基于LoRa 的智能灌溉监控系统在灌区中的应用

宋晓丹，周义仁

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030024）

我国是一个农业灌溉大国，但水资源短缺，水资源供需矛盾日益突出。大中型灌区自动化程度较低，使得研究灌区节水灌溉智能监控系统、提高水资源利用率成为智慧农业的研究热点［1-2］。现阶段智能节水灌溉的方式有两种：一种是安装土壤水分传感器、空气湿度传感器和光照传感器等采集节点，通过灌溉决策模型来决定灌水时间，计算灌水量，实现精确灌溉；第二种是建立周期性的灌溉方案，进行定时灌溉［3-4］。本研究首先通过作物组成及作物种植比例来确定灌溉制度及总灌溉用水量；其次根据各村各户灌溉面积分配水权及其定额用水量，在输水骨干工程和田间灌溉工程的基础上对水价进行分级制定，即灌区管理机构负责输水骨干工程的用水管理工作，农民用水协会负责田间灌溉工程的用水管理工作，由此确立研究区灌区的农业供水分级水价；最后配合安装流量传感器和LoRa采集节点等精确计量用水量和水费，实现用水总量控制，提高水资源的利用效率。

随着物联网时代的到来，人与物的连接已经成为可能［5］。物联网的无线传输方式有很多种，现阶段常用的有 Wi-Fi、Zigbee、GPRS和433MHz等传输协议。Wi-Fi传输速率最快，但是受距离限制；Zigbee适用于短距离、低复杂度区域；GPRS为目前灌区中使用较多的无线传输方式，但是其在测点较多时造价较高；433MHz适用于远距离、低速率传输，其传输协议采用透明的方式，网络的安全性较差［6］。针对远距离和低功耗无法兼顾的问题，本设计采用LoRa无线传输的方式。LoRa适用于监测点位较多、信号覆盖不足、广泛布局且环境恶劣的区域，并且其在测点较多时价格相对较低。

基于LoRa的节水灌溉智能监控系统，可以解决灌区低功耗和远距离传输两者不可兼顾的问题，有效提高灌区水资源管理的科学化、现代化水平；对灌区水价进行改革，实行阶梯水价，对建设节水型社会、缓解水资源供需矛盾、促进水资源有效利用、实现水资源优化配置具有重要意义。

1 系统总体设计

节水灌溉智能监控系统的主要功能有信息监测、指令控制、数据传输、软件系统平台决策4个方面。

通过在监测点安装精准计量设备及电动阀门远程控制系统，对田间出水口信息、电动阀门信息和管道流量等信息进行监测。

将监测点采集的信息通过数字化的方式上传至灌区信息中心，接收上级指令，信息中心通过将数字化信息转化为物理控制指令来控制目标。

智能计量设备通过LoRa采集节点将用户用水记录数据传至LoRa基站网关，网关通过Mesh路由器直接上报灌区信息中心管理平台。

灌区信息中心管理平台收集管理决策所需要的所有数据，通过软件分析处理，产生决策结果，提高配水调度的准确性和可靠性，实现水资源高效利用。

1．1 系统结构

系统结构见图1。

图1 系统结构示意

该系统采用网状拓扑结构，通过无线Mesh协议组网形成多冗余链路的自组网络系统，可以灵活组网支持桥接，路由多种结构，一个节点既可以传送信息，也可以接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息［7］。LoRa采集节点把流量计数据和电动阀状态通过无线射频信号发送到基站进行处理，是系统的采集终端。节点还具有本地存储功能，可以把采集到的数据保存到内置的Flash存储器里，一旦出现网络故障，可以从本地读取历史数据，保证了数据的完整性。LoRa基站是协议的转换器，负责把节点发来的无线射频信号转换为IP网络信号，发送到灌区信息中心的LoRa服务器进行处理，管理员可通过灌区平台远程控制中心查看实时数据控制目标。

1．2 系统工作原理

系统工作原理如图2所示，即用户刷卡时，智能取水控制器读取用户卡数据，并判断用户卡数据的合法性和用户卡中的剩余金额；若满足开阀条件，智能取水控制器控制阀门启动，并自动读取流量传感器的数据，记录用户用水量起始值；随着用户的用水，智能控制器自动记录用户的卡中余额和用水量数据，并从卡中扣减用户用水相应金额；当用户再次刷用户卡或卡中金额扣减为零时，智能控制器自动控制阀门停止，禁止用户取水。智能控制器自动存储该用户该次开阀时间、停阀时间、使用水量以及金额。其中流量计的数据由LoRa传感器采集节点通过无线射频发送到LoRa网关，网关把LoRa射频通过Mesh路由器转换为IP网络数据发给平台。供电系统由充电控制器、蓄电池和太阳能板三部分组成，系统运行时充电控制器通过太阳能板检测运行环境是否为白天。白天时太阳能板可通过充电控制器为蓄电池充电，并为系统供电；黑夜时蓄电池通过充电控制器为系统供电。

图2 系统工作原理示意

2 硬件设计

2．1 前端采集子系统

采集节点结构如图3所示。采集节点采用的主控芯片STM32F103是32位超低功耗ARM Cortex-M0+微处理器，支持 434、470、780、868、920 MHz工作频率。LoRa射频模块SX1276是一款高集成度、低功耗和超高灵敏度的无线射频模块，具有传输距离远、穿透能力和防干扰能力强等特点，可节省中继器成本，满足灌区流量数据实时传输的需求。

图3 采集节点结构示意

前端采集子系统由流量计、手自一体阀、智能取水控制器和LoRa传感器节点组成。

（1）流量计选择。流量计可以自动测量管道内的平均流速，并转换成流量，自动计算累计水量，可同时显示瞬时流量及累计水量、流速、时间等数据，并且具有自动诊断故障以及查询反馈功能。本次设计选择超声波流量计，管段式超声波流量计由主机和管段传感器组成，以“速度差法”原理测量充满密封圆管内液体的流量。它具有结构简单、无压损、始动流量低、精确度高、重复性好、反应灵敏等优点。

（2）控制阀门选择。阀门选择手自一体阀，在通电时可通过刷卡开启，再次刷卡关闭；断电时通过手动开启和关闭。

（3）智能取水控制器。其主要作用是完成灌溉用水量计量；支持IC卡或微功率无线遥控器识别灌溉用户身份，实现用水量的预付费管理，在用户金额为零时强制关闭阀门，达到以电控水的目的；当用户用水量超过其定额用水量并在超定额50%以下时，此部分水量的水价按基本水价的1．15倍计算，当超定额50%以上时，超出50%部分的水价按基本水价的1．3倍计算，由此可以实现用水量超定额累进加价。

（4）LoRa传感器节点。LoRa传感器节点主要负责把流量计数据和阀门开关数据通过无线射频信号发送到网关进行处理，是基于LoRaWAN协议的超低功耗、远距离、大规模、低成本、小体积无线传感器节点。

2．2 无线网络传输子系统

汇聚节点负责把采集节点发来的无线射频信号转换为IP网络信号，并发送到LoRa服务器进行处理，是流量采集终端与服务器的桥梁。汇聚节点结构如图4所示，内置嵌入式Linux系统、ARM9双核处理器，支持1个10 M／100 M以太网接口 RJ45、1个Wi-Fi模块、POE 9-36 V供电，并且支持 IP协议、以太网、802．11a／g／n／ac、Wi-Fi、Mesh。

图4 汇聚节点结构示意

无线网络传输子系统包括Mesh路由器和LoRa网关。

（1）Mesh路由器。户外无线网状网（Mesh）三层路由骨干网络，支持Wi-Fi接入、点到点、点到多点、多点到多点的无线连接，最大支持16跳路由，最多支持 8 个射频，支持频率 900 M、2．4 G、3 G、5 G、24 G，支持 802．11a／g／n／ac及私有协议，支持 4×4 或 8×8 MIMO，智能集成天线，自适应无线路由、RF管理、流量管理、负载均衡，最大带宽2 Gbps、最远距离100 km+。

（2）LoRa网关。LoRa基站网关是采集终端与服务器的桥梁，内置LoRaWAN协议，最大支持5 000个节点的网路接入，无线传输距离可达5～10 km，采用470MhzISM免授权频段通信。LoRa网关是基于Semtech SX1301开发的LoRaWAN网关，性能稳定。

（3）核心路由器三层交换机。核心路由器负责互联网接入和无线Mesh设备的管理，网络流量控制在网络的前端使用全千兆架构安全网关作为连接信息中心安全接入设备，通过hotspot认证，可以对接入网络设备进行安全认证，防止未授权用户登录网络。支持防火墙、热点、动态路由、MPLS和VPN。

2．3 安装示意图

系统安装如图5所示。

图5 系统安装示意

灌区环境恶劣，设备安装一般都在野外，无人看管。该系统采用管段式超声波流量计，为满足超声波流量计的安装条件，前方至少有10倍管径的直管段，后方有5倍管径的直管段，采用两个安全井，并采用球墨铁带座井盖，防止被盗。本设计采用太阳能供电，弥补了野外供电不便的缺陷。

3 灌溉方案设计

3．1 用水定额管理

（1）作物组成及作物种植比例。以山西省某灌区为试验区，总灌溉面积947 hm2，作物种植比例分别为小麦60%、果树40%、玉米（复播）45%。

（2）灌溉制度见表1。由表1计算可知，综合灌溉定额为 3 210 m3／hm2。项目建成后，中型灌区灌溉水利用系数取0．85，则毛灌溉定额为 3 776．47 m3／hm2。

3．2 水权分配方案

该灌区总灌溉面积为947 hm2，按照毛灌溉定额计算，灌区设计需水量为357．50万m3。

（1）灌区水权总量。该灌区水权总量为357．50万m3（保证率75%）。

（2）用水户水权总量。该灌区涉及6个行政村，包含A村、B村、C村、D村、E村和F村，其水权总量分别为 55．89 万、79．56 万、94．66 万、79．05 万、15．86万、32．48 万 m3。

（3）各行政村水源分配情况见表2。

表1 灌溉制度

表2 各行政村水源分配情况

3．3 水价的设定

3．3．1 计算模型

农业供水价格E的计算模型为

式中：E1为供水成本；E2为管理费用。

3．3．2 输水骨干工程计算参数确定

成本水价的计算依据是《水利工程供水价格核算规范》，包括输水骨干工程不同供水对象的共用资产和共同费用［8］，可以采用供水保证率法进行分摊。该灌区只涉及农业供水，无需考虑供水分摊。

以2016年为决算年，对于输水骨干工程，该灌区成本水价计算参数确定如下：工程总投资为2 660．39万元，固定资产形成率为93．60%，供水工程输水骨干工程固定投资为 1 303．90万元，田间灌溉投资为1 035．76万元。 年供水总成本为 108．83万元，农业年供水量为321．75万m3，计算得到农业供水成本水价为 0．34 元／m3。

3．3．3 田间灌溉工程计算参数确定

对于田间灌溉工程，计算参数确定如下：田间工程水利用系数为0．97，农业实际供水量为312．10万m3，田间工程农业供水总成本为196．41万元，计算得到田间工程农业供水成本水价为0．63元／m3。

3．3．4 可持续发展水价

本研究按照促进水资源可持续利用的要求，遵循根据水资源价值构成制定水价的原则，建立科学的水价体系［9］。在该灌区采取分级供水的条件下，存在输水骨干工程和田间灌溉工程两级成本水价，即存在两级可持续发展水价，输水骨干工程农业可持续发展水价为0．34元／m3，田间灌溉工程农业可持续发展水价为 0．63 元／m3。

3．3．5 最低可执行水价

可执行水价主要针对农业供水水价，不包括工业供水水价，是在可持续发展水价的基础上，不考虑折旧费，从而得出符合农民需求的可推行农业供水价格。计算得到输水骨干工程可执行水价为0．22元／m3，田间灌溉工程可执行水价为0．35元／m3。

3．3．6 终端水价制定

根据《山西省人民政府办公厅关于推进农业水价综合改革的实施意见》中逐步推行分档水价的规定，对农业用水实行定额管理，逐步实行超定额累进加价制度，促进农业节水。农业用水在定额范围内可执行农业水价为终端水价；超出定额50%及以下的水量部分，在基本水价的基础上加15%征收；超定额50%以上的水量部分，在基本水价的基础上加30%征收［10］。该灌区分档水价见表3。

表3 灌区分档水价 元／m3

3．3．7 奖励机制与惩罚机制

（1）奖励机制。主要通过对节水工程和节水用户进行奖补，对节水率达到30%的用水户，实施水费补贴和节水奖励。

（2）惩罚机制。对于超定额水量部分，农业用水实行阶梯水价和累进加价收费制度，即超过定额水量分50%以下、50%以上两级阶梯，超定额部分水价分别为相应水价的 1．15 倍、1．3 倍。

4 软件设计

软件平台有 B／S系统和 C／S系统两部分。B／S系统平台的主要功能是查询用水信息和编辑设备的基础信息，实现数据接收、查询、审核、上报功能，为水资源总量控制、限额管理、超额收费和农业水价综合改革提供基础数据；C／S系统平台的主要功能是录入用户基础信息，为用户开卡和充值。监控系统的总体结构见图6，综合管理平台功能见图7。

图6 监控系统的总体结构

图7 综合管理平台功能

（1）数据采集。包括灌区监测站点的阀门运行状态、出水口流量信息等。

（2）远程控制。通过数据远传模块和控制系统可远程控制电动阀门开关。

（3）用户开卡、充值。可对用水户进行开卡、充值，用户持已充值IC卡到田间出水口处进行刷卡取水。

（4）报警。当灌溉系统出现故障时，如出水口流量异常、阀门异常等，进行提示并报警。

（5）数据处理。系统可对相关数据进行查询、存储、统计和上报，并打印报表，包括电动阀门开启次数和时间、通过电动阀门的流量、系统故障次数和系统使用率等。

5 实施与应用

参照灌溉经验和节水灌溉技术规范，最末一级计量设施控制灌溉面积应满足在一个灌水延续时间内完成全部控制灌溉面积的灌溉过程，一个监测点可控制灌溉面积为10～13 hm2。该灌区总灌溉面积为947 hm2，因此本次试验共布设82个监测点，实现灌区精准计量到户，同时满足在一个灌溉周期内完成1次灌溉。系统运行时，各测点将采集到的数据通过LoRa网络传回监控中心，监控中心具有相关数据信息的存储、查询、统计等功能。

试验结果表明，该系统具有远距离传输、抗干扰能力强和高灵敏度等特点，结合农业水价改革，可达到节水灌溉与灌区实时监控的目的，提高了灌区工作效率和管理水平，并且使灌区自动化程度提高。

6 结 语

该系统将LoRa无线通信技术与水价改革相结合，实现了节水灌溉，提高了灌水效率。考虑到灌区环境复杂，信号覆盖不足，通过LoRa无线网络的传输方式实现了数据的实时采集传输，相对于GPRS来说，LoRa价格更低，而且解决了灌区节水灌溉智能监控系统远距离、低功耗两者兼顾的问题。监控中心对相关数据信息进行存储、查询、统计等，收集管理决策所需要的所有数据，通过各类软件分析处理，产生决策结果。该系统在山西省某灌区测试运行情况良好，能够实现数据的实时采集传输、用户开卡充值及用户灌溉用水记录的查询等功能，达到了灌区农业水价改革、实时监控和节水灌溉的目的。