1 引言
水是農業的命脈,也是整個國民經濟和人類生活的命脈。水資源狀況和利用水平已成為評價一個國家一個地區經濟能否持續發展的重要指標。我國是一個水資源相對貧乏的國家,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2.8萬億m³,人均占有水量僅2300m³,只相當于世界人均水平的1/4,居世界第109位,是世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一;耕地水資源占有量28500 m3/hm²,為世界平均數的4/5。

2 農業用水現狀及節水灌溉發展趨勢
從全國對水資源量總的需求來看,在出現中等干旱的情況下,全國總需水量為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準污水直灌等不合理供水因素,則全國實際缺水量在300～400億m³之間。農業是我國的用水大戶,約占全國總用水量的73%,但有效性很差,水資源浪費十分嚴重,渠灌區水的有效利用率只有40%左右,井灌區也只有60%左右,每m³水生產糧食不足1kg。而一些發達國家水的有效利用率可達80%以上,每m³水生產糧食大體都在2kg以上,其中以色列已達2.32kg。由此說明,我國各種節水農業技術的綜合應用程度還十分低下,與發達國家相比還存在著很大的差距。
目前,比較有發展潛力的節水灌溉新技術是:一是與生物技術相結合的作物調控灌溉技術。是從作物生理角度出發,在一定時期主動施加一定程度有益的虧水度,使作物經歷有益的虧水鍛煉,改善品質,控制上部旺長,實現矮化密植,到達節水增產的目的。二是應用3S技術的精細灌溉技術。就是運用全球衛星定位系統(GPS)和地理信息系統(GIS),遙感技術(RS)和計算機控制系統,實時獲取農用小區作物生長實際需求的信息,通過信息處理與分析,按需給作物進行施水的技術,可以最大限度提高水資源的利用率和土地的產業率。這是農田灌溉學科發展的熱點和農業新技術革命的重要內容。 三是智能化節水灌溉裝備技術。就是把生物學、自動控制、微電子、人工智能、信息科學等高新技術集成節水灌溉機械與設備,實時地檢測土壤和作物的水分,按照作物不同的需水要求來實施變量施水,達到最優的節水增產效果。
本文所設計的基于物聯網技術的農田節水灌溉系統是將上述的三者進行有機的結合,在此基礎上運用物聯網技術,從而實現全自動化與信息化的節水灌溉系統。

3 系統結構設計
農田節水灌溉系統由土壤水分傳感器、物聯網終端采集單元、噴灌機控制終端、遠程監控計算機系統組成。如圖1所示。傳感器埋入土壤中,直接獲取地表下0～100cm各個深度處的土壤水分信息,并將其轉化為0～5V模擬電壓信號。物聯網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網絡模式將土壤水分信息傳遞給安裝于監控中心的監控計算機。在一個農田節水灌溉監控系統中,根據需要,物聯網終端采集單元可以有多個,每個采集終端可以作為一個土壤墑情固定監測站,分布在區域內不同的特征點處進行土壤水分信息采集。監控中心計算機循環接收各個采集終端發送的土壤墑情信息,監控計算機將接收到的數據與數據庫中的農作物需水量進行分析、比對,從而形成最佳灌溉方案,然后由監控計算機將灌溉命令下發到噴灌機控制終端,噴灌機控制終端直接控制噴灌機以及深井泵等設備進行灌溉作業。系統結構圖如圖1所示。

4 系統功能特點
(1) 系統管理,該部分對系統所有的數據表進行結構定義和維護;并對維持系統正常運行的帳戶、權限、界面、系統運行參數、文件類別和屬性等信息進行管理和維護;定義特定領域的知識規范。
(2) 噴灌機控制,根據土壤墑情信息,系統制定灌溉方案,通過GPRS網絡遠程控制噴灌機,實現全自動灌溉。
(3) 數據的查詢檢索功能,具有多種形式和途徑的查詢檢索功能,并以圖件、表格或其他形式輸出查詢結果。查詢方式包括點位查詢、空間查詢和邏輯條件組合查詢。
(4) 數據采集單元自動定位,終端數據采集根據放置地點自動將經緯度數據發送至監控中心計算機,中心計算機在操作界面上自動確定并顯示數據采集單元的布設地點。
(5) 數據分析功能,針對不同屬性進行不同區段的分析,結果以專題圖形式提供,可供打印輸出。

5 上位機軟件結構
監控中心主要由網絡服務器和土壤墑情數據處理計算機構成,具有Intemet公網固定IP,其功能是進行數據的實時接收、處理和顯示。監控中心計算機軟件采用亞控組態王作為開發平臺。通過對組態王的二次開發,中心計算機可以實時采集數據并顯示,形成數據庫、報表,供灌溉預報及決策使用,依據監測數據計算灌水時間與灌水量,將監測與計算結果用圖表、曲線顯示或打印輸出[1]。系統設計將從簡潔易用的角度出發,其主要操作界面如圖2所示。

6 物聯網采集單元的設計
物聯網采集單元的設計為本系統的終端采集單元,由于在農田灌溉上檢測范圍比較大,數量多、布點不固定并只在農耕季節使用等特點考慮,采集終端需要設計成可靈活移動、易于安裝的方式,其次在每一個采集終端上安裝GPS定位模塊,使發送到監控中心計算機上的數據帶有地理位置下標,中心計算機根據上傳的數據的地理位置下標來確定采集點具體地理位置,從而實現準確的數據采集。另外,由于數據采集單元放置在農田里,采用“太陽能電池板+蓄電池”的形式為采集單元供電。