Article
Web-Based System for the Remote Monitoring and Management of Precision Irrigation: A Case Study in an Arid Region of Argentina
Flavio Capraro 1,*, Santiago Tosetti 1, Francisco Rossomando 1, Vicente Mut 1
and Facundo Vita Serman 2
- Instituto de Automaacute;tica (INAUT), UNSJ–CONICET, Av. Lib. Gral. San Martiacute;n 1109 (oeste),
San Juan J5400ARL, Argentina; stosetti@inaut.unsj.edu.ar (S.T.); frosoma@inaut.unsj.edu.ar (F.R.); vmut@inaut.unsj.edu.ar (V.M.)
- Instituto Nacional de Tecnologiacute;a Agropecuaria (INTA), E.E.A. San Juan. Ing. Marcos Zalazar (Calle 11) y
Vidart, Pocito, San Juan J5429XAB, Argentina; vita.facundo@inta.gob.ar
* Correspondence: fcapraro@inaut.unsj.edu.ar; Tel.: 54-264-421-3303 (ext. 110)
Received: 3 July 2018; Accepted: 30 October 2018; Published: 9 November 2018
Abstract: This article presents a description of the design, development, and implementation of web-based software and dedicated hardware which allows for the remote monitoring and control of a drip irrigation system. The hardware consists of in-field stations which are strategically distributed in the field and equipped with different sensors and communication devices; a weather station and drip irrigation system complete the setup. The web-based software makes it possible to remotely access and process the information gathered by all the stations and the irrigation controller. The proposed system was implemented in a young olive orchard, located in the province of San Juan, an arid region of Argentina. The system was installed and evaluated during the seasons 2014–2015 and 2015–2016. Four regulated irrigation strategies were proposed in the olive orchard to test its behavior. In this pilot experiment, the precision irrigation system was a useful tool for precisely managing the irrigation process, applying only the required amount of water (precise irrigation). Regulated deficit irrigation experiments, on the other hand, have demonstrated the sensitivity of olives to water restriction. The precision irrigation system made it possible to control soil moisture levels, avoiding water stress in the control treatment.
Keywords: remote monitoring; precision irrigation; automatic control; soil moisture; drip irrigation; sensors
Introduction
Over the last two decades, agriculture systems have benefited from the incorporation of technological advances developed for other industries, such as GPS, communication systems, and imaging systems [1]. Traditional agriculture was initially enhanced by the introduction of machines and the use of synthesized fertilizers [2]. Later on, advances came from genetics and the automation of agricultural processes. Recently, the age of communications and information technologies (IT) has allowed for the integration of new devices, methods, and procedures to develop precision agriculture (PA) [3]. Nowadays, the use of sensors, intelligent actuators, onboard computers, communication systems, information processing, remote control and monitoring, and global positioning systems (GPS) is becoming a must in modern agriculture.
In the context of PA, temporal and spatial soil factors and crop development are relevant topics that are widely documented in the literature [4–6]. Before the introduction of agricultural machines, production units used to be small, and producers were able to manually accomplish the different tasks
Sensors 2018, 18, 3847; doi:10.3390/s18113847 www.mdpi.com/journal/sensors
related to the crops. However, with the intensive use of machines, the size of the production units increased, and the analysis and interpretation of field data became difficult without the use of new technologies [7].
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- Precision Agriculture in Argentina
In Argentina, the inclusion of new technologies in agricultural processes has been more noticeable in extensive agriculture (e.g., soybeans, corn, wheat, and sunflower), where computer-guided machinery, automated planting, and selective fertilization, among others technologies, have been applied [8].
However, in the region of the Andean Valleys, and particularly in the provinces of San Juan, Mendoza, La Rioja, and Catamarca (an area with a desert and semi-desert climate), new technologies are still required to meet the needs of the local crops [9,10], which in this area are mostly oriented to fruits trees (olives and vineyards) and vegetables (tomato, onions, and garlic, among others). In these provinces, technologies related to irrigation management and the determination of crop water requirements are critical.
Water use efficiency and availability are critical factors in this region. A low rainfall level, ranging from 87 mm per year in the province of San Juan (Tulum
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基于物联网的远程滴灌监测管理系统：干旱地区
摘要：介绍了一种基于网络的远程滴灌系统软件和专用硬件的设计、开发和实现。硬件由现场站组成，现场站在战略上分布，并配备不同的传感器和通信设备完成设置。基于网络的软件使远程处理站点和灌溉控制器收集的信息成为可能。该系统是在位于阿根廷干旱地区圣胡安省的一个橄榄园实施的。该系统在2014-2015年和2015-2016年安装和评估。为检验橄榄园的灌溉效果，设计了四种调节灌溉策略。在这项试验中滴灌系统是管理灌溉过程的一个工具。滴灌系统使控制土壤水分含量成为可能。
关键词：远程监测；自动控制；土壤水分；滴灌；传感器
1、引言
在过去20年中，农业系统得益于技术进步与发展。传统农业最初是通过引进机器和使用合成肥料来优化。后来，遗传学和农业过程自动化取得了进展。最近，通信和信息技术的时代允许集成新的设备、方法和程序来发展精确农业。如今，传感器、智能执行器、车载计算机、通信系统、信息处理、远程控制和监测以及全球定位系统的使用已成为现代农业的一个必要条件。
时间和空间土壤因素和作物发展是文献中广泛记载的相关主题。在引进农业机械之前，生产规模曾经很小，生产商可以手工完成不同的任务。然而，随着机器的密集使用，生产装置的规模增加，如果不使用新技术，现场数据的解析会很困难。
1.1阿根廷农业
将新技术纳入阿根廷的农业生产过程更加引人注目，在这些农业中，计算机引导机械、自动种植和选择性施肥等技术得到了应用。
然而，在安第斯山谷地区，特别是在圣胡安、门多萨、拉里奥贾和卡塔马卡，仍然需要新技术来满足当地作物的需求，该地区主要种植水果树植物。在这些省份，与灌溉管理和确定作物需水量有关的技术至关重要。
水资源利用效率和利用率是该地区的关键因素。这一地区的降雨量很低，从圣胡安省的每年87毫米到首都拉里奥加的每年415毫米不等。虽然环境相对湿度通常很低，但降水集中在11月至3月期间。高平均温度和低平均相对湿度导致高参考蒸散量，圣胡安山谷的年消耗量高达1500 mm，需要选择种植适应这种气候的作物类型。而大多数橄榄树品种都能很好地适应低含水量。
这个地区的水来自高山冰的融化，积聚在水坝和地下层。然后，它从深层地下水位获得，并通过灌溉系统分布，因此需要监测用水和控制灌溉设备以实现有效的灌溉计划的重要性。
除了该地区的气候特征外，人口增长和其他生产活动的发展等其他因素也导致了灌溉用水短缺，这正成为水果和园艺活动发展的最限制因素。出于这些原因，农民需要监测和优化水、肥料和电能使用的技术。
1.2.传统灌溉和滴灌
灌溉过程被定义为“为植物生长提供必需的水而对土壤进行人工用水”有三个目标：（1）补偿土壤中的水分不足；（2）改善土壤和作物的环境条件；（3）施用营养素和植物保护剂。
灌溉需要适当的时间安排才能有效。灌溉调度是一套技术程序，用于决定何时和多少水应用于特定作物或灌溉区。第一个问题涉及到确定灌溉频率，即两次连续供水开始之间的时间。第二个问题需要解决每个灌溉事件中所用水量的问题。一般来说，灌溉调度是基于作物需水量，根据参考蒸散量计算和作物系数得出。土壤含水量或植物水分状况的测量提供了定义有效灌溉计划的额外信息。
在传统的灌溉管理中，农民仍然采用“均匀灌溉”的概念，即在不考虑空间因素的情况下，将水均匀地施加于农田的每一部分。土壤性质和作物需水量的不同，导致部分农田过度灌溉，而其他部分农田灌溉不足。另一方面，精准灌溉提出设计灌溉系统，以实现“差异化灌溉单元”，同时考虑到土壤空间变化、不同物候要求、不同灌溉方式以及该地区的水资源可用性等。
精准灌溉是指“准确、准确地应用水，以满足各个管理单位或工厂的具体要求，并将不利环境影响降至最低”。
该概念从控制系统的角度提出了一种新的灌溉管理方法。通过以下方式优化作物产量：系统收集数据；分析来自天气、土壤和作物的信息；高效灌溉管理及其实施技术的使用；在线故障检测；土壤-水-植物系统建模；以及不同控制技术的应用。PI的概念可以概括为“一个知道该做什么、知道如何做、知道它做了什么、从它做了什么学习的灌溉系统”。
1.3.当地情况和目标
在阿根廷的干旱地区，由于人口和工业不断增长，争夺氢化物资源，在未来的水资源稀缺情况下，可持续农业的发展至关重要。可以通过将其他技术纳入农业来最大。在这种模式下，农民们正在用现代的加压灌溉系统取代传统的灌溉方法，以便仅将水用于作物的根区。新技术的使用应与仔细的灌溉计划相补充。
对当地橄榄生产商实践的回顾表明，大多数安装的加压灌溉系统都是手动控制的。也就是说，灌溉调度通常是由农民根据历史经验估算需求，或者最好是根据该地区农业气象站提供的数据计算当前消耗量。在广大地区，灌溉系统的性能难以通过目视检查来评价。根据出现的问题，任何故障或问题可能需要几天的时间来检测和解决。
在最近的工作中，将新技术集成到传感器网络和现场测量站已被证明对灌溉管理非常有用，将监测和控制任务结合起来以优化用水。
本文介绍了一种精密灌溉系统的开发与实现。该系统由基于网络的软件组成，用户可以从专门设计用于现场安装的不同测量站获取信息，并根据需要控制灌溉设备和灌溉区。该系统可与任何灌溉技术、作物类型和生产规模配套使用。
该系统旨在为远离果园的农学家、生产者、顾问和所有者提供有关作物、天气和灌溉系统变量的实时信息，以改进决策过程，减轻天气影响，或尝试不同的灌溉处理，尽管该系统的设计考虑了该地区的气候条件，但世界上还有其他地方需要对气候或经济条件进行精确监测，以及灌溉过程的控制。
气候变化正在改变世界各地的降雨状况，那些不需要灌溉的地方现在需要补充灌溉。在这种情况下，生产商可能需要控制和监测灌溉过程，因为与能源和水费有关的成本很高。另一方面，在缺水地区，水通常是最有限的资源。在这种情况下，将单位水的回报最大化似乎是自然的，而不是将单位土地的回报最大化。
在补充灌溉地区和充分灌溉地区应用灌溉监测和控制技术，可以显著提高水生产力。据作者所知，该地区没有安装类似于本文所述的系统。虽然在西班牙、以色列和澳大利亚安装了与所示系统相似的系统，但大多数系统都基于中心支点或带喷水装置的线性系统，一般来说，它们只控制灌溉。近年来，一些商业系统已经上市，但对于中小型农民来说价格昂贵，并且作为封闭式解决方案出售。此外，由于专有的硬件和软件，支持和维护也很复杂。本文所介绍的系统是用标准工业级部件设计的，这就是为什么它是本地生产商的一种新的技术工具。
2.材料和方法
2.1.开发的精密灌溉系统说明
精密灌溉系统是自动化研究所的作者开发的一种工具，它结合了基于网络的软件以及不同传感器、执行器和通信设备的排列。所有组件共同工作，收集、处理和向本地和远程用户展示与灌溉过程性能相关的所有信息。
该软件允许实时监测不同变量，如不同深度的土壤湿度、天气变量、主灌溉管道中的压力和流量、阀门和泵状态。传感器安装在测量站，位于果园和灌溉设备的特定位置。该系统的使用允许通过调整作为土壤湿度等函数应用的水量，对每个灌溉单元进行精确灌溉。
2.1.1.现场设备
本地服务器是个人计算机，也可以是用户终端，在那里灌溉系统和变量可以被监控。
本地服务器运行一个程序，可以从几个测量站、自动气象站和安装在灌溉站的控制器系统收集信息。然后，信息被处理并存储在本地数据库中。如有必要，用户可以本地访问原始数据或图形形式的信息。
系统的配置使所有站每十分钟进行一次测量。所有测站的测量值都同步并存储在本地。系统每小时将信息从所有站点下载到服务器。用户可以配置此进程的频率。
这些任务不需要很高的计算要求，但有必要使用一台强大的PC机和一个不间断电源系统来保证连续的服务。
本地服务器有四个通信链路，每个链路都有特定用途：
bull;通过互联网连接，可以将数据传输到Web服务器。此连接也用于远程访问系统。
bull;Wi-Fi网络将安装在灌溉系统的可编程控制器与服务器PC连接起来，并允许使用平板电脑或智能手机等移动设备本地连接到服务器。
bull;无线电调制解调器设备，470兆赫，用于与测量站和气象站通信。
bull;移动电话连接允许系统发送带有警报的文本消息或与系统功能相关的其他信息。如果网络连接失败，此系统将作为访问服务器PC上信息的辅助链接。
现场站由数据记录器、无线数据传输用无线电设备、电源和传感器组成。
滴管系统中使用的数据记录器由美国国立圣胡安大学自动化研究所的作者设计和开发。该设备基于一个低功耗微控制器单元。数据记录器定期读取连接到设备的传感器的值，分析工作站中的故障，处理来自传感器的信息，控制通信节点，并将存储在内存中的信息发送到服务器。
每个现场站都配备有通信模块，允许测量站成为无线数据网络的一部分，以便同一网络上的节点和PC服务器可以相互通信。覆盖节点之间的长距离，减轻信号衰减的影响。
由于植物在橄榄树等水果作中更为明显，应使用低频波段的无线网络。
测量站有四个土壤湿度传感器、一个环境相对湿度和温度传感器和一个安装在灌溉侧的压力传感器。电容式土壤湿度传感器是Decagon，型号EC-5。
在以往试验的基础上，在不同深度安装了土壤水分传感器。一个安装在最高根密度处，以评估土壤含水量的动态变化。另外两个传感器安装得更深，但仍在根部区域内；最后，在根部区域下方再安装一个传感器，以检测是否漏水或是否存在地下水位。环境空气湿度和温度传感器安装在0.5 m和1.50 m处，以测量热梯度并评估霜冻或高温的影响。这些传感器还可以计算局部热量总和。压力传感器插入灌溉管路中，以监测管路压力。
每个现场站都由一个10W太阳能电池板、一个电压调节器和一个4Ah可充电密封铅酸电池，可提供大约四个月的电力。
气象站配备有环境温度和相对湿度、太阳辐射、紫外线传感器、大气压力、风速和风向以及雨量传感器。无线通信模块将站点连接到服务器以传输气象变量。太阳能电池板电力系统完成了安装。气象站的位置和安装应符合现场准备和传感器放置的要求。利用Penman-Monteith方程估算每小时参考作物蒸散量。
在灌溉站中，主要控制元件是可编程逻辑控制器。PLC负责根据用户定义的时间表控制灌溉。PLC控制每个灌溉机组的水泵和副主阀。同时，PLC测量主灌溉管道中的压力和流量、过滤系统中的压力、电力消耗、灌溉管道中的肥料量以及泵和灌溉阀的状态（开/关）。所有这些信息都使用PLC的端口和Wi-Fi路由器发送到服务器PC。还安装了一个2000瓦的不间断电源以保护系统。
2.1.2.Web服务
Web服务由托管服务提供；它充当备份，允许远程用户快速访问。用户可以找到有关灌溉过程或天气的所有信息。应提供用户名和密码以访问每个生产现场或果园的特定信息。
2.1.3.客户端和远程用户
客户机和远程用户（图1中用橙色标记）可以从果园外的任何点访问信息。任何通过Web浏览器连接到网络的设备都应该能够连接到系统。远程用户是远离果园的种植者或管理者，需要控制灌溉设备并监控作物的变量。
2.1.4.外部终端主管
外部终端主管起着至关重要的作用。主管可以在Web服务器中可视化一个或多个果园的状态。主管可以是灌溉专家、农学家、农业咨询师、现场经理，甚至由不同专家组成的工作组。
2.2.基于Web的软件
开发了一个Web应用程序以确保对信息的安全和实时访问。
系统的后端在PHP超文本预处理器中编程。另一方面，与用户交互的前端在javascrip中编程以生成动态HTML。使用MySQL中的数据库存储和管理数据。
如上所述，系统有多个服务器。本地服务器连接到本地区域网络，该网络处理来自现场工作站的数据。可以通过Web浏览器访问此服务器上的信息。由于系统的一个主要特性是可以从不同的地方访问信息，因此在实现过程中面临的一个挑战是选择在本地服务器和远程或外部服务器之间同步信息的最佳选项。从这个意义上说，一个限制因素是在安装系统的位置没有一个好的互联网服务。在这种情况下，使用一个GPRS调制解调器来同步服务器。
python被用来编程本地和远程服务器之间的接口。本地服务器上也使用该语言处理来自气象站、测量站和灌溉站的信息。
Web服务器上的信息每10分钟同步一次，但与灌溉系统操作相关的信息除外，灌溉系统操作的更新频率更高，介于3秒和10秒之间，具体取决于互联网连接速度。
一旦用户登录到系统，PIsys信息将以水平选项卡式图形用户界面的形式显示，其中有七个不同的选项卡，以允许在不同的信息和配置页面中导航。
摘要选项卡是显示的第一个选项卡。此选项卡显示每个测量站的主要变量和参数。此选项卡还包含与灌溉系统操作和测量站状态相关的不同警报和消息。这样，整个流程的一般状态将一目了然地呈现给用户。语言可以在英语和西班牙语之间切换。
灌溉系统选项卡允许用户监视和控制灌溉系统。介绍了过滤器前后的压力测量、主管道内的流量测量以及灌溉泵和阀门的状态测量。在该区域，还可以设置自动执行的灌溉调度，选择肥料用量，并编程过滤器反洗。手动操作系统的按钮也可以在这里找到。
georeference选项卡的内容显示从该场的航空照片上投影的双鱼座获得的信息。可以激活不同的信息层（浇水轮班、每个田间站的位置、土壤类型分布）。在该屏幕中，当鼠标经过地图中的位置点时，也可以看到从站点获取的最后一个值。
在灌溉监视器选项卡中，有两个与灌溉相关的图形可用。在选项卡顶部，条形图显示每日累计ET0。如果用户进入KC，系统也可以显示ETC值。在底部，另一个图形显示了浇水时间表，以及有效应用的水量。如果这些值之间存在差异，程序可以向用户发出警报。
远程客户机可以使用这些信息来确定灌溉计划，然后将其引入到程序中
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