都江堰丘陵灌区基于物联网的高效节水技术及安全保障体系的设想

李菁 刘强

摘 要：本文结合都江堰丘陵灌区的特点，以都江堰灌区水利现代化技术推广示范基地龙泉山灌溉实验示范基地为依托工程，阐述构建基于物联网的丘陵灌区高效节水技术及安全保障体系的设想。

主题词：丘陵灌区 节水 物联网 安全

物联网（The Internet of things）的概念是在1999年提出的，它简单的定义是：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入或装备到要观测的物体中，如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、土壤、大坝、油气管道等各种要监测的实体和对象中，然后将这些“观测到的物”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

本文结合都江堰丘陵灌区的特点，以都江堰灌区水利现代化技术推广示范基地龙泉山灌溉实验示范基地为依托工程，阐述以水情、雨情、墒情、气象监测为核心构建基于物联网的高效节水技术示范体系的设想。

1.背景概况

都江堰灌区承担着1040万亩农田的灌溉供水，都江堰管理局历来把农业供水作为工作的重中之重，农业用水能否得到保障关系着社会大局的稳定。但灌区来水一直存在时空分布不均的问题，季节性缺水非常严重。最近几年来，由于上游来水的减少，整个灌区出现了大范围的缺水矛盾，在丘陵灌区缺水更为突出，缺水时间越来越长，造成的危害也越來越大，一些地方不仅农田用不到水，连人蓄饮水都出现了严重的短缺。同时，丘陵灌区所具有的水利工程分散性、水情雨情变化性、农作物需水时效性、灌溉供水动态性、灌区性质特殊性等方面的特点，使灌区的供水管理工作十分艰巨，管理手段的落后难以实现农业用水优化调配和节水高效利用。因此，必须尽快在丘陵灌区推广高效节水技术，通过现代化的电子技术、通信技术、计算机技术、全球定位技术，搭建物联网信息平台，完成水位、雨量、墒情、温度、湿度等传感器信息的自动识别、互联和共享，实现设备到设备、设备到人及人到设备之间的水资源管理智能化，达到提高灌区的灌溉用水效率和效益，缓解日益严重的丘陵区缺水矛盾，保证农业灌溉用水及人蓄饮水的目的。

2.技术体系组成

都江堰丘陵灌区基于物联网的高效节水技术示范体系将建立一个以丘陵灌区水、雨、墒情、气象监测为核心的综合数据采集系统，在此基础上建立灌区基本信息数据库和实时信息数据库，并通过专用软件，建立灌区农业用水优化调配模型，分析灌区历史气象、水文、土壤、作物状况以及生活、乡镇企业用水状况等数据，制定出科学的农业用水预案，并根据水情、雨情、墒情的变化及时调整用水计划。其技术体系由两大部分组成：

一是基于无线传感器网络的监测系统。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元、通信模块和能源单元，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息并发送给观察者。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点， 使灌区面积、节点数量不受到限制， 可以灵活增减传感器，大大节约了设备费用和通信成本，使大范围内的节水农业和智能灌溉成为可能。

第二是灌区灌溉用水监控系统，它的主要目的是解决灌溉供水工程各环节监测点的数据采集和监控。该系统由监控中心和各个灌溉取水监测点组成，各个监测点的远程测控终端RTU可监视和采集水位、流速、雨量、墒情、气象等各种数据，供灌区控制中心及有关部门分析和决策用，以提高工作效率，保证农业灌溉质量，满足灌区农业用水量的需求。

3.网络架构

方案拟选择在川中丘陵区的都江堰龙泉山灌区实行。龙泉山灌区，属都江堰的尾水丘陵灌区，靠引蓄灌溉。由于近年来都江堰上游岷江来水减少，农业生产的现代化发展，作物布局、种植耕作的变化，以致种植收获时间相对集中，尤其在大春栽插时，用水的供需矛盾更加突出，因此拟在该灌区内建立高效节水技术示范区5000亩，建设20个农业用水监测与调配信息监测点，对土壤含水量、渠道供水量、雨量、灌区气象进行实时监测，并通过节水农业效益评估方法与指标体系及其软件系统提供高效节约的配水信息，实现水资源综合利用和节水增产效益的最大化，保障农业用水安全。

丘陵灌区基于物联网的高效节水灌溉用水管理系统主要由中心控制站、手机、现场传感器（流速计、水位计、雨量计、墒情传感器等）、RTU远程测控终端、灌区供水监测软件组成，是基于GRPS或3G无线通信网络的专业监控系统，可以实现远程无线监控。系统组成如下：

3.1 感知层

感知层由现场传感器（流速计、水位计、雨量计、墒情、湿度传感器等）、射频自动识别（RFID）标签和读写器、GPS定位等感知终端及RTU远程测控终端组成，实现各种传感器设备的自动识别、监测数据的动态感知与采集。

3.2 传输网络层

无线网链接技术的迅猛发展和日趋成熟，为广泛分布于野外的监测数据的传输与信息交换提供了便利、可靠的技术手段。节点之间的近距离数据传输可考虑采用Wifi或Zigbee短距离无线通信方式，实现传感器等设备信息的互联互通。而把各监测点的数据远距离传输至中心控制站则可考虑采用基于TD-SCDMA/GPRS/CDMA等无线通讯方式，实现现场数据的远程上传及中心控制站监控指令的下行传递。

3.3 应用层

应用层包括计算机、服务器、手机、PDA等硬件设备及灌溉供水管理等业务软件。具体功能如下：

3.3.1数据管理模块

建立数据库，对采集回来的各类监测数据进行汇集、提取、计算、统计等处理，写入实时数据库及历史数据库，实现实时数据在线显示、历史数据查询、报表统计、打印、数据维护（补充、修正、删除）等功能。

3.3.2设备运行管理模块

对采集回来的现场设备运行数据进行分析，出现异常时，向用户发出报警，以便用户能及时、正确处理故障。

3.3.3供水管理模块

通过汇集分析水位、流速、雨量、墒情、湿度等监测数据及作物信息数据（如种类、面积、阶段、施肥、需水等），建立丘陵灌区土壤含水量、植物水势、枯水年预测模型，通过节水农业效益评估方法与指标体系提出高效节约的配水计划，实现灌区需水量预报、灌溉时间预测、农业用水监测与调配、水费计取等目的。

3.3.4移動终端应用模块

用户通过手机、PDA等移动终端，随时随地查询监测数据及编制、提取配水预案、完成水费征收等，使移动办公成为可能，具备比固定办公更好的灵活机动性和时效性。

4.安全体系

建立基于物联网的丘陵灌区高效节水技术示范体系能够大大缓解丘陵地区缺水矛盾，提高灌区的灌溉用水效率和效益，但基本物联网本身的特点，解决信息化与网络化带来的安全风险，显得尤为重要。

4.1面临的安全问题

1）现场传感器设备多，种类多，数据格式各异，为安全鉴别提出了更高的要求；2）现场传感器通常情况下功能简单，无法拥有复杂的数据安全保护能力，容易泄漏或丢失；3）现场传感器多位于野外、山区、无人看守，其自身的安全无法得到有效保证；4）感知网络中水位、流速、雨量、墒情、湿度以及作物信息等数据种类多样，数据格式和传输并没有特定的标准，无法提供统一的安全保护体系。5）传输网络基于互联网和现有通信网络，其中存在的安全威胁直接影响物联网的正常运行。

4.2安全的网关接入

目前，网关技术仍然是跨网数据安全接入的基本策略。采用成熟的网关技术能够起到有效的安全隔离、灵活的业务代理，能够与相关技术实现较好的衔接与过渡。综合该物联网特点及安全保障要求，可从体系结构上强化感知层接入网关的功能要求和技术设计。接入网关位于感知层与应用层之间，对数据进行安全检测，过滤有效数据，阻止跨层威胁及敏感信息泄漏。

4.2.1密钥管理

密钥系统是实现感知层信息隐私保护的重要手段。经接入网关传输的数据类型包括现场传感器采集的数据和对现场传感器进行管理的控制指令。采集的数据与控制指令必须按照不同的安全策略进行严格区分，分别进行处理和传输。主要构建贯穿物联网体系的密钥管理系统，并妥善解决感知层密钥的分配、更新和组播等。

4.2.2数据处理

该物联网体系的应用不仅要考虑信息采集的安全性、信息传送的私密性，同时，还要保障整个网络的可靠、可信和安全。通过数据处理，实现感知层与应用层之间有效信息和数据的交换，将感知层各节点采集的各类身份信息、状态信息、位置信息等转发至应用层中相应的应用系统，并根据需要回传对应的指令信息至感知层，根据实际数据量的大小和时效要求，可采用专用的处理设备实现数据的快速转发，有效均衡安全与效率之间的关系。

4.2.3安全路由和内核保护

由于要跨越多类网络，如基于IP地址的Internet路由协议、有基于标识的移动通信网和传感网的路由算法，因此需要妥善解决多网融合的路由，保障数据传输。同时，增加安全内核模块，建立访问规则库，拦截所有的内核访问路径，通过抢先加载等方式，使系统的任何操作都成为符合规则的可信任传递。按照最小授权原则，精简操作系统内核和功能模块，从系统底层对接入网关进行安全防护和安全支持，提升其抵御安全威胁的能力。

4.2.4身份认证及访问控制

身份认证可以使通信双方彼此确认身份并交换会话密钥。认证过程中，感知网络的认证机制是重点，可采用基于轻量级公钥的认证技术、预共享密钥认证技术、随机密钥预分布认证技术以及基于单向散列函数的认证等。访问控制主要是基于角色的访问控制机制及其扩展模型，包括对网关资源访问的控制管理以及对感知节点访问的控制管理。针对不同资源，设置不同访问权限。

4.2.4日志管理

接入网关要求具备日志功能。日志记录包括各类数据安全检测记录、指令数据检测记录、设备访问日志记录等，并对日志进行加密存储。

5.结语

建立基于物联网的丘陵灌区高效节水技术示范体系，一方面将通过以无线传感器技术为核心的物联网系统来提高监测数据的多样性和时效性；另一方面，通过制定科学的节水灌溉预案，确定灌溉定额，并与农田用水监测与优化调配系统集成，实现农田用水的自动化及效益最大化。

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作者简介：李菁（1976.2-），女，籍贯：四川内江，本科学历，四川省都江堰管理局科技科工程师。

刘强（1979.1-），男，籍贯：四川井研，本科学历，四川省都江堰管理局安全生产办公室工程师