基于物联网技术的灌溉控制系统在石漠化治理中的应用
摘 要：中国西南喀斯特山区石漠化坡耕地自然条件的特点是石多土少，土地贫瘠，降水不少但干旱严重，生态环境脆弱、生态恶化与农村贫困恶性循环，加强水利水保建设是实现区域经济社会可持续发展的关键。文中结合滇黔桂石漠化地区的实际情况，设计了基于物联网技术的灌溉控制系统。该系统由农田无线灌溉网络和远程数据中心两部分组成，结合土壤墒情监测和滴灌、微润灌等方式，有助于实现农业需水量和生态需水量、生活用水量之间的平衡。示范应用结果表明，使用该系统能够节水20%～50%，节电10%～30%，减少了大量人工作业。基于物联网技术的灌溉控制系统运行稳定、可靠，提高了石漠化治理中坡耕地和梯田农业灌溉的用水效率，具有较大推广价值。
关键词：物联网；石漠化治理；无线；节水灌溉
中图分类号：TP393；S274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-0-03
0 引 言
滇黔桂地区位于珠江上游石灰岩地区，是中国石灰岩地貌集中分布的区域，也是全国水土流失最为严重、治理难度最大、治理最为迫切的地区之一。水土流失导致石漠化面积不断扩大，为当地农业生产、群众生活、经济发展带来了极大危害，因此加强滇黔桂石漠化地区的水土流失综合防治，提高农业综合生产能力，防止土地石漠化加剧，抢救珍贵的土地资源，改善群众生产生活条件和生态环境已成为一项紧迫而重大的战略任务[1]。云南、贵州、广西石漠化总面积约为8.58万平方千米，石漠化面积大于300平方千米的石漠化严重县有169个。目前，云南和贵州有15%～20%的土地面临着潜在石漠化威胁，若不及时进行抢救性治理，则将丧失土壤资源，形成大片难以恢复、难以利用的裸岩。石漠化治理根据水文地貌结构，水土资源条件等综合因素，确定流域小型农田水利配套方式与布局，以洼地排涝解决内涝保护基本农田为核心，以解决水资源短缺为重点，通过配套供水管网，灌溉网络、田间道路等，引导发展节水灌溉型农业生产。
节水灌溉是石漠化治理的重要手段，也是现代农业发展的趋势，节水灌溉以最低限度的用水量获得最大的产量或收益，节水灌溉结合土壤环境监测，利用滴灌和水肥一体化等手段，可精细、准确地调整各项土壤参数和作物种植管理，使各项农业投入效益最大化，获取单位面积的最高产量和最大经济效益，同时保护石漠化地区或潜在石漠化地区的生态环境。传统的灌溉监控系统多采用人工实地操作或有线组网方式，存在较大局限性。人工实地操作控制灌溉工作量大，实地检测不仅耗费大量人力、物力，且结果受主观因素影响较大。有线组网存在布线复杂，移动困难等问题，在石漠化坡耕地和梯田使用困难尤为突出，安装和维护具有一定难度。
物联网（Internet of Things， IoT）技术为石漠化地区的节水灌溉提供了一个新的途径。基于物联网技术的灌溉控制系统在坡耕地和梯田^域部署带有传感器的无线传感器节点，通过无线通信方式形成一个自组织网络系统，感知、采集与作物生长密切相关的环境参数发送给远端服务器[2]。农民通过手机等设备访问Internet就能对农田环境信息进行远程实时监控，专家库根据采集信息做出决策，指导农民进行正确的农事活动。农民可科学、高效地完成灌溉、施肥等生产活动。该系统满足节水灌溉精准化、自动化等要求，为农作物的安全优质生产提供保障。
1 系统设计总体概述
本文设计的硬件设备包含网关、节点等部分，软件包括通讯服务器、监测与控制平台等。利用本文所设计的软硬件设备可实现完整的灌溉控制系统。在田间布置若干节点，其中部分节点接土壤监测传感器测量环境参数，部分节点接水泵或电磁阀控制灌溉，这些节点组成无线传感网，并与网关进行数据交互，用户可利用网关上的触摸屏查看环境参数并进行灌溉操作，网关的控制器具有逻辑编程功能，用户可设置自动灌溉策略，灌溉设备按照策略自动灌溉。网关、节点、传感器等组成无线监测网络，可在不接入Internet的情况下独立运行。同时，网关利用GPRS/3G/4G和Internet接口可与远程数据中心通讯，用户利用手机等终端设备访问远程数据中心，可实现远程查看农田环境信息、灌溉控制并设置自动灌溉策略、查看原定时间的农事活动指导意见、在线自动计算灌溉和施肥量、通过留言向农业专家咨询问题等。网络拓扑图如图1所示。
2 硬件设计
节点是物联网传感层的基本组成单元，承担着环境感知和信息传输的功能，利用各类传感器实现对环境状态信息的采集及灌溉控制[3]。节点以微处理器为核心，采集传感器数据并反馈给远程服务器。根据传感器的电气特性和系统所要完成的任务，并考虑系统的可靠性、维护性、便携性及能够在比较恶劣的环境中正常工作的要求。其硬件功能包括供电电路、控制电路、扩展电路、传感器信号转换电路、无线通信模块等。节点组成结构图如图2所示。
网关承担着逻辑控制、信息传输、人机交互等功能，硬件采用了模块化结构，以应对复杂多样的情况。例如某农田4G网络覆盖，可选4G通讯模块；某农田无4G网络覆盖，则选用GPRS通讯模块。网关的主要模块包括控制器模块、触摸屏模块、无线通信模块、GPRS/3G/4G模块、供电模块等。网关组成结构如图3所示。
3 软件设计
低功耗局域网强大的组网功能是保证无线传输距离的关键。整个网络是由协调器、路由器、终端节点构成的簇树拓扑结构网络[4]。当与控制器相连的具有组网功能的协调器节点被激活时，首先应进行主动信道扫描，选择最佳信道。信道选择成功后，协调器改为被动信道扫描方式，接收子节点入网申请[5]。若子节点找到网络并获取网络信息，就会向父节点协调器发送入网申请，协调器通过对请求信息的判断，决定是否响应子节点。节点地址通过外壳上的拨码开关设定。
网关兼具逻辑控制、人机交互等功能。网关的控制器预置了基于时间控制和基于传感器反馈信号闭环控制两种自动灌溉控制方式，用户可根据自身情况通过设置参数实现自动灌溉。网关控制器开放了逻辑组态功能，用户可利用一种与数字逻辑电路类似的语言编写程序开发更多功能。网关的触摸屏人机交互界面包括查看当前网络状态、查看系统拓扑图与设备分布位置图、查看传感器参数、灌溉设备控制、灌溉策略设定、实时曲线和历史趋势、报表等功能。 远程数据中心采用Java、ASP.NET和数据库技术构建监控平台，实现了与网关触摸屏一致的基础功能和高级功能。其高级功能包括Web发布、园区管理、高低预警值及预警信息设置、接收预警的手机号码设置、分析报表、农事活动指导、在线自动计算灌溉和施肥量、花期预测、留言板、资料下载等。平台还集成了自动气象站数据、中央气象台天气预报、无线太阳能视频监控图像等。软件功能框图如图4所示。用户可利用手机访问平台网址，随时随地通过Web界面查看田间环境参数、气象信息、视频监控和控制灌溉电磁阀等设备，并根据农业专家给出的农事活动指导意见进行生产。
4 应用示范情况
贵州省普定县石漠化治理试点项目围绕小型水利水保工程进行。该项目新建了1座提水泵站，1座50 m3取水前池，1座200 m3高位水池，灌溉管网15 529 m，灌溉面积约1 153亩，灌溉形式以滴灌和微润灌为主，灌溉片区以坡改梯土地为主。
灌溉控制系统由灌溉控制器（网关）、监测与控制节点、路由节点、执行机构（电磁阀）和土壤温湿度、电导率传感器等组成。系统主要通过无线网关对电磁阀和传感器进行数据采集和控制，实现对农田的实时监控及灌溉控制。根据园区灌溉形式的规划将灌溉土地分为南北两个区安装灌溉控制系统，共使用网关2个，节点32个。田间设备使用太阳能供电，使用直流脉冲电磁阀，可通过中控室远程自动控制，管理者也可通过手机等智能终端远程自动控制和在农田就地手动控制。土壤湿度传感器能够把土壤的体积含水量参数转换为标准信号，并由控制节点传递给灌溉控制器（网关）和主服务器。用户可通过查看手机Web页面或网关上的传感器数据指导灌溉作业，也可以设定灌溉策略实现自动灌溉。灌溉策略包括定时定点灌溉和根据土壤湿度传感器反馈信号闭环控制两种，用户可根据自己的情况自由选择使用。应用结果表明，用户通过使用该系统，利用手机可实时掌握土壤墒情并反控现场灌溉电磁阀，准确把握灌溉的时机和用水量，避免了水、电资源的浪费，有利于水土保持，确保作物有最好的生长环境。据用户统计，2016年下半年灌溉节水约50%，泵房用电节省约20%，既有利于水土保持又可有效降低农户的生产成本。Web界面、网关和节点如图5所示。
5 结 语
本研究提出了一种低功耗、低成本、覆盖面积广、户外续航能力强、无线传输稳定可靠的用于灌溉的控制系统，构建了系统的体系结构，设计并实现了网关和节点的硬件电路与软件系统，集成传感器、嵌入式、网络通信等技术。小型水利水保设施及配套工程建设是石漠化治理的重要措施，节水灌溉是重要手段。定量监测结果显示，农田水利配套工程实施后，流域内石漠化土地比重减少、等级强度降低，水土流失得到有效控制。本研究成果可应用于小型水利水保设施，具有很强的环境适应性，可实现灌溉相关设备的开环与闭环控制，达到节水节电目的。示范应用结果表明该系统实时性好，数据传输稳定可靠，用户使用方便，节能效果明显，具有广阔的应用前景与产业价值。将物联网技术应用在石漠化治理方面是物联网技术应用的一个方向，它将提高农业灌溉的用水效率，有利于提升石漠化治理效果，具有较大推广价值。
参考文献
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