基于LoRa 的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)在灌區(qū)中的應(yīng)用

宋曉丹，周義仁

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

我國是一個農(nóng)業(yè)灌溉大國，但水資源短缺，水資源供需矛盾日益突出。大中型灌區(qū)自動化程度較低，使得研究灌區(qū)節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)、提高水資源利用率成為智慧農(nóng)業(yè)的研究熱點［1-2］?，F(xiàn)階段智能節(jié)水灌溉的方式有兩種：一種是安裝土壤水分傳感器、空氣濕度傳感器和光照傳感器等采集節(jié)點，通過灌溉決策模型來決定灌水時間，計算灌水量，實現(xiàn)精確灌溉；第二種是建立周期性的灌溉方案，進行定時灌溉［3-4］。本研究首先通過作物組成及作物種植比例來確定灌溉制度及總灌溉用水量；其次根據(jù)各村各戶灌溉面積分配水權(quán)及其定額用水量，在輸水骨干工程和田間灌溉工程的基礎(chǔ)上對水價進行分級制定，即灌區(qū)管理機構(gòu)負責(zé)輸水骨干工程的用水管理工作，農(nóng)民用水協(xié)會負責(zé)田間灌溉工程的用水管理工作，由此確立研究區(qū)灌區(qū)的農(nóng)業(yè)供水分級水價；最后配合安裝流量傳感器和LoRa采集節(jié)點等精確計量用水量和水費，實現(xiàn)用水總量控制，提高水資源的利用效率。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，人與物的連接已經(jīng)成為可能［5］。物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸方式有很多種，現(xiàn)階段常用的有 Wi-Fi、Zigbee、GPRS和433MHz等傳輸協(xié)議。Wi-Fi傳輸速率最快，但是受距離限制；Zigbee適用于短距離、低復(fù)雜度區(qū)域；GPRS為目前灌區(qū)中使用較多的無線傳輸方式，但是其在測點較多時造價較高；433MHz適用于遠距離、低速率傳輸，其傳輸協(xié)議采用透明的方式，網(wǎng)絡(luò)的安全性較差［6］。針對遠距離和低功耗無法兼顧的問題，本設(shè)計采用LoRa無線傳輸?shù)姆绞健oRa適用于監(jiān)測點位較多、信號覆蓋不足、廣泛布局且環(huán)境惡劣的區(qū)域，并且其在測點較多時價格相對較低。

基于LoRa的節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以解決灌區(qū)低功耗和遠距離傳輸兩者不可兼顧的問題，有效提高灌區(qū)水資源管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化水平；對灌區(qū)水價進行改革，實行階梯水價，對建設(shè)節(jié)水型社會、緩解水資源供需矛盾、促進水資源有效利用、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有信息監(jiān)測、指令控制、數(shù)據(jù)傳輸、軟件系統(tǒng)平臺決策4個方面。

通過在監(jiān)測點安裝精準計量設(shè)備及電動閥門遠程控制系統(tǒng)，對田間出水口信息、電動閥門信息和管道流量等信息進行監(jiān)測。

將監(jiān)測點采集的信息通過數(shù)字化的方式上傳至灌區(qū)信息中心，接收上級指令，信息中心通過將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為物理控制指令來控制目標(biāo)。

智能計量設(shè)備通過LoRa采集節(jié)點將用戶用水記錄數(shù)據(jù)傳至LoRa基站網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過Mesh路由器直接上報灌區(qū)信息中心管理平臺。

灌區(qū)信息中心管理平臺收集管理決策所需要的所有數(shù)據(jù)，通過軟件分析處理，產(chǎn)生決策結(jié)果，提高配水調(diào)度的準確性和可靠性，實現(xiàn)水資源高效利用。

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

該系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，通過無線Mesh協(xié)議組網(wǎng)形成多冗余鏈路的自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以靈活組網(wǎng)支持橋接，路由多種結(jié)構(gòu)，一個節(jié)點既可以傳送信息，也可以接收信息，還能充當(dāng)路由器對其附近節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息［7］。LoRa采集節(jié)點把流量計數(shù)據(jù)和電動閥狀態(tài)通過無線射頻信號發(fā)送到基站進行處理，是系統(tǒng)的采集終端。節(jié)點還具有本地存儲功能，可以把采集到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)置的Flash存儲器里，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，可以從本地讀取歷史數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。LoRa基站是協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，負責(zé)把節(jié)點發(fā)來的無線射頻信號轉(zhuǎn)換為IP網(wǎng)絡(luò)信號，發(fā)送到灌區(qū)信息中心的LoRa服務(wù)器進行處理，管理員可通過灌區(qū)平臺遠程控制中心查看實時數(shù)據(jù)控制目標(biāo)。

1．2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，即用戶刷卡時，智能取水控制器讀取用戶卡數(shù)據(jù)，并判斷用戶卡數(shù)據(jù)的合法性和用戶卡中的剩余金額；若滿足開閥條件，智能取水控制器控制閥門啟動，并自動讀取流量傳感器的數(shù)據(jù)，記錄用戶用水量起始值；隨著用戶的用水，智能控制器自動記錄用戶的卡中余額和用水量數(shù)據(jù)，并從卡中扣減用戶用水相應(yīng)金額；當(dāng)用戶再次刷用戶卡或卡中金額扣減為零時，智能控制器自動控制閥門停止，禁止用戶取水。智能控制器自動存儲該用戶該次開閥時間、停閥時間、使用水量以及金額。其中流量計的數(shù)據(jù)由LoRa傳感器采集節(jié)點通過無線射頻發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)把LoRa射頻通過Mesh路由器轉(zhuǎn)換為IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)給平臺。供電系統(tǒng)由充電控制器、蓄電池和太陽能板三部分組成，系統(tǒng)運行時充電控制器通過太陽能板檢測運行環(huán)境是否為白天。白天時太陽能板可通過充電控制器為蓄電池充電，并為系統(tǒng)供電；黑夜時蓄電池通過充電控制器為系統(tǒng)供電。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意

2 硬件設(shè)計

2．1 前端采集子系統(tǒng)

采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集節(jié)點采用的主控芯片STM32F103是32位超低功耗ARM Cortex-M0+微處理器，支持 434、470、780、868、920 MHz工作頻率。LoRa射頻模塊SX1276是一款高集成度、低功耗和超高靈敏度的無線射頻模塊，具有傳輸距離遠、穿透能力和防干擾能力強等特點，可節(jié)省中繼器成本，滿足灌區(qū)流量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖3 采集節(jié)點結(jié)構(gòu)示意

前端采集子系統(tǒng)由流量計、手自一體閥、智能取水控制器和LoRa傳感器節(jié)點組成。

（1）流量計選擇。流量計可以自動測量管道內(nèi)的平均流速，并轉(zhuǎn)換成流量，自動計算累計水量，可同時顯示瞬時流量及累計水量、流速、時間等數(shù)據(jù)，并且具有自動診斷故障以及查詢反饋功能。本次設(shè)計選擇超聲波流量計，管段式超聲波流量計由主機和管段傳感器組成，以“速度差法”原理測量充滿密封圓管內(nèi)液體的流量。它具有結(jié)構(gòu)簡單、無壓損、始動流量低、精確度高、重復(fù)性好、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點。

（2）控制閥門選擇。閥門選擇手自一體閥，在通電時可通過刷卡開啟，再次刷卡關(guān)閉；斷電時通過手動開啟和關(guān)閉。

（3）智能取水控制器。其主要作用是完成灌溉用水量計量；支持IC卡或微功率無線遙控器識別灌溉用戶身份，實現(xiàn)用水量的預(yù)付費管理，在用戶金額為零時強制關(guān)閉閥門，達到以電控水的目的；當(dāng)用戶用水量超過其定額用水量并在超定額50%以下時，此部分水量的水價按基本水價的1．15倍計算，當(dāng)超定額50%以上時，超出50%部分的水價按基本水價的1．3倍計算，由此可以實現(xiàn)用水量超定額累進加價。

（4）LoRa傳感器節(jié)點。LoRa傳感器節(jié)點主要負責(zé)把流量計數(shù)據(jù)和閥門開關(guān)數(shù)據(jù)通過無線射頻信號發(fā)送到網(wǎng)關(guān)進行處理，是基于LoRaWAN協(xié)議的超低功耗、遠距離、大規(guī)模、低成本、小體積無線傳感器節(jié)點。

2．2 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)

匯聚節(jié)點負責(zé)把采集節(jié)點發(fā)來的無線射頻信號轉(zhuǎn)換為IP網(wǎng)絡(luò)信號，并發(fā)送到LoRa服務(wù)器進行處理，是流量采集終端與服務(wù)器的橋梁。匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示，內(nèi)置嵌入式Linux系統(tǒng)、ARM9雙核處理器，支持1個10 M／100 M以太網(wǎng)接口 RJ45、1個Wi-Fi模塊、POE 9-36 V供電，并且支持 IP協(xié)議、以太網(wǎng)、802．11a／g／n／ac、Wi-Fi、Mesh。

圖4 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)示意

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)包括Mesh路由器和LoRa網(wǎng)關(guān)。

（1）Mesh路由器。戶外無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）三層路由骨干網(wǎng)絡(luò)，支持Wi-Fi接入、點到點、點到多點、多點到多點的無線連接，最大支持16跳路由，最多支持 8 個射頻，支持頻率 900 M、2．4 G、3 G、5 G、24 G，支持 802．11a／g／n／ac及私有協(xié)議，支持 4×4 或 8×8 MIMO，智能集成天線，自適應(yīng)無線路由、RF管理、流量管理、負載均衡，最大帶寬2 Gbps、最遠距離100 km+。

（2）LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa基站網(wǎng)關(guān)是采集終端與服務(wù)器的橋梁，內(nèi)置LoRaWAN協(xié)議，最大支持5 000個節(jié)點的網(wǎng)路接入，無線傳輸距離可達5～10 km，采用470MhzISM免授權(quán)頻段通信。LoRa網(wǎng)關(guān)是基于Semtech SX1301開發(fā)的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，性能穩(wěn)定。

（3）核心路由器三層交換機。核心路由器負責(zé)互聯(lián)網(wǎng)接入和無線Mesh設(shè)備的管理，網(wǎng)絡(luò)流量控制在網(wǎng)絡(luò)的前端使用全千兆架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)作為連接信息中心安全接入設(shè)備，通過hotspot認證，可以對接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行安全認證，防止未授權(quán)用戶登錄網(wǎng)絡(luò)。支持防火墻、熱點、動態(tài)路由、MPLS和VPN。

2．3 安裝示意圖

系統(tǒng)安裝如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)安裝示意

灌區(qū)環(huán)境惡劣，設(shè)備安裝一般都在野外，無人看管。該系統(tǒng)采用管段式超聲波流量計，為滿足超聲波流量計的安裝條件，前方至少有10倍管徑的直管段，后方有5倍管徑的直管段，采用兩個安全井，并采用球墨鐵帶座井蓋，防止被盜。本設(shè)計采用太陽能供電，彌補了野外供電不便的缺陷。

3 灌溉方案設(shè)計

3．1 用水定額管理

（1）作物組成及作物種植比例。以山西省某灌區(qū)為試驗區(qū)，總灌溉面積947 hm2，作物種植比例分別為小麥60%、果樹40%、玉米（復(fù)播）45%。

（2）灌溉制度見表1。由表1計算可知，綜合灌溉定額為 3 210 m3／hm2。項目建成后，中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)取0．85，則毛灌溉定額為 3 776．47 m3／hm2。

3．2 水權(quán)分配方案

該灌區(qū)總灌溉面積為947 hm2，按照毛灌溉定額計算，灌區(qū)設(shè)計需水量為357．50萬m3。

（1）灌區(qū)水權(quán)總量。該灌區(qū)水權(quán)總量為357．50萬m3（保證率75%）。

（2）用水戶水權(quán)總量。該灌區(qū)涉及6個行政村，包含A村、B村、C村、D村、E村和F村，其水權(quán)總量分別為 55．89 萬、79．56 萬、94．66 萬、79．05 萬、15．86萬、32．48 萬 m3。

（3）各行政村水源分配情況見表2。

表1 灌溉制度

表2 各行政村水源分配情況

3．3 水價的設(shè)定

3．3．1 計算模型

農(nóng)業(yè)供水價格E的計算模型為

式中：E1為供水成本；E2為管理費用。

3．3．2 輸水骨干工程計算參數(shù)確定

成本水價的計算依據(jù)是《水利工程供水價格核算規(guī)范》，包括輸水骨干工程不同供水對象的共用資產(chǎn)和共同費用［8］，可以采用供水保證率法進行分攤。該灌區(qū)只涉及農(nóng)業(yè)供水，無需考慮供水分攤。

以2016年為決算年，對于輸水骨干工程，該灌區(qū)成本水價計算參數(shù)確定如下：工程總投資為2 660．39萬元，固定資產(chǎn)形成率為93．60%，供水工程輸水骨干工程固定投資為 1 303．90萬元，田間灌溉投資為1 035．76萬元。 年供水總成本為 108．83萬元，農(nóng)業(yè)年供水量為321．75萬m3，計算得到農(nóng)業(yè)供水成本水價為 0．34 元／m3。

3．3．3 田間灌溉工程計算參數(shù)確定

對于田間灌溉工程，計算參數(shù)確定如下：田間工程水利用系數(shù)為0．97，農(nóng)業(yè)實際供水量為312．10萬m3，田間工程農(nóng)業(yè)供水總成本為196．41萬元，計算得到田間工程農(nóng)業(yè)供水成本水價為0．63元／m3。

3．3．4 可持續(xù)發(fā)展水價

本研究按照促進水資源可持續(xù)利用的要求，遵循根據(jù)水資源價值構(gòu)成制定水價的原則，建立科學(xué)的水價體系［9］。在該灌區(qū)采取分級供水的條件下，存在輸水骨干工程和田間灌溉工程兩級成本水價，即存在兩級可持續(xù)發(fā)展水價，輸水骨干工程農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水價為0．34元／m3，田間灌溉工程農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水價為 0．63 元／m3。

3．3．5 最低可執(zhí)行水價

可執(zhí)行水價主要針對農(nóng)業(yè)供水水價，不包括工業(yè)供水水價，是在可持續(xù)發(fā)展水價的基礎(chǔ)上，不考慮折舊費，從而得出符合農(nóng)民需求的可推行農(nóng)業(yè)供水價格。計算得到輸水骨干工程可執(zhí)行水價為0．22元／m3，田間灌溉工程可執(zhí)行水價為0．35元／m3。

3．3．6 終端水價制定

根據(jù)《山西省人民政府辦公廳關(guān)于推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革的實施意見》中逐步推行分檔水價的規(guī)定，對農(nóng)業(yè)用水實行定額管理，逐步實行超定額累進加價制度，促進農(nóng)業(yè)節(jié)水。農(nóng)業(yè)用水在定額范圍內(nèi)可執(zhí)行農(nóng)業(yè)水價為終端水價；超出定額50%及以下的水量部分，在基本水價的基礎(chǔ)上加15%征收；超定額50%以上的水量部分，在基本水價的基礎(chǔ)上加30%征收［10］。該灌區(qū)分檔水價見表3。

表3 灌區(qū)分檔水價 元／m3

3．3．7 獎勵機制與懲罰機制

（1）獎勵機制。主要通過對節(jié)水工程和節(jié)水用戶進行獎補，對節(jié)水率達到30%的用水戶，實施水費補貼和節(jié)水獎勵。

（2）懲罰機制。對于超定額水量部分，農(nóng)業(yè)用水實行階梯水價和累進加價收費制度，即超過定額水量分50%以下、50%以上兩級階梯，超定額部分水價分別為相應(yīng)水價的 1．15 倍、1．3 倍。

4 軟件設(shè)計

軟件平臺有 B／S系統(tǒng)和 C／S系統(tǒng)兩部分。B／S系統(tǒng)平臺的主要功能是查詢用水信息和編輯設(shè)備的基礎(chǔ)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、查詢、審核、上報功能，為水資源總量控制、限額管理、超額收費和農(nóng)業(yè)水價綜合改革提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；C／S系統(tǒng)平臺的主要功能是錄入用戶基礎(chǔ)信息，為用戶開卡和充值。監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖6，綜合管理平臺功能見圖7。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖7 綜合管理平臺功能

（1）數(shù)據(jù)采集。包括灌區(qū)監(jiān)測站點的閥門運行狀態(tài)、出水口流量信息等。

（2）遠程控制。通過數(shù)據(jù)遠傳模塊和控制系統(tǒng)可遠程控制電動閥門開關(guān)。

（3）用戶開卡、充值?？蓪τ盟畱暨M行開卡、充值，用戶持已充值IC卡到田間出水口處進行刷卡取水。

（4）報警。當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，如出水口流量異常、閥門異常等，進行提示并報警。

（5）數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)可對相關(guān)數(shù)據(jù)進行查詢、存儲、統(tǒng)計和上報，并打印報表，包括電動閥門開啟次數(shù)和時間、通過電動閥門的流量、系統(tǒng)故障次數(shù)和系統(tǒng)使用率等。

5 實施與應(yīng)用

參照灌溉經(jīng)驗和節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范，最末一級計量設(shè)施控制灌溉面積應(yīng)滿足在一個灌水延續(xù)時間內(nèi)完成全部控制灌溉面積的灌溉過程，一個監(jiān)測點可控制灌溉面積為10～13 hm2。該灌區(qū)總灌溉面積為947 hm2，因此本次試驗共布設(shè)82個監(jiān)測點，實現(xiàn)灌區(qū)精準計量到戶，同時滿足在一個灌溉周期內(nèi)完成1次灌溉。系統(tǒng)運行時，各測點將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心具有相關(guān)數(shù)據(jù)信息的存儲、查詢、統(tǒng)計等功能。

試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有遠距離傳輸、抗干擾能力強和高靈敏度等特點，結(jié)合農(nóng)業(yè)水價改革，可達到節(jié)水灌溉與灌區(qū)實時監(jiān)控的目的，提高了灌區(qū)工作效率和管理水平，并且使灌區(qū)自動化程度提高。

6 結(jié) 語

該系統(tǒng)將LoRa無線通信技術(shù)與水價改革相結(jié)合，實現(xiàn)了節(jié)水灌溉，提高了灌水效率?？紤]到灌區(qū)環(huán)境復(fù)雜，信號覆蓋不足，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集傳輸，相對于GPRS來說，LoRa價格更低，而且解決了灌區(qū)節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)遠距離、低功耗兩者兼顧的問題。監(jiān)控中心對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行存儲、查詢、統(tǒng)計等，收集管理決策所需要的所有數(shù)據(jù)，通過各類軟件分析處理，產(chǎn)生決策結(jié)果。該系統(tǒng)在山西省某灌區(qū)測試運行情況良好，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集傳輸、用戶開卡充值及用戶灌溉用水記錄的查詢等功能，達到了灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價改革、實時監(jiān)控和節(jié)水灌溉的目的。