余姚市水利电力建筑勘测设计院 浙江省余姚市 315400
摘要：节水灌溉技术发展比较好的是地区是美国、以色列、澳大利亚、印度等国家，这些国家积极推进农业节水体系建立，根据水资源的地区分配，大力推广滴灌、喷灌和地面节水灌溉技术，其水资源利用率高达７０％。相对于一些发达国家，我国部分地方正在大力推广节水灌溉技术。智能化半变量节水管理系统在中国科学院栾城农业生态系统实验站建成，成为地方高新技术与成果示范交流的基地。
关键词：LoRa；智能灌溉监控系统；灌区应用
我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的１／４，被联合国列为１３个贫水国家之一。每年农业用水占全国用水总量的６０％以上，其中用于灌溉方面的用水量超过９０％。水资源严重短缺、浪费，地区分布不均衡以及灌溉自动化水平较低的现状严重制约着我国农业的发展，因此提高灌溉效率，发展节水灌溉农业，实现灌溉智能化显得尤为重要。
一、系统工作原理
农田灌溉作为整体农业灌溉的执行环节，其基于物联网的远程智能控制尤为重要，通过土壤墒情的数据自动监测采集，对土壤墒情的适宜度进行分析，从旱情预测与调控角度进行水资源规划与调度，同时从精准灌溉决策与预测方面展开基于物联网灌溉的远程智能控制，最终实现农业一体化灌溉决策与控制。物联网的应用原理即为通过物与物的沟通、信息的共享与传输来实现智能灌溉。根据农业物联网的应用机理，从物联网平台控制中心进行授权至农业用户端，经一系列的运行控制算法及程序与物联网的服务模块进行信息连通。各接口、管理与服务由服务模块完成，调控则由控制平台执行。根据该机理，农业智能灌溉系统核心设备组件列表，从墒情采集、灌溉控制、控制执行三大设备组件根据范围特点进行分配监测方式和控制参数选择。
二、基于LoRa的智能灌溉监控系统在灌区中的应用
1.网络架构。网络架构，采用典型的星型网络拓扑结构，主要包括终端、网关、云服务器以及应用服务。终端包括各种温度、湿度、光照等传感器，完成对相应数据的采集，并通过LoRa扩频技术传输。同时，接收上一级设备的命令信息，进行灌溉作业。网关负责终端设备上行数据的接收和下行数据的发送，并通过ＴＣＰ／ＩＰ协议与云服务器通讯。网关融合了速度自适应调整，根据网关与节点的距离，自动调节数据传输速率。当距离比较近时，终端节点将采用较高传输速率，反之，传输速率降低，有效提高了网络吞吐量。云服务器实现对采集数据和操作命令信息的处理，存储，加密以及发布，与传统的服务器相比较，具有集约化程度高，资源配置速度快，容量无限大以及对用户端的设备要求低等优势。应用服务主要通过各种设备，比如手机，平板或者ＰＣ等利用蜂窝数据或者以太网从云服务器获取数据。拥有管理员权限，还可以对指定终端进行远程操作，方便高效。终端设备分类，根据终端设备与网关之间通讯模式的不同，终端节点每次发送一个上行信号后，按照一定时间间隔定期开放两个下行接收窗口。接收窗口的时间长短可以根据数据量的大小进行调整，所以功耗最低。只有终端发送上行信号，网关才能进行下行数据传输。应用最为广泛。具有预设接收槽的双向通讯终端设备：工作模式类似，不同之处在于终端设备开放多余的接收窗口，同时通过信号与网关保持时间同步。传输模式分类，主要分为透明广播模式和定向传输模式。定向传输模式指的是发送模块在发送的数据前面需要增加“目标地址＋目标信道”，接收方收到的是数据。
2.系统硬件配置。进行物联网技术下的农业智能灌溉系统硬件电路设计。在田间设置控制装置STM，通过供电系统提供电源及复位功能，GSM/GPＲS和以太网相互配合实现智能灌溉信息的通讯。核心控制装置由电磁阀、变频器及各传感器装置组成，与STM连通的土壤湿度传感装置将信号经处理与收发后一并汇入田间智能控制执行装置，完成一轮的智能灌溉控制与调节。针对智能灌溉系统中心处理环节的控制算法进行选择，经对比可知:为获取误差及误差变化率更为接近土壤实际，物联网智能灌溉系统核心控制算法流程。同时，将实时土壤湿度(即土壤含水率)与设定的需要打开灌溉装置的最佳土壤湿度目标点进行转换计算，以进一步对田间的灌溉设备实现物联网控制。节水灌溉智能监控系统的主要功能有信息监测、指令控制、数据传输、软件系统平台决策4个方面。通过在监测点安装精准计量设备及电动阀门远程控制系统，对田间出水口信息、电动阀门信息和管道流量等信息进行监测。将监测点采集的信息通过数字化的方式上传至灌区信息中心，接收上级指令，信息中心通过将数字化信息转化为物理控制指令来控制目标。智能计量设备通过LoＲa采集节点将用户用水记录数据传至LoＲa基站网关，网关通过Mesh路由器直接上报灌区信息中心管理平台。灌区信息中心管理平台收集管理决策所需要的所有数据，通过软件分析处理，产生决策结果，提高配水调度的准确性和可靠性，实现水资源高效利用。
3.软件设计。软件平台有B/S系统和C/S系统两部分。B/S系统平台的主要功能是查询用水信息和编辑设备的基础信息，实现数据接收、查询、审核、上报功能，为水资源总量控制、限额管理、超额收费和农业水价综合改革提供基础数据;C/S系统平台的主要功能是录入用户基础信息，为用户开卡和充值。监控系统的总体结构(1)数据采集。包括灌区监测站点的阀门运行状态、出水口流量信息等。(2)远程控制。通过数据远传模块和控制系统可远程控制电动阀门开关。(3)用户开卡、充值。可对用水户进行开卡、充值，用户持已充值IC卡到田间出水口处进行刷卡取水。(4)报警。当灌溉系统出现故障时，如出水口流量异常、阀门异常等，进行提示并报警。(5)数据处理。系统可对相关数据进行查询、存储、统计和上报，并打印报表，包括电动阀门开启次数和时间、通过电动阀门的流量、系统故障次数和系统使用率等。参照灌溉经验和节水灌溉技术规范，最末一级计量设施控制灌溉面积应满足在一个灌水延续时间内完成全部控制灌溉面积的灌溉过程，一个监测点可控制灌溉面积为10～13hm2。该灌区总灌溉面积为947hm2，因此本次试验共布设82个监测点，实现灌区精准计量到户，同时满足在一个灌溉周期内完成1次灌溉。系统运行时，各测点将采集到的数据通过LoＲa网络传回监控中心，监控中心具有相关数据信息的存储、查询、统计等功能。试验结果表明，该系统具有远距离传输、抗干扰能力强和高灵敏度等特点，结合农业水价改革，可达到节水灌溉与灌区实时监控的目的，提高了灌区工作效率和管理水平，并且使灌区自动化程度提高。
对农业智能灌溉系统的应用进行分析，结合农业物联网核心控制技术，建立了智能灌溉控制，并从硬件电路和软件控制角度进行设计。监控中心对相关数据信息进行存储、查询、统计等，收集管理决策所需要的所有数据，通过各类软件分析处理，产生决策结果。
参考文献
[1]王娜，刘桂阳，曹红军，等.寒地水稻智能化循环节水灌溉系统的设计[J].农机化研究，2018，38(12):30－33.
[2]许海洋，王萍.高可靠性智能灌溉系统的形式化验证方法[J].农机化研究，2018，37(5):62－65.
[3]余国雄，王卫星，谢家兴，等.基于物联网的荔枝园信息获取与智能灌溉专家决策系统[J].农业工程学报，2018(20):144－152.