连九英1 许谦2
1 郑州天诚信息工程有限公司 河南郑州 450000
2郑州市财贸学校 河南郑州 450000
摘要：世界淡水资源日益紧缺，而人类对粮食的需求也不断上升，淡水资源已经成为农业发展和世界粮食供应的安全威胁。要破解耕地面积有限、淡水资源紧缺和世界粮食需求上涨之间的难题，发展节水灌溉成为关键。本文对基于物联网与云计算的灌溉控制系统的研究与应用进行论述，阐明了通过节水灌溉，提高了农作物灌溉保证率，能有效促进粮食增产增收，并实现节水、节地、节电、等效益。
关键词：基于物联网与云计算;灌溉控制系统;节水
1目前我国基于物联网云灌溉研究现状
在我国，农业是用水大户，农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的，也是节水潜力最大的领域。目前，农业节水灌溉的困难在于农田分布范围广泛，各种农作物的用水需求也不相同。使用大面积的沟渠灌溉技术，不仅浪费水资源，而且在农田利用上也造成很大的浪费。采用自动化控制的滴灌技术，可以根据各种农作物对水量的要求，以及土壤的水情合理配置各个供水设备运行情况。另外，通过自动化控制，可以将整个农场系统中的各种资源使用情况进行统计分析，使相关人员及时了解整个系统的相关资源信息，通过统计分析，进行合理使用，从而达到省水节能、省工省地的效果，以及发展节水农业的目的。?
随着深化农村土地制度改革，充分发挥市场机制在配置农村资源要素方面的决定性作用，推进城乡要素平等交换，增强农村发展活力，在农村广阔的土地上释放新的巨大红利，是当前工业化、城镇化和农业现代化发展背景下的大势所趋。农村规模化种植，农场式经营已成了传统农业向现代化农业转变的必经之路。而基于物联网的云灌溉系统为现代农业提供了技术保障。这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。
物联网云灌溉技术是指通过各种有线、无线、长距离、短距离的通信技术的应用，实现物品与物品之间，机器与机器之间，机器与人之间的信息与数据的交换，这就形成了当今科技领域最为关注的领域之一。其中，无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，它担负着极其重要的信息传递、交换和传输的重任。无线传感器网络技术目前是通信、计算机和自动化等领域一个新兴的研究热点，它能够可靠地、实时地采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息可通过有线或无线方式发送给远端数据消费系统。
所谓智能就是不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。而基于物联网的云灌溉控制系统就能够实现此功能。
2项目研究所解决的具体问题
2.1提高水资源利用率、节约水源
通过基于物联网的云灌溉系统可以实现根据作物需水要求，适时适量地灌水，用先进的科学技术手段对土壤墒情和灌区输配水系统的水情进行监测、数据采集和计算机处理，可以科学有效地控制土壤水分含量，进行合理调度，做到计划用水、优化配水，以达到既节水又增产的目的。同时，利用系统中的IC卡取用水管理器，可实现按成本收费、超计划用水加价等政策。要重视和加强节水管理，改变目前农业用水水价过低、不利于节水的状况，也为目前推行的农业水价改革提供了可靠的技术保障。
2.2实现云平台用水监测
随着人类文明的进步，社会的发展，人们越来越关注赖以生存的环境问题。防止环境污染、提高环境质量己成为当今社会的重要课题。水既是人类也是所有生物的生存之源。建立云平台用水监测网，根据监测的结果，除了可以针对性地采取顶防措施以外，还可以向用水户及社会发布灌溉区用水量信息的。因此增强用水户对供水单位的信任程度，对提高灌溉区水资源的利用效益将产生积极的影响。
2.3实现精准灌溉
基于物联网与云计算的灌溉控制系统中的智能物联网灌溉主控制器在管理各个子控制器的同时，能够采集作物生长环境数据，如墒情，降水，地下水，蒸发蒸腾量等主要作物生长环境参数，并将数据发送至云服务系统，系统根据不同作物不同生长期需水情况、气候因素、土壤类型自动确定灌溉时间和灌溉水量，系统辅助或自动控制阀门开关，实现精准灌溉。
2.4实现科学灌溉
除了用于补充土壤水分满足植物生长需要外，还可将肥料、农药溶解在水中，结合注肥泵等现代化的施肥装置进行施肥打药作业。还可避免土壤盐碱化，对已经出现盐碱化的土壤，可利用灌溉冲洗土壤中的可溶盐分，以改良土壤。此外科学灌溉方式还可起到预防果树蔬菜霜冻和预防干热风危害，以及防止土壤风蚀等作用。
2.5提供决策信息
灌溉区信息化建设的一个重要目的就是能够及时了解各个灌溉区的建设、改造和管理情况，以便相关部门制定相关政策和指导意见，促进灌溉区的发展，使灌溉区在农业生产中发挥更大作用。
3系统总体结构
基于物联网与云计算的灌溉控制系统主要包含云服务系统、首部控制和田间控制（本地控制）三个层次，在云服务系统实现现场灌溉情况的远程集中管理，用户可通过移动终端及PC终端对其自己园区的灌溉设备实现远程控制，并且在现地可以通过首部控制器实现单井自动控制和手动控制，若通信链路或上层设备出现异常，可以通过田间控制器对电磁阀直接手动控制，确保整个系统稳定可靠运行。
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网络层次图
4系统主要创新点
4.1 lora 低功耗数据长距离无线传输
LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。在本次项目中，子站通过一节锂电池供电，就能实现3公里范围内的无线通讯，并能在正常操作下，工作4-5年时间。
4.2双稳态电磁阀驱动
双稳态电磁阀采用先进的脉冲和永磁技术，只需通过控制器切换脉冲的电极触点来改变阀的开、关状态，当控制器发出电脉冲时，驱动磁芯带动阀瓣克服永磁力产生上下位移、阀瓣到位后永磁作用下处于自保持状态，不需要持续供电。响应迅速、使用简便、高效节能等优点。在本次项目中，通过子站对双稳态电磁阀驱动电路设计，实现了对双稳态电磁阀打开关闭的控制，以至于实现子控制板超低功耗的需求。
4.3自定义计划现场远程编辑
浇灌计划实现了现地和远程编辑，既保证了在现地操作的方便性，有保证了在远端能够随意的控制浇灌计划，或者通过大数据模型计算出精准浇灌计划。
4.4智能精准灌溉
主站在管理各个子站节点的同时，能够采集作物生长环境数据，如墒情，降水，地下水，蒸发蒸腾量等主要作物生长环境参数，并将数据发送至云服务系统，系统根据不同作物不同生长期需水情况、气候因素、土壤类型自动确定灌溉时间和灌溉水量，系统辅助或自动控制阀门开关，实现精准灌溉。
4.5智能安全处理机制
双计时开阀保护：浇灌计时在主站和子站同时计时，避免了在打开电磁阀后，通讯出现问题，而导致电磁阀无法关闭的问题，使得电磁阀的开启关闭更加安全，不会产生浪费水资源的问题。
降水浇灌保护：在主站或区域性气象站监测到降雨后，立即采取取消灌溉计划处理，保证在降雨时，不浪费水资源
水泵工作安全：在水泵工作时，主站会实时监测水泵运行的电流电压情况，出现异常，则立即采取关闭水泵处理。
管道压力安全：在浇灌过程中，实时监测管道压力情况，一旦出现压力问题，立即关闭电磁阀，防止因管道破裂等产生的水资源浪费情况。
5社会、经济和环境等效益分析
物联网云灌溉平台的使用，与大田漫灌相比，可提高灌溉水 60%左右利用率，作物水分生产效率达到 1.5-1.7kg/m3。在取得显著节水、增产、节能效益的同时，还能明显增加了农民收入，有效缓解了因地下水超采、土壤盐碱化、农田面源污染所带来的环境负效应问题，从而使系统建设区域内的经济、社会和环境效益得到明显提高。
5.1经济效益
通过实施土壤水利用综合配套技术，可以使原来无收益的部分土壤水资源转化为有效益的土壤水，进而达到减少灌水量，节约用电量或减少能耗。
5.2社会效益
通过建立土壤墒情远程自动监测与物联网云灌溉系统，将增强土壤水作为水资源的客观性，加强人们对土壤水分研究的认识； 随着土壤水资源充分的开发利用和农业生产的全面发展，向系统外输出农产品能力将与年剧增，商品率逐年提高，从而将加快旱作农业区国土整治和高效农业建设模式的推广，为农业资源高效利用奠定基础。
5.3环境效益
土壤水资源是可再生资源，有效利用土壤水是合理有效利用有限水资源的关键，通过实施云灌溉自动控制技术，可以使作物的生长势和覆盖度一年好似一年，放氧量逐年增加，净化空气的能力与年剧增，水土流失明显减轻，光能利用率明显提高；在土壤水资源环境容量内实现农业的可持续发展，改善农业生态环境，逐步缩小农业生态系统物质流通量的收支逆差。
通过灌溉区水量测控，提高用水效率，增加配水的均匀性和及时性，从而提高农民的收入，促进社会稳定。同时通过节约用水，将节余的水转向工业和城市居民生活用水等部门，提高灌溉区的经济收入，实现灌溉区的经济自立，稳定水利职工队伍，促进灌溉区管理水平的进一步提高。灌溉区信息化系统的建设与应用，可有效地减少用水调度管理的随意性，减少用水户的水事纠纷，增加了量水的公正性，配水的均匀性，水费的透明性，使灌溉区整体效益提高。无论是从保障人民生存的基本权力，还是从社会稳定，提高农民收入来讲，信息化管理必将极大的提高灌溉管理水平，提高水的利用效率，提高粮食单产和总产和作物的品质，将有利于促进农业农村经济的发展和“三农”产业链的形成。
科学调配，节约用水，实施灌溉区管理信息化调度系统，是灌溉区实现动态计划用水，科学调配，提高经济效益的重要途径。通过对农作物实施生长监测，以及对农作物生长状况和田间墒情情况进行科学的分析和预报，在实现设计灌溉面积、提高灌溉管理水平的情况下，灌溉区每年节约农业用水向高价值用途转移，具有巨大的经济效益。该系统除了在水利、农业灌溉推广应用，还可适用于园林绿化、生态造林、高尔夫球场等用水场所进行推广应用该项目具有很好的市场推广应用前景。