1 引言
水是農(nóng)業(yè)的命脈,也是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)生活的命脈。水資源狀況和利用水平已成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)能否持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。我國(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)貧乏的國(guó)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(wàn)億m³,人均占有水量?jī)H2300m³,只相當(dāng)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(gè)國(guó)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(shì)
從全國(guó)對(duì)水資源量總的需求來(lái)看,在出現(xiàn)中等干旱的情況下,全國(guó)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(biāo)準(zhǔn)污水直灌等不合理供水因素,則全國(guó)實(shí)際缺水量在300～400億m³之間。農(nóng)業(yè)是我國(guó)的用水大戶,約占全國(guó)總用水量的73%,但有效性很差,水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)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(dá)國(guó)家水的有效利用率可達(dá)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(dá)2.32kg。由此說(shuō)明,我國(guó)各種節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的綜合應(yīng)用程度還十分低下,與發(fā)達(dá)國(guó)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(shù)是:一是與生物技術(shù)相結(jié)合的作物調(diào)控灌溉技術(shù)。是從作物生理角度出發(fā),在一定時(shí)期主動(dòng)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(zhì),控制上部旺長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)矮化密植,到達(dá)節(jié)水增產(chǎn)的目的。二是應(yīng)用3S技術(shù)的精細(xì)灌溉技術(shù)。就是運(yùn)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(shù)(RS)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)獲取農(nóng)用小區(qū)作物生長(zhǎng)實(shí)際需求的信息,通過(guò)信息處理與分析,按需給作物進(jìn)行施水的技術(shù),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(xué)科發(fā)展的熱點(diǎn)和農(nóng)業(yè)新技術(shù)革命的重要內(nèi)容。 三是智能化節(jié)水灌溉裝備技術(shù)。就是把生物學(xué)、自動(dòng)控制、微電子、人工智能、信息科學(xué)等高新技術(shù)集成節(jié)水灌溉機(jī)械與設(shè)備,實(shí)時(shí)地檢測(cè)土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求來(lái)實(shí)施變量施水,達(dá)到最優(yōu)的節(jié)水增產(chǎn)效果。
本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)是將上述的三者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化與信息化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jī)控制終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(gè)深度處的土壤水分信息,并將其轉(zhuǎn)化為0～5V模擬電壓信號(hào)。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(luò)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(jì)算機(jī)。在一個(gè)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(gè),每個(gè)采集終端可以作為一個(gè)土壤墑情固定監(jiān)測(cè)站,分布在區(qū)域內(nèi)不同的特征點(diǎn)處進(jìn)行土壤水分信息采集。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)循環(huán)接收各個(gè)采集終端發(fā)送的土壤墑情信息,監(jiān)控計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的農(nóng)作物需水量進(jìn)行分析、比對(duì),從而形成最佳灌溉方案,然后由監(jiān)控計(jì)算機(jī)將灌溉命令下發(fā)到噴灌機(jī)控制終端,噴灌機(jī)控制終端直接控制噴灌機(jī)以及深井泵等設(shè)備進(jìn)行灌溉作業(yè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)
(1) 系統(tǒng)管理,該部分對(duì)系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)表進(jìn)行結(jié)構(gòu)定義和維護(hù);并對(duì)維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的帳戶、權(quán)限、界面、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、文件類(lèi)別和屬性等信息進(jìn)行管理和維護(hù);定義特定領(lǐng)域的知識(shí)規(guī)范。
(2) 噴灌機(jī)控制,根據(jù)土壤墑情信息,系統(tǒng)制定灌溉方案,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制噴灌機(jī),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)灌溉。
(3) 數(shù)據(jù)的查詢(xún)檢索功能,具有多種形式和途徑的查詢(xún)檢索功能,并以圖件、表格或其他形式輸出查詢(xún)結(jié)果。查詢(xún)方式包括點(diǎn)位查詢(xún)、空間查詢(xún)和邏輯條件組合查詢(xún)。
(4) 數(shù)據(jù)采集單元自動(dòng)定位,終端數(shù)據(jù)采集根據(jù)放置地點(diǎn)自動(dòng)將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī),中心計(jì)算機(jī)在操作界面上自動(dòng)確定并顯示數(shù)據(jù)采集單元的布設(shè)地點(diǎn)。
(5) 數(shù)據(jù)分析功能,針對(duì)不同屬性進(jìn)行不同區(qū)段的分析,結(jié)果以專(zhuān)題圖形式提供,可供打印輸出。

5 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)
監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和土壤墑情數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)構(gòu)成,具有Intemet公網(wǎng)固定IP,其功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理和顯示。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)軟件采用亞控組態(tài)王作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)組態(tài)王的二次開(kāi)發(fā),中心計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并顯示,形成數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表,供灌溉預(yù)報(bào)及決策使用,依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算灌水時(shí)間與灌水量,將監(jiān)測(cè)與計(jì)算結(jié)果用圖表、曲線顯示或打印輸出[1]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將從簡(jiǎn)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(shè)計(jì)
物聯(lián)網(wǎng)采集單元的設(shè)計(jì)為本系統(tǒng)的終端采集單元,由于在農(nóng)田灌溉上檢測(cè)范圍比較大,數(shù)量多、布點(diǎn)不固定并只在農(nóng)耕季節(jié)使用等特點(diǎn)考慮,采集終端需要設(shè)計(jì)成可靈活移動(dòng)、易于安裝的方式,其次在每一個(gè)采集終端上安裝GPS定位模塊,使發(fā)送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)帶有地理位置下標(biāo),中心計(jì)算機(jī)根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)的地理位置下標(biāo)來(lái)確定采集點(diǎn)具體地理位置,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(yáng)能電池板+蓄電池”的形式為采集單元供電。