物联网技术在农业节水灌溉管理系统中的应用研究

陈向阳

（运城市水利科学研究所 山西运城 044000）

0 引言

低压管道输水灌溉技术是目前我国节水灌溉面积中占比最大的一项灌溉技术（以下简称管灌），据统计，2020年山西省节水灌溉面积1 013.38 千公顷，其中管灌面积约614.23 千公顷，占到节水灌溉总面积的60.6%。运城市管灌面积达156.79 千公顷，占全市节水灌溉面积272.37 千公顷的57.6%，占全省管灌面积的1/4，其中绝大部分为机井抽取地下水来灌溉。

井灌区低压管道输水灌溉系统由机井、输水管道、给水栓及管道附属设施组成，通过给水栓配水予农田。当前灌溉管理模式主要为农户灌溉时需首先告知管理者开机上水，然后检查其他给水栓是否关闭，方可打开自家的给水栓灌溉，完毕后再告知停机，最后双方根据灌溉时间计算水费。这一过程存在的主要问题：一是过程烦琐、耗时长、管理工作量大、管理效率低；二是给水栓随意启闭、启闭不到位、跑漏水，对其他农户难以管理；三是计量计费不精准，易导致管理者与用水户间产生争议。

近年，随着信息技术与物联网技术的快速发展和普及应用[1]，通过IC 卡、手机及信息化软件等远程实时监控机井灌溉已逐步在井灌区推广应用，但在一定程度上，还存有跑漏盗水、管控不便、效率低等问题，为此，通过研究开发物联网技术在农业节水灌溉管理系统的应用，来达到节约水资源，省工提效的目的，更好地服务于农业节水灌溉。

1 研究范围、研究目标及主要内容

1.1 研究范围

项目现阶段主要就物联网技术在井灌区低压管道输水灌溉管理系统的控制应用进行研究，试验场地位于山西水利职业技术学院实训场，该实训场的节水灌溉技术实训基地面积5.33 hm2，低压管道输水灌溉系统配置较完善。

1.2 研究目标

通过本研究，解决当前管灌灌溉过程中给水栓随意启闭、跑漏水、计量不准、收费难、管控不便、管理工作量大等管理中普遍存在的问题，减轻管理工作量、提高管理效率，实现灌溉智能输配水、合理计量、自动缴费，更好地服务于农业节水灌溉。

1.3 研究主要内容

应用物联网技术，通过对现有给水栓上加装微功耗智能扫码控制终端的研制，实现配水智能控制；开发农田灌溉管理平台系统软件并利用互联网云服务器平台与手机APP 进行数据远程采集、遥控给水栓上的锁销开闭及井泵启停，以此控制灌溉过程，实现用水户独立进行网络预缴费、自动结算费用、智能灌溉等操作功能，同时，管理员可实时对泵房安防监控、进行用水统计、信息发布等。

2 系统的设计及实现

2.1 系统总体设计

系统由泵房无线网关DTU、LoRa 通讯模块与现地监控设备PLC[2]、云服务器平台、给水栓采集控制终端及远程监控手机设备四部分构成。

DTU 设备实现PLC 和云服务联网，LoRa 通讯模块实现PLC 和给水栓采集控制终端联网。监控设备PLC 接收云平台服务器传递过来的指令有两种，其中一种自身执行，用于控制水泵起停，另一种指令则通过LoRa 通讯模块转发给水栓采集控制终端并对其实施控制[3]，除此之外，监控设备PLC 将采集到的水泵、给水栓等各部具体运行参数实时传给云平台服务器。

本次研究使用的网络云服务器租用华为云平台服务器，其主要作用是：通过物联网实时采集井泵参数，并推送给手机终端；接收手机APP 发来指令传递给井泵房。

任何一部手机或电脑只需联网便可作为控制终端，管理员与农户均可进行远程灌溉控制。该部分主要以APP（安卓版）的形式实现。灌溉管理员可以通过APP 进行设备监控、设备录入、农户授权、缴费信息查询等操作。用户可以通过APP 对农业灌溉平台进程远程控制，包括水田浇灌指令、停止指令、历史浇灌记录查询等操作。超级用户可以通过APP 进行设备的监控，保证设备的正常运行。系统网络原理图见图1。

图1 系统网络原理图

2.2 硬件设计与实现

系统硬件由泵房无线网关DTU 与现地监控设备PLC、给水栓控制终端两部分组成。

1）泵房无线网关与现地监控设备

水泵控制箱在井泵房内安装，由一个基站DTU、水泵控制器、LoRa 通讯模块、多个LoRa 通讯控制终端、低压电器、变频器等组成。水泵控制器箱内有GPRS 无线网关与PLC 等设备，启动柜内加装电压、电流变送器，可根据需要安装泵房安监传感器或失电警报装置。水泵出口管道加装电磁流量计与压力传感器设备，PLC 作为系统控制核心设备采集水泵运行状态与数据并负责自动控制系统设备联动；GPRS 网关作为无线数据中转设备与采集控制终端无线通讯，并将数据通过GPRS 网络传送给云服务器平台。

DTU 是连接云端服务器与PLC 的纽带，LoRa 通讯模块实现与控制终端一对多通讯[4]。

2）给水栓控制终端

给水栓采用目前农田灌溉中普遍使用的螺杆式铸铁给水栓，出水口径100 mm。控制终端安装于每个给水栓上，由LoRa 通讯模块、MCU 控制器、微动开关等组成。给水栓控制系统由主控板、执行机构、采集装置三部分来操控。系统通过无线发送过来的信号经LoRa 模块接收后发送到CPU，CPU 解析后得到准确指令来控制执行机构的打开关闭；同时可根据外部的输入信号经CPU 处理后通过LoRa 模块进行无线发送。

主控板的组成部分为电源电路、CPU 电路、数据采集电路、执行机构控制电路、通讯电路等。电源电路采用sx1308 升压芯片，将3.7 V 电池电压升至12 V，给执行机构提供驱动电源，后经稳压芯片分别输出5 V 和3.3 V，5 V 为继电器提供驱动电源，3.3 V 给CPU 提供驱动电源；CPU 电路采用stm8l 芯片为系统的控制中枢；数据采集电路通过光耦隔离采集外部输入信号；输出电路通过CPU 指令来控制继电器吸合断开；通讯电路采用LoRa 模块对外进行无线数据的发送和接收。

执行机构为12 V 自保持电磁铁，采用脉冲方式对电磁铁进行打开和关闭。采集装置通过微型限位开关的开、闭来采集外部输入信号。

2.3 软件设计与实现

本次研究着重于智能扫码给水栓控制终端的研制及农田灌溉管理平台系统软件的开发，系统包含web 端管理系统及用户端APP（安卓）。结合当前农业灌溉实际情况，系统面向3 类用户，分别是超级用户级、灌溉管理员和农户。超级用户级1 位，负责系统维护、灌溉管理员增删改查、灌溉管理员授权等，一般为水利管理部门或系统运行管理单位工作人员；灌溉管理员级别可以有多位，负责农户与设备增删改查、设备线下维护、线下安装调试、设备监控管理；农户为各灌溉用户，不限制人数，主要通过本系统启停水泵、开闭水栓灌溉及支付灌溉费用、查询以往缴费和灌溉情况等。

系统采用java+MySQL 开发，软件架构主要采用B／S 架构，所开发应用软件包括：数据库应用软件、云服务器应用软件、手机移动应用程序。数据库应用软件用于整个系统数据管理；云服务器软件主要是实现业务流程管理、整个系统集中管理、数据推送和指令接收与转发；手机移动应用程序采用目前普遍使用的微信小程序，用户只需在微信端扫码或者搜索就可以进入到应用。小程序应用不受地域限制，随处随时可用，可以实现消息通知、线下扫码等功能，满足系统使用。

软件功能模块分为PC 端和手机端两部分，其中PC 端主要用于管理，由超级用户和灌溉管理员使用；手机APP 端用于缴费、排队、控制，用户分别为农户、灌溉管理员和技术员。主要功能有登录、注册、查看水泵与水栓状态、微信支付功能、支付成功提示、费用情况查询界面、密码找回等功能。

2.4 试验结果

通过对水泵运行控制、给水栓控制终端开闭、系统软硬件联动、通讯距离、数据信号传输的实时性、抗电磁干扰、耐高温、耐久性、给水栓控制终端自动休眠及有数据主动唤醒等系统功能及性能测试，DTU 基站水泵控制系统、给水栓控制终端、手机终端操作功能、云服务平台均可满足系统设计需求，解决了当前管灌过程烦琐、耗时长，给水栓随意启闭、跑漏盗水、工效低等灌溉管理上存在的问题，提高管理效率15%～30%，达到了预期目标。项目于2019年12月顺利通过山西省水利厅验收。2021年4月，《一种基于物联网技术遥控给水栓的灌溉控制装置》获国家知识产权局实用新型专利证书（专利号ZL202020204150.5）。

3 结语

本项目研究是利用物联网技术，通过在给水栓上加装的控制终端及开发的灌溉管理平台系统，给予用水户开、闭给水栓权限，实现跨地域远程控制、监控灌溉过程，实时计量计费、自动费用结算等功能。项目在农田低压管灌区推广应用后，将达到节水、省工省时、减少纠纷、提高管理效率的目标。现有单眼机井管灌区改造投资约2～3 万元（视管灌设施配套完善情况而定），通过改造，可年节省人工1 200～1 500 h，提高管理效率15%～30%，对促进农业节水灌溉可持续发展有着重要作用。后期随着研究的深入，从管灌到渠灌的闸门启闭、计费计量等，其产业化前景都将十分广阔，市场潜力巨大。

现阶段的研究成果虽达到了预期目标，但还存在以下问题需继续深入研究，以更好地服务于农田灌溉管理。

1）给水栓上加装的智能扫码解锁装置的稳定性、可靠性。给水栓控制终端均位于室外安装使用，在夏季高温、冬季严寒环境下元器件的工作性能，农田作物及树木对LoRa 通信传输距离及实时性、稳定性和抗干扰能力有待于进一步验证[5]。

2）农田灌溉管理系统平台软件的功能扩展。进一步完善、扩展系统功能，由井灌区管灌管理向大灌区灌溉管理扩展延伸，提高管理效率，并增加数据分析功能，使水利及农业管理部门可以掌握更详实、细分的水资源数据，提升管理部门决策水平。