基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究

1 引言
水是農(nóng)業(yè)的命脈,也是整個國民經(jīng)濟和人類生活的命脈。水資源狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區(qū)經(jīng)濟能否持續(xù)發(fā)展的重要指標。我國是一個水資源相對貧乏的國家,年均降水量為630mm,低于全球陸面和亞洲陸面的降水量;年平均淡水資源總量為2.8萬億m³,人均占有水量僅2300m³,只相當于世界人均水平的1/4,居世界第109位,是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一;耕地水資源占有量28500 m3/hm²,為世界平均數(shù)的4/5。

2 農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及節(jié)水灌溉發(fā)展趨勢
從全國對水資源量總的需求來看,在出現(xiàn)中等干旱的情況下,全國總需水量為5500億m³左右,缺水量為250億m³左右。若考慮供水中的地下水超采和超標準污水直灌等不合理供水因素,則全國實際缺水量在300～400億m³之間。農(nóng)業(yè)是我國的用水大戶,約占全國總用水量的73%,但有效性很差,水資源浪費十分嚴重,渠灌區(qū)水的有效利用率只有40%左右,井灌區(qū)也只有60%左右,每m³水生產(chǎn)糧食不足1kg。而一些發(fā)達國家水的有效利用率可達80%以上,每m³水生產(chǎn)糧食大體都在2kg以上,其中以色列已達2.32kg。由此說明,我國各種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術的綜合應用程度還十分低下,與發(fā)達國家相比還存在著很大的差距。
目前,比較有發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)水灌溉新技術是:一是與生物技術相結合的作物調控灌溉技術。是從作物生理角度出發(fā),在一定時期主動施加一定程度有益的虧水度,使作物經(jīng)歷有益的虧水鍛煉,改善品質,控制上部旺長,實現(xiàn)矮化密植,到達節(jié)水增產(chǎn)的目的。二是應用3S技術的精細灌溉技術。就是運用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS),遙感技術(RS)和計算機控制系統(tǒng),實時獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長實際需求的信息,通過信息處理與分析,按需給作物進行施水的技術,可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產(chǎn)業(yè)率。這是農(nóng)田灌溉學科發(fā)展的熱點和農(nóng)業(yè)新技術革命的重要內容。 三是智能化節(jié)水灌溉裝備技術。就是把生物學、自動控制、微電子、人工智能、信息科學等高新技術集成節(jié)水灌溉機械與設備,實時地檢測土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求來實施變量施水,達到最優(yōu)的節(jié)水增產(chǎn)效果。
本文所設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)是將上述的三者進行有機的結合,在此基礎上運用物聯(lián)網(wǎng)技術,從而實現(xiàn)全自動化與信息化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)結構設計
農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)由土壤水分傳感器、物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元、噴灌機控制終端、遠程監(jiān)控計算機系統(tǒng)組成。如圖1所示。傳感器埋入土壤中,直接獲取地表下0～100cm各個深度處的土壤水分信息,并將其轉化為0～5V模擬電壓信號。物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元一方面用于采集傳感器的土壤水分信息,另一方面利用GPRS網(wǎng)絡模式將土壤水分信息傳遞給安裝于監(jiān)控中心的監(jiān)控計算機。在一個農(nóng)田節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中,根據(jù)需要,物聯(lián)網(wǎng)終端采集單元可以有多個,每個采集終端可以作為一個土壤墑情固定監(jiān)測站,分布在區(qū)域內不同的特征點處進行土壤水分信息采集。監(jiān)控中心計算機循環(huán)接收各個采集終端發(fā)送的土壤墑情信息,監(jiān)控計算機將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)作物需水量進行分析、比對,從而形成最佳灌溉方案,然后由監(jiān)控計算機將灌溉命令下發(fā)到噴灌機控制終端,噴灌機控制終端直接控制噴灌機以及深井泵等設備進行灌溉作業(yè)。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)功能特點
(1) 系統(tǒng)管理,該部分對系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)表進行結構定義和維護;并對維持系統(tǒng)正常運行的帳戶、權限、界面、系統(tǒng)運行參數(shù)、文件類別和屬性等信息進行管理和維護;定義特定領域的知識規(guī)范。
(2) 噴灌機控制,根據(jù)土壤墑情信息,系統(tǒng)制定灌溉方案,通過GPRS網(wǎng)絡遠程控制噴灌機,實現(xiàn)全自動灌溉。
(3) 數(shù)據(jù)的查詢檢索功能,具有多種形式和途徑的查詢檢索功能,并以圖件、表格或其他形式輸出查詢結果。查詢方式包括點位查詢、空間查詢和邏輯條件組合查詢。
(4) 數(shù)據(jù)采集單元自動定位,終端數(shù)據(jù)采集根據(jù)放置地點自動將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心計算機,中心計算機在操作界面上自動確定并顯示數(shù)據(jù)采集單元的布設地點。
(5) 數(shù)據(jù)分析功能,針對不同屬性進行不同區(qū)段的分析,結果以專題圖形式提供,可供打印輸出。

5 上位機軟件結構
監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡服務器和土壤墑情數(shù)據(jù)處理計算機構成,具有Intemet公網(wǎng)固定IP,其功能是進行數(shù)據(jù)的實時接收、處理和顯示。監(jiān)控中心計算機軟件采用亞控組態(tài)王作為開發(fā)平臺。通過對組態(tài)王的二次開發(fā),中心計算機可以實時采集數(shù)據(jù)并顯示,形成數(shù)據(jù)庫、報表,供灌溉預報及決策使用,依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算灌水時間與灌水量,將監(jiān)測與計算結果用圖表、曲線顯示或打印輸出[1]。系統(tǒng)設計將從簡潔易用的角度出發(fā),其主要操作界面如圖2所示。

6 物聯(lián)網(wǎng)采集單元的設計
物聯(lián)網(wǎng)采集單元的設計為本系統(tǒng)的終端采集單元,由于在農(nóng)田灌溉上檢測范圍比較大,數(shù)量多、布點不固定并只在農(nóng)耕季節(jié)使用等特點考慮,采集終端需要設計成可靈活移動、易于安裝的方式,其次在每一個采集終端上安裝GPS定位模塊,使發(fā)送到監(jiān)控中心計算機上的數(shù)據(jù)帶有地理位置下標,中心計算機根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)的地理位置下標來確定采集點具體地理位置,從而實現(xiàn)準確的數(shù)據(jù)采集。另外,由于數(shù)據(jù)采集單元放置在農(nóng)田里,采用“太陽能電池板+蓄電池”的形式為采集單元供電。