物联网技术在现代农田灌溉中的应用

摘  要：我国水资源短缺，农田灌溉用水效率总体不高，物联网技术的发展，为改善以上问题提供了新的契机。水资源监控管理系统是物联网技术在现代农田灌溉中的典型应用，该系统的应用可以使对灌溉水有效利用系数的测算更为精确，还可以使农田灌溉方式变得有序安全、便于管理，可以达到提高农业灌溉用水效率，改善我国水资源短缺现状的目的。

关键词：水资源;物联网技术;农田灌溉;GPRS

中图分类号：TN925.93;S275      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0168-03

Application of Internet of Things Technology in Modern Farmland Irrigation

HAO Pingping

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China）

Abstract：China is short of water resources and the overall efficiency of farmland irrigation water is not high. The development of internet of things technology provides a new opportunity to improve the above problems. Water resources monitoring and management system is a typical application of internet of things technology in modern farmland irrigation. The application of the system can make the calculation of effective utilization coefficient of irrigation water more accurate，and can also make farmland irrigation methods orderly and safe，and easy to manage. It can improve the efficiency of agricultural irrigation water and improve the current situation of water shortage in China.

Keywords：water resources;internet of things;farmland irrigation;GPRS

0  引  言

针对水资源短缺的现状，目前采取了多种措施进行改善，其中物联网技术在现代农田灌溉中的应用，为提高农田灌溉用水效率，实现节水灌溉起到了很好的助力作用。比如节水灌溉自动化系统，利用物联网技术对农田灌溉过程进行监控，做到适时适量地供给满足作物生长需要的水分，从而实现了节水灌溉及灌溉自动化。有的灌溉系统采用高精度土壤温湿度传感器，依据土壤湿度和作物生长状况行灌溉，不但能有效解决农业灌溉用水使用率低的问题，还能为农作物提供良好的生长环境，充分发挥现有节水设备的作用，优化水资源的调度，使农田灌溉更加及时和有效。

物联网工程作为我校的新增本科专业，在设立之初，便秉承了“以需求为导向”“以能力为导向”的教学培养目标，在课程建设过程中，教师们积极探索物联网技术在各行业的实际应用。笔者在研究物联网技术在现代农田灌溉的应用过程中，研究该技术在水资源管理中应用的各类系统后，设计并开发了集成度更高的水资源监控管理系统。该系统的设计与开发，为高职与本科学生的培养提供实践教学案例，提升教师的实践教学能力和水平，为培养双师双能型教师奠定一定的基础。

1  物联网技术

物联网，顾名思义，强调的是“物”的互联，这里的“物”可以是具体的各类电器，如电视、音响、空调、灯具、窗帘、冰箱、水泵等;也可以是各类的资源的数据量，如温度、用电量、燃气用量、压力、液位、料位等。前者的“物联”侧重于控制，终端多为指令控制模块，后者的“物联”侧重于数据的采集，终端多为各类型的传感器。物联网技术在实际的行业应用中，很多情况是将以上两者结合起来，通过传感器获得“物”的状态，决策者根据状态数据发布指令，通过控制模块改变“物”的状态。本文提出的水资源监控管理系统便是将数据采集和指令控制功能结合起来，实现对水资源的监管。

2  水资源监控管理系统

以北方常见的灌溉井应用为例，水资源监控管理系统的常见模式是由远端服务器、水资源控制器、GPRS无线通信网络、无线射频识别系统（RFID）、IC卡、智能水泵、远传水表以及多种水质传感器组成，水资源监控管理系统如图1所示。

2.1  系统的功能说明

本系统中水資源控制器采用了高度集成化技术，以电能表为基础，将无线射频读写模块、无线通信模块、接口模块集成在一起，安装于灌溉井一侧。按照物联网的三层体系结构划分，在水资源监控管理系统中，远传水表、水质传感器、智能水泵和水资源控制器都处于感知层，水资源控制器根据设置可以定时或根据远端服务器指令来获取远传水表、水质传感器和智能水泵的数据，并进行处理、存储和传输。无线通信网络为物联网的网络层，系统采用GPRS无线通信网络进行数据传输，具有高带宽、低延迟的优点。远端服务器处于物联网的应用层，通过安装平台软件可以实现对多眼灌溉井感知层数据的分析、统计和管理功能，并可以根据实际需要发布指令调整水泵的运行状态，另外还可以对取水用户进行远程管理。

水资源监控管理系统的应用也是为了方便用户的取水功能，每个用户可以办理一张充值的非接触式IC卡，利用无线射频识别技术（RFID），通过在水资源控制器集成的无线射频读写模块，根据水资源控制器的预设信息购电取水，或者查询、充值。

2.2  系统的主要组成

2.2.1  水资源控制器

水资源控制器是本系统的硬件核心部分，可以配接（智能）远传水表、超声波流量计、水质传感器、水位计、智能水泵等设备。其接口模块部分具有模拟量接口（AI）（0～5 V电压信号或4～20 mA电流信号）、开关量输入接口（DI）、继电器输出接口（DO）、RS-485型通信接口（COM）等。水资源控制器的一般功能为：（1）显示功能：采用液晶屏显示剩余水量、累积水量、瞬时流量、水位数据（水深）、水质参数、当前时钟等数据。（2）采集功能：既可以通过模拟接口采集传感器模拟量数据，也可以采集串口仪表中的数据。（3）数据处理及存储功能：可将采集到的模拟量数据进行数字化处理，并存储监测实时数据，掉电不丢失。（4）管理控制功能：可以实现远程IC卡充值、远程/自动控制智能水泵启停和定时启动、设置表底值和远程数据清零、数据定时上报、故障主动上报等功能。（5）数据传输功能：采用GPRS无线通信网络，将感知层数据传输给远端服务器，并执行远端服务器的发布命令。

水资源控制器的工作原理如图2所示。

水资源控制器通过COM接口连接流量计和远传水表，通过AI接口连接水质传感器和水位计，通过DI接口获取智能水泵的狀态，通过读取IC卡获取用户信息，并将这些数据处理后通过无线通信模块传送至远端服务器，根据服务器反馈的指令或者水资源控制器预设的触发指令来判定允许取水还是禁止取水。水资源控制器的供电电源为DC 12 V。

2.2.2  计量控制仪表

水资源控制器可以连接多种计量仪表，常用的有远传水表、流量计、水质传感器、工业相机、智能水泵等设备。

远传水表是在普通机械水表的基础之上增加了远传模块，该模块可以采集普通机械水表的模拟信号，并将模拟信号进行数字化处理，然后将数据存储，并通过通信线路将数据上传给水资源控制器。

水质传感器可以根据实际需要将pH值、电导率、溶解氧、浊度、温度等参数传递给水资源控制器，再由水资源控制器经过数字化处理后将数据通过GPRS无线通信网络传送到远端服务器。

智能水泵可以将水泵的运行状态传送到水资源控制器，水资源控制器通过预设的满足条件指令或者远端服务器的指令，通过继电器输出接口（DO）来管理和控制智能水泵的运行情况。

2.2.3  IC卡

IC卡可以分为管理卡和用户卡，管理卡由水利管理部门持有，用于参数的设置，如水价电价设置、清零、电表水表参数设置等。

用户卡是取水用户在发卡中心通过充值购买的方式获得，一户一卡，可以在水资源控制器上查询到IC卡的充值金额、剩余数量等信息，并通过水资源控制器进行取水，并能实现“一井多卡”和“一卡多井”。现在已有通过蓝牙发卡器连接手机进行发卡的发卡方式，方便快捷。

2.2.4  远端服务器

远端服务器安装有系统平台软件，负责接收水资源控制器传输的监测数据，并对数据进行图表、曲线等可视化处理，方便主管部门根据数据信息进行实时调度、决策处理。平台软件一般具备如下功能：（1）地图功能：可以通过矢量地图标准测控的点位位置和经纬度。（2）数据功能：显示测控点的流量、水质、水位等监测值，并可以设置报警值;查询历史数据，将数据生成报表、曲线、柱状分析图。（3）管理功能：测控点管理、用户管理、IC卡预收费管理、远程控制取水管理等。

2.3  系统的优点

2.3.1  灌溉水有效利用系数测算更为精确

灌溉水有效利用系数是指在某次或某一时间段内被农作物利用的净灌溉水量与水源渠首处总灌溉引水量的比值，它与灌区自然条件、工程状况、用水管理水平、灌水技术等因素有关。我国水利部指出农田灌溉水有效利用系数是我国水资源管理“三条红线”控制目标的一项主要指标，做好农田灌溉水有效利用系数测算分析工作，是落实严格水源管理制度、实施国家节水行动、推进水资源消耗总量和强度双控行动、全面建设节水型社会的重要内容，由此可见灌溉水有效利用系数测算的重要性。

灌溉水有效利用系数测算涉及的一个重要参数就是引水量，此前大多通过各类型的流量计以人工的方式记录引水量，很容易出现人工误差，这样测算出来的灌溉水有效利用系数肯定也会存在一定的误差。而引入物联网技术后，同一个区域使用相同的流量计，通过GPRS无线通信网络直接将数据传输到局端交换机，这样就做到了基础数据的可靠性、及时性和连续性，使得灌溉水有效利用系数测算更为精确。

2.3.2  取水和管理更加有序、科学

过去传统的农田灌溉取水方式采用人工送电、人工计费，存在着安全隐患和取水无序的问题，再加上水源井比较分散，依靠人工管理比较困难，还容易造成水资源的浪费。采用水资源监控管理系统后这种状况得到了极大的改善，给水利主管部门的管理带来了极大的便利。水利主管部门可以通过数据分析，全面了解区域水资源的水质情况和供需情况，实现水资源的合理开发利用和科学调度，准确核定水资源的实时消耗，避免出现水资源的浪费。

3  结  论

水资源监控管理系统依托物联网技术助力现代农田灌溉，实现了对水资源的水质监测、用量监测、用户管理和远程控制，切实起到了对水资源的监控管理作用，有效地保证了计划用水、节约用水目标的实现，对改善我国水资源短缺现状、提高农业灌溉用水效率具有一定的促进作用，可以得到良好的社会效益和经济效益。

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作者简介：郝萍萍（1977—），女，山东德州人，汉族，就职于物联网工程教研室，主任（专业负责人），副教授，硕士研究生，研究方向：计算机网络技术、物联网应用技术、创新创业教育。