～30%，減少了大量人工作業(yè)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，提高了石漠化治理中坡耕地和梯田農(nóng)業(yè)灌溉的用水效率，具有較大推廣價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；石漠化治理；無線；節(jié)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(qū)位于珠江上游石灰?guī)r地區(qū)，是中國石灰?guī)r地貌集中分布的區(qū)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(qū)之一。水土流失導致石漠化面積不斷擴大，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、群眾生活、經(jīng)濟發(fā)展帶來了極大危害，因此加強滇黔桂石漠化地區(qū)的水土流失綜合防治，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)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(chǎn)生活條件和生態(tài)環(huán)境已成為一項緊迫而重大的戰(zhàn)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(jù)水文地貌結(jié)構(gòu)，水土資源條件等綜合因素，確定流域小型農(nóng)田水利配套方式與布局，以洼地排澇解決內(nèi)澇保護基本農(nóng)田為核心，以解決水資源短缺為重點，通過配套供水管網(wǎng)，灌溉網(wǎng)絡、田間道路等，引導發(fā)展節(jié)水灌溉型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

節(jié)水灌溉是石漠化治理的重要手段，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，節(jié)水灌溉以最低限度的用水量獲得最大的產(chǎn)量或收益，節(jié)水灌溉結(jié)合土壤環(huán)境監(jiān)測，利用滴灌和水肥一體化等手段，可精細、準確地調(diào)整各項土壤參數(shù)和作物種植管理，使各項農(nóng)業(yè)投入效益最大化，獲取單位面積的最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益，同時保護石漠化地區(qū)或潛在石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)多采用人工實地操作或有線組網(wǎng)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(jié)果受主觀因素影響較大。有線組網(wǎng)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(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）技術(shù)為石漠化地區(qū)的節(jié)水灌溉提供了一個新的途徑?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的灌溉控制系統(tǒng)在坡耕地和梯田區(qū)域部署帶有傳感器的無線傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，感知、采集與作物生長密切相關(guān)的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給遠端服務器[2]。農(nóng)民通過手機等設備訪問Internet就能對農(nóng)田環(huán)境信息進行遠程實時監(jiān)控，專家?guī)旄鶕?jù)采集信息做出決策，指導農(nóng)民進行正確的農(nóng)事活動。農(nóng)民可科學、高效地完成灌溉、施肥等生產(chǎn)活動。該系統(tǒng)滿足節(jié)水灌溉精準化、自動化等要求，為農(nóng)作物的安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供保障。

1 系統(tǒng)設計總體概述

本文設計的硬件設備包含網(wǎng)關(guān)、節(jié)點等部分，軟件包括通訊服務器、監(jiān)測與控制平臺等。利用本文所設計的軟硬件設備可實現(xiàn)完整的灌溉控制系統(tǒng)。在田間布置若干節(jié)點，其中部分節(jié)點接土壤監(jiān)測傳感器測量環(huán)境參數(shù)，部分節(jié)點接水泵或電磁閥控制灌溉，這些節(jié)點組成無線傳感網(wǎng)，并與網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交互，用戶可利用網(wǎng)關(guān)上的觸摸屏查看環(huán)境參數(shù)并進行灌溉操作，網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)、節(jié)點、傳感器等組成無線監(jiān)測網(wǎng)絡，可在不接入Internet的情況下獨立運行。同時，網(wǎng)關(guān)利用GPRS/3G/4G和Internet接口可與遠程數(shù)據(jù)中心通訊，用戶利用手機等終端設備訪問遠程數(shù)據(jù)中心，可實現(xiàn)遠程查看農(nóng)田環(huán)境信息、灌溉控制并設置自動灌溉策略、查看原定時間的農(nóng)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(nóng)業(yè)專家咨詢問題等。網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

2 硬件設計

節(jié)點是物聯(lián)網(wǎng)傳感層的基本組成單元，承擔著環(huán)境感知和信息傳輸?shù)墓δ?，利用各類傳感器實現(xiàn)對環(huán)境狀態(tài)信息的采集及灌溉控制[3]。節(jié)點以微處理器為核心，采集傳感器數(shù)據(jù)并反饋給遠程服務器。根據(jù)傳感器的電氣特性和系統(tǒng)所要完成的任務，并考慮系統(tǒng)的可靠性、維護性、便攜性及能夠在比較惡劣的環(huán)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(zhuǎn)換電路、無線通信模塊等。節(jié)點組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)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(jié)構(gòu)，以應對復雜多樣的情況。例如某農(nóng)田4G網(wǎng)絡覆蓋，可選4G通訊模塊；某農(nóng)田無4G網(wǎng)絡覆蓋，則選用GPRS通訊模塊。網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 軟件設計

低功耗局域網(wǎng)強大的組網(wǎng)功能是保證無線傳輸距離的關(guān)鍵。整個網(wǎng)絡是由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點構(gòu)成的簇樹拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡[4]。當與控制器相連的具有組網(wǎng)功能的協(xié)調(diào)器節(jié)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(xié)調(diào)器改為被動信道掃描方式，接收子節(jié)點入網(wǎng)申請[5]。若子節(jié)點找到網(wǎng)絡并獲取網(wǎng)絡信息，就會向父節(jié)點協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請，協(xié)調(diào)器通過對請求信息的判斷，決定是否響應子節(jié)點。節(jié)點地址通過外殼上的撥碼開關(guān)設定。

網(wǎng)關(guān)兼具邏輯控制、人機交互等功能。網(wǎng)關(guān)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(huán)控制兩種自動灌溉控制方式，用戶可根據(jù)自身情況通過設置參數(shù)實現(xiàn)自動灌溉。網(wǎng)關(guān)控制器開放了邏輯組態(tài)功能，用戶可利用一種與數(shù)字邏輯電路類似的語言編寫程序開發(fā)更多功能。網(wǎng)關(guān)的觸摸屏人機交互界面包括查看當前網(wǎng)絡狀態(tài)、查看系統(tǒng)拓撲圖與設備分布位置圖、查看傳感器參數(shù)、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(shù)據(jù)中心采用Java、ASP.NET和數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了與網(wǎng)關(guān)觸摸屏一致的基礎功能和高級功能。其高級功能包括Web發(fā)布、園區(qū)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(nóng)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(shù)據(jù)、中央氣象臺天氣預報、無線太陽能視頻監(jiān)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(wǎng)址，隨時隨地通過Web界面查看田間環(huán)境參數(shù)、氣象信息、視頻監(jiān)控和控制灌溉電磁閥等設備，并根據(jù)農(nóng)業(yè)專家給出的農(nóng)事活動指導意見進行生產(chǎn)。

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(wǎng)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(qū)以坡改梯土地為主。

灌溉控制系統(tǒng)由灌溉控制器（網(wǎng)關(guān)）、監(jiān)測與控制節(jié)點、路由節(jié)點、執(zhí)行機構(gòu)（電磁閥）和土壤溫濕度、電導率傳感器等組成。系統(tǒng)主要通過無線網(wǎng)關(guān)對電磁閥和傳感器進行數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)對農(nóng)田的實時監(jiān)控及灌溉控制。根據(jù)園區(qū)灌溉形式的規(guī)劃將灌溉土地分為南北兩個區(qū)安裝灌溉控制系統(tǒng)，共使用網(wǎng)關(guān)2個，節(jié)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(nóng)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(shù)轉(zhuǎn)換為標準信號，并由控制節(jié)點傳遞給灌溉控制器（網(wǎng)關(guān)）和主服務器。用戶可通過查看手機Web頁面或網(wǎng)關(guān)上的傳感器數(shù)據(jù)指導灌溉作業(yè)，也可以設定灌溉策略實現(xiàn)自動灌溉。灌溉策略包括定時定點灌溉和根據(jù)土壤濕度傳感器反饋信號閉環(huán)控制兩種，用戶可根據(jù)自己的情況自由選擇使用。應用結(jié)果表明，用戶通過使用該系統(tǒng)，利用手機可實時掌握土壤墑情并反控現(xiàn)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(huán)境。據(jù)用戶統(tǒng)計，2016年下半年灌溉節(jié)水約50%，泵房用電節(jié)省約20%，既有利于水土保持又可有效降低農(nóng)戶的生產(chǎn)成本。Web界面、網(wǎng)關(guān)和節(jié)點如圖5所示。

5 結(jié) 語

本研究提出了一種低功耗、低成本、覆蓋面積廣、戶外續(xù)航能力強、無線傳輸穩(wěn)定可靠的用于灌溉的控制系統(tǒng)，構(gòu)建了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，設計并實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)和節(jié)點的硬件電路與軟件系統(tǒng)，集成傳感器、嵌入式、網(wǎng)絡通信等技術(shù)。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(jié)水灌溉是重要手段。定量監(jiān)測結(jié)果顯示，農(nóng)田水利配套工程實施后，流域內(nèi)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(huán)境適應性，可實現(xiàn)灌溉相關(guān)設備的開環(huán)與閉環(huán)控制，達到節(jié)水節(jié)電目的。示范應用結(jié)果表明該系統(tǒng)實時性好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，用戶使用方便，節(jié)能效果明顯，具有廣闊的應用前景與產(chǎn)業(yè)價值。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在石漠化治理方面是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的一個方向，它將提高農(nóng)業(yè)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

[1]高漸飛，熊康寧，吳克華.典型喀斯特石漠化小流域小型農(nóng)田水利配套技術(shù)與模式[J].中國農(nóng)村水利水電，2012（8）：16-19.

[2] Medaglia C M， Serbanat i A.An Overview of Privacy and Security Issues in the Internet of Things[J].Mind，2010，13（52）：592.

[3]魯瑩，徐全元.一種通用型農(nóng)業(yè)設施環(huán)境監(jiān)測設備的設計與應用[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2014，42（6）：178-183.

[4]朱洪波，楊龍祥，朱琦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進展與應用[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2011，31（1）：1-9.

[5]邴志剛， 盧勝利， 劉景泰.面向精準灌溉的傳感器網(wǎng)絡的研究[J].儀器儀表學報，2006， 27（S1）：294-296.

[6]張雅瓊.基于無線傳感網(wǎng)的城市綠地智能灌溉系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（6）：72-73.

[7]項目，趙燕東.基于“物聯(lián)網(wǎng)”架構(gòu)的精準節(jié)水灌溉控制設備、技術(shù)改進與轉(zhuǎn)化[J].中國科技成果，2016，17（10）：24-25.

[8]侯存峰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)[D].重慶：西南大學，2012.endprint