基于物联网技术的节水灌溉控制系统

基于物联网技术的节水灌溉控制系统捅要水是基础性的自然资源，又是战略性的经济资源。由于经济条件和客观土地面积的限制，我国在节水灌溉控制领域的研究起步较晚，农业节水灌溉发展相对滞后，水资源有效源利用率不高。因此，探索一种新型节水灌溉控制系统具有很重要的现实意义。本文运用“物联网”概念实现农业节水灌溉智能化，把复杂多变的农业环境作为一种需要与互联网连接的“物品”，通过部署具有自组网能力的灌溉监控节点，将农业对象划分为互相连接的无线区域，实现“全局监控，局部灌溉”的思想。主要研究内容和结果如下：(1)研究了平面型灌溉区域网络部署模型。针对农田或牧场等平面型区域，依据无线传感网平面网络结构模型研究其网络容量，估算覆盖范围；依据环状能耗模型部署覆盖优先网络和连通优先网络的研究；依据蜂窝网格模型部署矩形区域的研究。(2)实现了灌溉系统硬件设计。硬件是整个系统运行的基础，通过硬件可行性分析，系统采用AltiumDesignerWinter09设计了ZigBee灌溉节点、传感器数据采集和处理、电磁阀驱动等模块。ZigBee灌溉节点是整个现场网络的核心，实现了液晶显示、串口通信、AD采集和DC．DC变换等功能。本系统使用ZigBee实现大面积覆盖并完成数据采集，通过协调器接入现有WiFi信息网络将数据上传至应用层。(3)研究了灌溉系统软件设计方法，构建了系统总体结构和网络架构。结合感知层、网络层、应用层组成的三层网络技术架构，系统采用模块化程序设计，使用IAREmbeddedWorkbenchfor8051开发环境在ZigBee协议栈基础上开发了DHT21驱动，增加WiFi事件响应，实现数据的采集传输。采用VB．NET语言在VS2005环境下开发了客户端软件，包括用户管理软件设计、通讯软件设计、数据库设计。通信软件采用C／S架构、通过调用TCP类实现远程连接WiFi设备，将接收到的数据存入数据库或将数据库中更新的命令发送到指定网络或设备。用户管理软件通过对数据库的访问，实现了数据存储、查询、修改、添加和删除等功能。(4)根据系统要求进行了WiFi连接和数据转发能力测试、土壤温湿度对比测试，节点测试完成了丢包率测试、节点高度与有效传输距离测试以及控制节点可靠性测试，最后完成了整个数据通道的测试和系统软件实现。实验证明本系统能够实现节水灌溉控制，提高水利用率。关键词：物联网ZigBee节水灌溉CC2530WiFi1977年“联合国水事会议”向全世界发出严正警告：。“水不久将成为一个深刻的社会危机，继石油危机之后的下一个危机便是水。”1993年1月18日，第四十七届联合国大会做出决议，确定每年的3月22日为“世界水日”。中国把“中国水周”的时间改为每年的3月22日至28日，开始时间和世界水日重合，更加突出了全世界共同节水的主题。1．1我国水资源利用现状我国是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一fl】。据统计，我国水资源总量约为28124亿m3，排名世界第6位。占世界水资源总量的8％，其中地表水约占96．4％，地下水占29．4％。人均占有水量为2200m’，只有世界平均的24．7％，排名世界第121位，年平均降水量只有600mm，小于全球陆面平均的834mm，也小于亚洲陆面平均的740mm。据中国气象局截至2011年12月28日的数据显示，全国平均降水量为555mm，比往年平均水平低9％，为61年来最少。北方地区耕地面积占全国的58％，平均水资源总量只有5358亿m3，水资源量仅占全国水资源量19％；南方地区耕地面积占全国的42％，但平均水资源总量为22766亿m3，水资源量占全国81％【21。据估计2030年我国需水量为7800-'-,8200亿m3，2050年需水量8500---9000亿m3【3】。总的来说，我国需水量大，但水资源不足。水资源的消费需求与现有水资源不足的矛盾相当突出，如何解决水资源相对短缺问题将成为未来制约经济发展尤其是农业发展的关键因素。水是农业发展的命脉【11。农业用水一直是水资源的第一大用户，我国农田有效灌溉面积一直处于增长趋势[41。截止到2009，我国农田有效灌溉面积约8．77亿亩，比建国时期增ant6．3亿亩，占世界总灌溉面积的20％，位居世界第一位。目前我国以全国48％的灌溉面积，生产了全国75％粮食和90％的棉花、蔬菜等经济作物。2008年水资源公报数据显示，2008年全国用水消耗总量3110亿m3，其中农业耗水占74．7％，-T"业耗水占10．7％，生活耗水占12．4％，生态与环境补水耗水占2．2％。全国综合耗水率(消耗量占用水量的百分比)为53％，干旱地区耗水率普遍大于湿润地区。各类耗水率差别较大，农田灌溉为62％，工业为24％，城镇生活为30％，农村生活为85％。2008年农业用水为2323．17亿m3，农田灌溉消耗量为1928．2亿m’，约占农业用水的83％。1．2国内外节水灌溉发展状况灌溉节水是农业节水的一种【5】。所谓灌溉节水，就是在满足农作物需水的前提下尽量减少水资源供给或耗损，以获得较高的有效利用率。节水灌溉从过程上考虑，主要体现在两个环节：一是减少农田土壤的水分蒸发损失，有效的利用天然降水和灌溉水资源；二是提高作物水分利用率，减少作物的水分蒸腾消耗，获得较高的作物产量和用水效益。(1)国外节水灌溉发展状况目前世界范围内较流行的节水灌溉方法有喷灌、滴灌、微灌以及渗灌等，这些灌溉方法在各大洲都不同程度的得到应用。北美洲农业节水发展水平较高，以美国为例：美国土地面积936万km2，耕地面积约占19％，人口2．55亿，人均土地及耕地面积为3．7hm2和o．73hm2，分别为我国的8倍和4．7倍。美国的灌溉面积占总耕地的12．5％161。美国农业在宏观上注重监控，微观上注重实现自动化调控。主要体现在：①在节水灌溉方式上，目前美国50％的灌溉面积采用喷灌，43％的为地面灌溉，6％为滴灌，1％为其它方式。其中喷灌80％为中轴式移动喷灌。这种喷灌方式具有需要劳动力少，一次性投入大，灌溉效率高，寿命长等特点[71。②依靠高新技术实现对水资源的自动化调控。通过在河流、渠道建立自动监测点，随时监测区域内的水质和供水量等，并把信息汇总到总控制室，与卫星联网，实现在全国范围内进行水资源的自动化管理和调度。③大力发展精准灌溉技术。通过应用土壤水分、土壤湿度检测技术，对农作物环境进行实时监测，按需灌溉。美国的农场中都有专门的农业技术人员，在农作物的不同生长时期，每天都要记录不同土层、不同地点的土壤信息，结合气象资料制定出准确的灌溉计划。亚洲农业灌溉呈现巨大差异性，东亚、中亚、西亚迥异，发展较好的为以色列。以色列位于地中海东岸，是一个水资源十分紧缺的国家。全国总面积2．2x104／on2，地形狭长，南北长400／on，东西宽45～50km，除西部沿海有不足总面积20％的平原外，其余为高原、河谷、沙漠和山区，其中沙漠面积占国土面积的一半还多。以色列国内年径流量只有5．2亿m3，多年平均降雨量为19．33亿m3，其中60％被蒸发掉，35％渗入地下，剩下的5％形成径流，而年用水量却达20亿m3，远远大于现有水量【6】。为了节约用水，以色列做了大量工作：①大量采用喷灌、滴灌节水技术，将单位面积灌溉的用水量控制到最低限度，以色列现在已经基本实现滴灌化。②输水线路实现管道化，管路实现联网。③在节流的同时采取人工降雨、海水净化和废水处理等措施。④注重发展高科技的节水灌溉系统，广泛采用信息技术、计算机技术，通过各个环节自动化实现整个灌溉系统的自动化。⑤把节水灌溉和科学灌溉作为农业命脉，注重融合农学、土壤、物理、化学、机械、生物、环境等学科技术[81。欧洲农业节水发展较早，体系相对成熟，以西班牙为例：西班牙国土面积50万km2，人口4000万，全国一半地区的年降雨量低于500mm，降雨最少的地区仅150mm。为了节约农田灌溉用水，西班牙目前一半以上的灌溉面积采用喷灌、滴灌方式16】。(2)国内节水灌溉发展状况由于经济条件和客观土地面积的限制，目前我国灌溉面积的98％为地面灌溉，其中明渠灌溉区域占总灌溉区域的3／4以上，灌溉的水利用率较低。党的十七届三中全会明确指出农田水利建设是当今农业工作的重点，主要包括三个方面：水库除险加固、农村饮水安全、灌区节水改造。我国目前已经在以下方面实施了节水措施：①发展低压管道输水，“以管代渠”。这种输水技术比渠道输水节约水资源7％～30％。水的利用率高达95％，一般埋设在地下，减少占地，省时省工，便于大面积机器耕作。特别适合机灌地区。②发展渠系配套。我国提出“渠系配套”的思想虽然比较早，但长期以来重建设轻管理，渠道老化严重【11，灌溉水利用率较低，效果难令人满意，至今仍然是农业灌溉的薄弱环节。③发展渠道防渗。使用防渗技术可以使较大型的渠道灌溉区域的水利用系数提高0．2"--,0．4，减少渗漏损失50％"-'90％。④发展地面节水灌溉，通过平整土地、局部湿润、波涌灌、膜上灌等措施实现节水的灌溉方式。⑤发展喷灌。与明渠灌溉相比，喷灌可节水30％"--50％，粮食作物增产10％---'20％，蔬菜增产l～2倍。但喷灌喷洒容易受大风影响，高温环境下蒸发量大，投资高。目前喷灌技术在我国并没有得到大范围发展。⑥发展微灌。微灌是一种局部精准灌溉，水利用率最高，比地面灌溉节水50％'--60％，比喷灌节水15％～20％。虽然微灌技术有这么多的优点，但在我国发展并不是很理想，主要原因是费用昂贵，投资巨大。目前我国发展的微灌多用于水果、蔬菜和花卉等经济作物。⑦完善节水灌溉制度。根据农作物需水过程确定节水灌溉制度是指一种非工程性技术措施，投资少，见效快，适应面广。通过比较国内外节水灌溉模式，可以得出以下结论：①我国节水的关键在于农业节水。②节水灌溉技术必须要发展，而且要着重发展、大力发展。③节水灌溉的发展必将离不开政府的大力投入和监管。④科学灌溉不仅仅是修渠筑坝、平地加垄，它已经发展为汇集农学、土壤、机械、物理、化学、化工、生物、环境等学科的综合技术。⑤虽然建国以来我国发展了为数不少的大型灌溉区域，但是灌溉区的水利用率并不高，甚至不到全国的平均水平，所以如何实现大型灌区的节水将是考虑的重点。⑥我国农业用水占经济社会用水总量的62．1％，是第一用水大户，但是灌溉水利用系数并不高，距离发达国家的O．7～O．8还有很大差距【9】，节水空间较大。⑦我国节水灌溉控制系统发展缓慢，导致节水效果不明显。近年来国外节水灌溉相关研究已经深入到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合控制系统。⑧在灌溉总水量需求不断变大的情况下，需要大力发展农业节水灌溉，扩大农田有效灌溉面积，适应现代农业的发展。节水灌溉自动化技术从发展方向上可以分为灌溉设备的发展和灌溉控制系统的发展，灌溉设备的发展是灌溉控制系统发展的基础。灌溉控制系统不仅包括灌溉设备，还包括信息传输方式和自动控制系统方案。本节将从国内外灌溉设备和灌溉控制系统的发展进行比较。国外比较注重运用先进的电子技术、计算机控制技术到节水灌溉技术上，并且日趋成熟，发展阶段由早期的水利控制到机械控制，再到后来的机电混合协调式，至今发展为计算机控制、模糊控制和神经网络控制。(3)国外灌溉技术的发展①节水灌溉控制器的应用Eldar-Shany自控技术公司是以色列最大的农业计算机控制系统生产厂家，同时也是世界上主要的农业控制系统的生产厂家。该公司推出的Elgal-Agro大型农田灌溉控制系统、Elgal．2000温室控制器、GALCOMPACT型控制器、LINEARR．T．U线性远程控制单元、WIRELESSR．T．U无线远程控制单元等灌溉控制产品，已经得到广泛应用‘101。美国在1984年由Benami和Often开发出节水灌溉控制器，主要思想是通过土壤水分或湿度传感器把土壤信息反馈到控制系统，根据传感器数据来确定是否进行灌溉。1973年Phena等人、1984年Phena和Howell、以及1986年Phene分别在控制灌溉控制系统中使用了土壤湿度传感器【10】。1990年，Fangmeier等人成功将红外线热电偶引入自动化灌溉系统控制领域，并将热电偶与空气湿度计、土壤湿度传感器等敏感相互配合采集数据。在这套系统中，Fangmeier等人使用了自己的灌溉控制器，最终形成了一整套比较完善的自动化灌溉控制系纠11】。Phene等人于1992年利用计算作物蒸腾量来控制滴灌系统。1996年的Ismail和Alshooshan等人在灌溉控制反馈系统中应用电子张力计来测土壤湿度。此外，澳大利亚的HARDIEIRRGATION灌溉控制器也已经形成了多个系列，几十种型号的产品，颇具影响力。②人工智能在灌溉中的应用1990年Hawkins和Butt建立了一个专家系统，该系统综合了植物水力学、土壤学、灌溉知识和灌溉系统设计、灌溉系统分散控制、土地几何学等知识进行灌溉管理。1991年Mcclendon、1992年Uhrig等学者应用神经网络优化控制器输出，建立植物生长模型，通过不断训练神经网络来实现合理预测。1994年Xiangeta1．建立了灌溉模糊决策体系，1996年Clyma、Martin等人使用模糊规则估算信息，来控制灌溉系统。1997年Ribeiro和Yoder共同研发出实时模糊控制灌溉系统，使系统控制能够随气候和土壤湿度的变化而变化【101。③无线传感网络的发展促进节水灌溉领域的进步无线传感网络(WirelessSensorNetwork，WSN)起步于1996年，由美国UCLA大学的WilliamJKaiser教授向DARP提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。美国的商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。无线传感网络由拧个低功耗节点组成，每个节点都包含一个或多个传感器、处理器、存储器、电源和发送端。这些端点都具有一定的程序执行能力和计算能力，能够与其他节点进行通讯，适合大面积覆盖、低数据量交换区圳旺J。目前无线传感网络已经广泛应用于国防军事、环境监测预报、健康护理、智能家居【13,14l、建筑物结构监控、精细农业等众多领域。其中，在环境监控和精细农业方面应用最为广泛。(4)国内灌溉技术的发展由于受国民经济、农业节水灌溉意识不强以及传统用水观念的影响，我国在节水自动化方面的研究起步较晚，自动化灌溉设备短缺，关键设备大多依赖国#biJI进，综合管理水平相对较低。而且我国现有的比较先进的节水灌溉自动化系统基本都是在引进和消化外来技术的基础上形成的。①国内灌溉控制系统的发展现状目前国内在开发灌溉控制系统方面虽然取得了长足的进步，但开发经验不足，产品性能不够稳定，大量处于研制和试用阶段‘”1，距离大规模应用还有很多工作要做。其中相对成熟且比较有代表性的是2000型温室自动灌溉施肥系统，天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统。②国内无线传感器网络的发展与应用现状国内比较重视无线传感器网络的发展，其应用研究几乎与发达国家同步启动。2006年10月，中国计算机学会传感器网络专委会成立，标志着中国的WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。从2002年到2008年底，中国国家自然基金共支持114项WSN相关项目。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7个直接涉及无线传感网络。WSN在我国农业中的应用开始逐步发展，如杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测，效果显著。通过比较国内外节水灌溉技术的发展，可以得出以下结论：①未来的节水灌溉技术必将朝着信息化、系统化、综合性的系统发展。这种发展不仅存在于管路系统，还存在于控制系统。②未来的节水灌溉必将需要高科技的节水灌溉监控系统，通过不同系统网络之间的异构，实现大面积覆盖灌溉区域。③国外灌溉控制器虽然已经相当成熟，但由于价格昂贵，且不能适应我国复杂的自然、气候、土地资源、农村经济等情况，大多仅限于科研单位和高校引进，不适合大范围普及。④国内的灌溉控制系统的研发多为小规模进行，以实验和调试为主，研发投入不够，研发进展缓慢。⑤国外灌溉控制系统已经开始融合无线通讯、人工智能技术、模糊控制、神经网络等新技术。⑥如何快速发展适合中国广大农村灌溉环境的大型灌溉控制系统，显得尤为重要。⑦国内无线传感器网络的发展起步相对较早，得到了国家的大力扶持，而且国内各领域、各机构研究活跃。⑧无线领域将成为农业节水灌溉发展的方向。1．3国内外物联网的发展物联网，其英文名称是TheIntemetofThings，简称loT，最早由美国的麻省理工学院于1999年提出【161，当时是基于互联网、RFID(Radio-fi'equencyIdentification)技术、EPC(Engineer，Procure，Construct)标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造的全球物品信息实时共享的实物互联网(简称物联网)。物联网包含两层意思：一是物联网仍然以互联网作为核心和基础，是互联网的延伸和扩展：二是其用户端延伸到了任何物品之间，进行信息交换和通信【"】。据预测，物联网的发展分为四个阶段：2010年之前RFID广泛应用于物流、零售和制药领域，2015年之前实现物体互联，2020年之前实现物．物半智能化，2020年之后进入全智能化【18】。传感器网络、物联网和泛在网络之间的关系如图1．1所示：传感器网络是物联网的重要组成部分，泛在的传感器网络等同于物联网；物联网属于当前可实现的范畴，泛在网络属于物联网以及所有信息网络未来发展的理想状态和长期愿景。物联网的重点是提供服纠嘲，主要包括身份识别服务(Identity．RelatedService)、信息聚合服务(InformationAggregationService)、协同识别服务(Collaborative-AwareService)以及遍及服务(UbiquitousService)掣20】。物联网集成架构包括RFIDs、SmartObjects、SocialIntemetofThings三个层次。这个架构不仅仅集成了被动RFID标签服务和具有传感动作功能的智能对象，还扩展了社会服务，使loT从本地社区发展到国际，甚至全球社区【2l’221】2005年国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion，ITU)在其名为“物联网的年终报告中指出“利用RFID和互联网可以构建一个包含世界万物的网络，从而实现物品自动识别和物品信息的互联与共享”【231。国外对物联网的发展非常重视【24’251。欧盟于2007年成立了欧洲物联网研究项目组，以研发和推进物联网建设。巴西、英国、德国、印度、中国、韩国、马来西亚、俄罗斯、美国、法国、和日本等国家也已经积极行动起来，成立了标准化组织CSSAGRAS。美国IBM的“智慧地球”、欧盟的“物联网行动计划”、日本的“i-Japan计划”以及韩国的“ICT强国计划”相继提出。物联网应用领域包括五大类：运输及物流(TransportationandLogistics)、健康(Heathcare)、智能环境(SmartEnvironment)、个人与社会(PersonalandSocial)、未来(Futuristic)【26J。欧洲智能系统集成技术平台2009年提交的物联网研究发展报告中，将物联网的种类划分为18个大类，其中，“农业和养殖业物联网”是最重要的发展方向之一【27】。国内物联网发展阶段如下：2009年11月，无锡物联网产业研究院成立，为物联网技术的产业化奠定了坚实基础，是物联网在中国发展的一个重要标志。2010年6月，江南大学成立全国第一个物联网工程学院，为无锡市近200家企业提供物联网领域的技术研发和科研服务。2011年，工业和信息化部电信研究院同时发布了《中国移动互联网白皮书(2011)》和《中国物联网白皮书(2011)》，积极推动我国的互联网和物联网市场。2011年6月16日，“中国国际物联网大会暨展览会”在上海环球金融中心举行，会议得到了欧洲物联网委员会和全球AUTO．IDLABS的大力支持，吸引了来自政府机构、物联网相关研究机构、企事业单位、咨询机构、投资融资机构近500多名中外代表，大会旨在搭建交流平台，讨论行业发展动向，探讨物联网的市场化之路。2011年9月22日，“中国通信集成电路技术与应用研讨会暨物联网应用论坛”在江苏苏州举行，会议重点讨论了集成电路的发展，以及物联网对通信产业带来的机遇。2011年，世界ZigBee联盟在无锡举行研讨，就我国物联网产业的发展现状、核心技术及标准建设等做了深入研讨。2011年5月，全球规模最大的AIS岸基网络系统，全部264座基站与AIS国家数据中心成功实现互联互通，覆盖了我国99．97％的沿海水域和4大水系的内河航道，这标志着我国“水上物联网”已经构建成型。2011年6月9日物联网技术核心RFID国家工程中心落户南京三宝科技，旨在RFID芯片的自主研发、标签封装、数据管理(云计算)、行业标准制定、检测认证等研究。1．4节水灌溉控制系统发展趋势目前节水灌溉自动化技术正在向信息化、自动化、高效化方向发展。智能技术、计算机应用技术、气象数据检测技术陆续应用于农业灌区的信息管理和运行决策。与此同时，国外还十分重视灌溉用水管理软件的开发和应用，节水灌溉管理已经达到了信息化、自动化、多功能化的水平。目前，农业节水灌溉控制系统的发展趋势主要体现在以下三个方向【ll】：(1)基于电话网络拨号的有线