物联网技术节水灌溉系统分析3篇

物联网技术节水灌溉系统篇1

【摘要】随着我国农业生产现代化进程的不断深入，新型信息技术在农业生产上的广泛运用已经成为一种趋势。互联网、物联网等技术已经成为了推动我国农业持续健康发展的重要推动力，且其在农业灌溉用水管理中发挥着重要作用。本文首先简要介绍了物联网技术的基本概念及其特点，并结合实际具体阐述了物联网技术在节约农业灌溉用水中的应用原理与实现方法，以期为我国农业的绿色发展提供参考。

【关键词】物联网技术；农业节水灌溉；应用

在农业生产管理中，作物的水分管理尤为重要，直接决定着生产农产品的质量与产量。在传统农业生产中，种植者与管理者往往忽视了水资源的管理与经营，以一种较为粗放的水分管理方式作为主要的方式。随着物联网等新型应用科学技术的不断发展与普及，自动化技术能够便捷地实现农业园区的精准化水分与灌溉管理。我国的农业生产的规模处于世界前列，但自动化、智能化和现代化的农田管理模式还十分落后，许多种植地区仍然使用十分传统的管理模式进行各种作物的种植，这并不利于我国现代农业的高效、可持续发展。面对我国淡水资源十分缺乏的现实状况，我国农业领域必须加快新型自动化技术的应用、完善自身的种植技术与管理模式，有效提高我国农业用水的使用效率。

1物联网相关概念及基本特征

1.1互连性

物联网即物物之间的交流联系，其实现是基于互联网框架的，换言之，物联网是在互联网的基础上发展而来的。基于有线和无线网络，物联网将各种传感器与设备用物联网相连，进行不同设备之间的信息传播与处理，互联性是物联网的最基本的特征之一。

1.2感知性

物联网的感知性是通过数目巨大、种类繁多的传感器实现的。在物联网架构中的感知层，各类设备配有用途丰富的传感器件，例如温度湿度传感器、定位系统、红外感应器等等。这类传感器与人体的各种组织器官功能相似，主要是将环境等信息以数据的形式上传网络，成为物联网技术实现的重要物质基础。

1.3智能性

物联网技术的智能性不仅体现在其接受信息与处理信息的智能性，还集中体现于其对不同设备发出的控制指令的智能性。在各类传感器和可连接网络的支持下，物联网技术能够对海量的各类信息数据进行高效处理，并以此分析得出有助于用户使用实用性与体验感增强的信息数据，从而在对客户需求的不断满足与适应过程中开发新的运行模式，并逐渐推广应用到各种领域。

2物联网在农业节水灌溉中的应用

2.1基本系统构架

不同区块的灌溉与监控设备分布较为分散，因此，相互贯通并能够执行有效控制管理的系统网络是必不可少的。在农业生产的灌溉节水管理中，控制系统的执行对象包括中心监控室、无线与有限通讯设备、农田水分状况信息采集设备、管道及水泵控制设备等等。首先，中央控制室向系统发出指令，对农田灌溉相应位置的信息数据进行采集。然后，系统对采集的数据进行处理与分析，并生成相应的决策，对灌溉控制系统发出指令，灌溉管道以及调节阀门的相应执行设备活动，进行指定农田区域的灌溉活动。在农田自动灌溉的过程中，传感器设备也在对农田水分的各项数据信息进行采集与传输，并实时传输给中央系统，当检测到供水已经达到预设值或者超出预设值时会向中央控制系统发出警报，最后输水管道与控制阀门随即自动关闭。传感器向系统传输数据途径主要为GPRS网络，控制指令主要由控制室内的电脑端以有线网络的形式向中央服务器传输。

2.2传感器互通网络

农业园区由于场地、环境等因素的限制，以有线网络传输技术具有安装维护成本高、操作繁琐等劣势，因此无线传输与传感技术在农业灌溉节水管理中运用更为广泛。鉴于其耗能少、经济性强、安全性高、数据传输容量大以及不容易产生数据重复等优势，ZigBee的自组无线网络具有更大的应用价值。在我国几个著名的农业园区中，ZigBee无线网络传输技术常用于检测农田温湿度以及酸碱性的传感器的网络传输与控制。

2.3供电系统

受到农业园区水分灌溉的实际工作需求以及现实环境因素，物联网技术在农业生产上应用时的网络架构主要是通过无线信号的传感器以及电磁阀门来实现的。相较于一般的有线网络架构，该无线传输系统的硬件需要较高频率的换电池工作，因此，在实际工作中常采用太阳能充电板作为传输硬件的主要供电方式，且通过调节合适的运行模式尽可能降低传输硬件的能耗。

2.4系统主要功能特点

该物联网系统主要具备以下四方面的功能性特点。首先，该系统能够对整个数据信息进行良好的管理，这一管理主要是针对内部的数据信息而言的。这一物联网技术不仅能够对用户的信息、数据文件以及相关应用权限进行良好的管理，还能够对指定的管理领域进行管理的规范化与统一化。其次，物联网系统能够有效搜集土壤的情况，并智能化地定制相应的灌溉方案，对灌溉设备进行智能化的控制。此外，物联网系统还能够对全部的系统信息进行管理，为用户提供信息检索的渠道，并将结果以文本、图片与表格等形式进行展示。最后，物联网系统的终端能够自动地搜集各农田区域内的数据，并将准确的信息与定位实时上传时控制系统。

3结语

综上所述，物联网具有互连性、感知性以及智能性三个基本特征。物联网在农业生产的应用中，传感器以GPRS为主要途径向系统传输数据，控制指令主要由控制室内的电脑端以有线网络的形式向中央服务器传输。在实际工作中常采用太阳能充电板作为传输硬件的主要供电方式，且通过调节合适的运行模式尽可能降低传输硬件的能耗。

作者:杨正副 单位:云南省丽江市华坪县农广校

物联网技术节水灌溉系统篇2

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1013.38千公顷，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5.33hm2，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。

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100mm。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3.7V电池电压升至12V，给执行机构提供驱动电源，后经稳压芯片分别输出5V和3.3V，5V为继电器提供驱动电源，3.3V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12V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1200～1500h，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。

作者:陈向阳 单位:运城市水利科学研究所

物联网技术节水灌溉系统篇3

1基于物联网技术发展智慧节水灌溉系统的意义

1）应用物联网技术将有关农作物灌溉的设备与互联网联系在一起，通过数据传播媒介实现通信目标，针对灌溉设备进行远程控制，旨在节约水源，达到科学浇灌目的。2）利用传感器搜集与农业灌溉相关数据信息，根据农作物生长实况进行在线监测并获取统计报表，为农民调整灌溉对策，优化灌溉系统提供依据。3）应用物联网技术针对农业灌溉展开环保、安全、节能、高效一体化管理活动，改善人与生态、农业与经济发展关系，推动农业可持续发展。

2基于物联网技术的智慧节水灌溉系统架构

1）基于物联网技术的智慧节水灌溉系统从上到下由感知层、网络层、应用层构成，其中感知层为核心功能层，是智能节水灌溉系统标准化、产业化运行的关键一环，需从成本、能耗、规模等角度出发根据智能化灌溉需求加以调控。网络层以移动通信网络为依托覆盖整个灌溉系统，经由终端信息传输基础设施搜集整合数据信息，为感知层操控智慧节水灌溉系统提供依据。网络层将有关智慧节水灌溉系统的初始化数据信息传输至感知层，感知层通过计算将分析结果传输至网络层同时驱动应用层，助力该系统采取解决方案落实节水灌溉目标。2）基于物联网技术的智慧节水灌溉系统主要由无线通信系统、业务应用系统、传感网络、运营支撑等系统构成，其中传感网络负责采集与该系统运转相关数据信息并在网关终端汇集，经由无线通信网络系统将数据信息传输至指定模块，为远距离操控智慧节水灌溉系统奠定基础，有利于节约灌溉成本，提高节水灌溉管理有效性[1]。

3基于物联网技术的智慧节水灌溉系统应用要点

3.1有效利用传感器技术

通过对基于物联网技术的智慧节水灌溉系统架构进行分析可知，感知层、应用层、网络层及各系统均对灌溉相关数据信息有极高需求，旨在确保灌溉决策符合实际。这就需要基于物联网应用传感器技术，将传感设备置于智慧节水灌溉系统内，经由无线网络向中央处理器内传输数字信号，加之嵌入式技术、无线射频等技术的综合运用，针对灌溉数据信息进行自动识别，使该灌溉系统得以灵活制动，满足农田节水灌溉实际需求。

3.2加大物联网产业投入力度

我国农业种植环境较为复杂，不同地区网络基础设施发展进度不一，徒增基于物联网技术的智慧节水灌溉系统应用难度，为此，地方政府相关部门需在因地制宜、创新争优思想指引下，做好智慧节水灌溉系统发展所需硬件、软件等资源投入工作，打造具有地域农业特色的智慧节水灌溉系统，为物联网技术的充分利用铺平道路[2]。

4基于物联网技术的智慧节水灌溉系统应用方略

4.1树立物联网技术在智慧节水灌溉系统中合理应用的意识

人的意识对行为具有极为深远的影响，为保障我国农业得以可持续发展，有效解决水资源浪费问题，需意识到物联网技术应用重要性。在农业管理战略中纳入物联网技术，通过实时监测灌溉信息统筹土壤水分、农作物长势、水肥比等数据资源，扩展节水灌溉信息感知范围，在处理灌溉信息基础上科学操控该系统，如控制灌溉时长、水流速度、流量、水体状态等，同时将数据信息经由无限网络传输至农业监控中心，实现灌溉数据共享目标[3]。

4.2基于物联网技术持续优化智慧节水灌溉系统

1）优化基础设备，如运用频域型传感器，快速、准确、简便、安全获悉有关土壤水分的数据信息，发挥该传感设备宽量程、自动化优势，为提高该系统运行效率奠定基础；2）优化信息系统，如增强网络安全协议合理性、有效性，确保信息数据流通安全可靠，考虑农作物长势、地域气候、病虫害等因素对节水灌溉智能化系统带来的影响，应用ZigBee等技术提升该系统兼容、抗干扰、传输快等能力，使数据终端可及时获悉灌溉设备操控指令；3）优化能源系统，如利用风能、太阳能等清洁能源满足智慧节水灌溉系统运行需求，使用能耗低的通信模块，加之运用电压动态调节、动态功率管理等技术减少系统能耗，使该系统得以可持续发展[4-5]。

5结束语

综上所述，利用物联网技术，可将灌溉系统、设备、农业管理举措、农作物生产状态有关数据信息整合到一起，以为制定科学可行灌溉对策提供依据，实现远程监控用水量，继而提高农业灌溉管理质量。

参考文献：

[1]刘慧，陈龙.物联网技术在智慧农业节水灌溉中的应用[J].中国科技信息，2018(12)：61+63.

[2]孙刚，房岩，陈野夫，等.人工智能在智慧农业中的应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2019，35(10)：93-96.

[3]芮小玲，吴一凡.基于物联网技术的智慧水利系统[J].计算机系统应用，2012（4）：98.

[4]黄凤岗.基于物联网的智慧水利工程信息管理系统[J].中国水能及电气化，2013(5)：45.

[5]阮正鑫，陈胜倩，林志林.基于物联网技术的智能农业自动控制系统[J].南方农机，2017，48(16)：98.

作者:杨雪怡 王泽源 王慧琳 单位:河北农业大学