物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)節(jié)水灌溉自動化及信息化

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摘要：自動化、信息化技術(shù)在水利信息化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用，以鹽城市亭湖區(qū)某節(jié)水灌溉實(shí)施區(qū)需求為導(dǎo)向，將多種節(jié)水灌溉技術(shù)與新興信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)灌溉過程的自動化、信息化、遠(yuǎn)程化、可視化，并對土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)展開設(shè)計，經(jīng)過對建成后的運(yùn)營效果分析，本系統(tǒng)可大大節(jié)約灌溉人工勞動、實(shí)現(xiàn)節(jié)水預(yù)期，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：水利信息化；節(jié)水灌溉；自動化泵站；墑情監(jiān)測

引言

水是人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可取代的重要資源，水資源問題已經(jīng)成為制約和影響世界許多國家經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性問題，我國人均水資源占有量僅為世界人均占有量的1/4，水資源嚴(yán)重匱乏。從水資源利用的產(chǎn)業(yè)分布角度分析，2019年農(nóng)業(yè)用水占全國用水量的61%，用水總量達(dá)3675億m3，為各產(chǎn)業(yè)之首；同時，我國天然水資源與人口土地分布不相匹配，17個糧食主產(chǎn)區(qū)中8個分布在北方水資源緊缺地區(qū)，水資源承載力與承載負(fù)荷不均衡的問題突出，水資源處于超載和臨界狀態(tài)的區(qū)域越來越多、范圍越來越大，約束程度越趨緊張[1-2]。隨著節(jié)水意識的不斷增強(qiáng)、節(jié)水獎懲制度的不斷完善和節(jié)水型灌溉技術(shù)的持續(xù)推廣應(yīng)用，我國農(nóng)業(yè)用水量逐年下降，從2015年的3852.2億m3下降到2019年的3675億m3，但整體下降幅度偏小，依舊存在灌溉水利用率較低、水肥一體化灌溉農(nóng)田占比低和灌溉系統(tǒng)信息化程度不高等問題[3]，根據(jù)預(yù)測，到2030年還需要發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積0.13多億hm2。為此，節(jié)水灌溉項目在實(shí)施過程中需要因地制宜，將防滲渠、低壓管道輸水、噴灌、微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)與泵站自動化、信息化、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合[4]，充分挖掘農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力，實(shí)現(xiàn)水資源在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的高效、科學(xué)利用。以色列通過滴灌技術(shù)、供水管道監(jiān)測、節(jié)水作物培育等方式高效利用水資源；我國也大力發(fā)展了如卷盤式、時針式、平移式噴灌技術(shù)，新疆兵團(tuán)滴灌技術(shù)在小麥、花生、棉花、茄子等作物種植中有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)水增產(chǎn)；中蘇科技研發(fā)的“一體化智能泵站”實(shí)現(xiàn)了智能信息技術(shù)與灌溉技術(shù)的深度融合；諸多學(xué)者還針對不同地區(qū)、不同作物、不同生長期的土壤墑情及作物需水變化規(guī)律，利用智能算法進(jìn)行墑情預(yù)測，實(shí)現(xiàn)了對作物的精準(zhǔn)化灌溉[5]。我國的節(jié)水農(nóng)業(yè)正逐步由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以自動化、信息化、智能化、精準(zhǔn)化為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。本文以鹽城市亭湖區(qū)某節(jié)水灌溉示范區(qū)泵站自動化、信息化建設(shè)為例，將渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)與自動化監(jiān)測、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)以及水、肥精量調(diào)控管理技術(shù)相結(jié)合對系統(tǒng)展開設(shè)計。

1系統(tǒng)需求分析

水利部一直十分重視信息化建設(shè)工作，信息化是一種先進(jìn)的管理技術(shù)和管理手段，是提高管理水平、工作效率和服務(wù)質(zhì)量的有效措施。利用計算機(jī)自動化控制、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息共享、遠(yuǎn)程控制，逐步提高管理與應(yīng)用水平，是本系統(tǒng)設(shè)計迫切需要的，也是泵站自動化建設(shè)中最基礎(chǔ)、最核心和最重要的工作之一。本系統(tǒng)主要有三部分組成：節(jié)水灌溉信息系統(tǒng)、泵站遠(yuǎn)程控制、墑情監(jiān)測系統(tǒng)。

2節(jié)水灌溉信息系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)水灌溉信息系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的對外展示窗口，匯集了各功能單元的信息，是系統(tǒng)人機(jī)交互的平臺。在系統(tǒng)架構(gòu)方面主要分四個層次，分別是數(shù)據(jù)采集層、信息傳輸層、數(shù)據(jù)管理層和系統(tǒng)應(yīng)用層，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層根據(jù)控制、監(jiān)測要求，在各監(jiān)測點(diǎn)布置相應(yīng)的監(jiān)測傳感器，并通過相應(yīng)的傳輸結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)傳輸層通過建立無線或有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集層采集的各類數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器；數(shù)據(jù)管理層完成數(shù)據(jù)的管理工作，數(shù)據(jù)包括各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集層采集的各類實(shí)時數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)應(yīng)用層根據(jù)管理要求，建立各類應(yīng)用系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)的信息化管理。節(jié)水灌溉信息系統(tǒng)在功能劃分方面包括GIS地理信息系統(tǒng)、泵站控制監(jiān)測系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、氣象站信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)、節(jié)水灌溉制度。其中，GIS平臺應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)地圖平臺（矢量和影像），以百度地圖為基礎(chǔ)，疊加上所有水系、建筑物等圖層，根據(jù)需要下一步將項目區(qū)水利工程疊加到該地圖上，并與水泵自動控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成，在地圖中點(diǎn)擊對象，能將現(xiàn)狀實(shí)時信息和視頻監(jiān)控畫面。監(jiān)測控制系統(tǒng)對示范基地實(shí)時顯示現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面，做到統(tǒng)一調(diào)度和無人值守，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，對遠(yuǎn)程的設(shè)備進(jìn)行開啟和關(guān)閉操作。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時收集土壤的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析，將分析結(jié)果用到節(jié)水灌溉系統(tǒng)中。氣象站信息采集系統(tǒng)對氣象參數(shù)進(jìn)行測量，特別是雨情信息的實(shí)時采集，對用水量和節(jié)水灌溉尤為重要。數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)根據(jù)收集的基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析做一些統(tǒng)計和分析，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對土壤墑情進(jìn)行預(yù)測。節(jié)水灌溉制度根據(jù)當(dāng)前的氣象信息、農(nóng)作物布局、土壤的濕度和鹽性土壤以及渠道的類型形成灌溉制度，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對灌溉制度進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整。

3泵站遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)設(shè)計

泵站自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉泵站遠(yuǎn)程自動控制、管道灌溉控制、水位流量數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動化與智能化。滿足“無人值班、少人值守”的要求，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、圖像遠(yuǎn)傳瀏覽的功能。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。其中，現(xiàn)場測控單元具備如下功能：數(shù)據(jù)采集處理、控制與調(diào)節(jié)、保護(hù)和報警、數(shù)據(jù)通信等。現(xiàn)地測控單元對泵機(jī)組站的主輔設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)以及傳感器、儀器儀表的測量值進(jìn)行實(shí)時采集、處理，存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫，作為系統(tǒng)監(jiān)視、告警、控制、制表、模擬圖形顯示的依據(jù)。數(shù)據(jù)采集處理功能實(shí)現(xiàn)采集區(qū)域水泵的運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)，完成與每臺機(jī)組多功能儀表的通信，采集泵機(jī)組供電系統(tǒng)的電壓及工作電流、泵站電壓、運(yùn)行電流、機(jī)組功率與電量等。根據(jù)泵站機(jī)組裝置效率、與水泵性能曲線計算泵站機(jī)組實(shí)時流量和整座灌溉泵站的總流量。控制與調(diào)節(jié)功能通過機(jī)柜上的切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與遠(yuǎn)程的切換、自動與手動的切換，也可以按照優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方式或者根據(jù)對管道壓力的設(shè)定進(jìn)行分析自動完成泵站的調(diào)速調(diào)頻運(yùn)行與停止。保護(hù)與報警功能實(shí)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者出現(xiàn)緊急情況時，系統(tǒng)立即報警，并根據(jù)需要和實(shí)際情況自動終止當(dāng)前的泵站運(yùn)行操作。故障報警內(nèi)容應(yīng)包括：傳感器故障、泵站電機(jī)過壓、過流、缺相等保護(hù)。

4墑情監(jiān)測系統(tǒng)

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由田間傳感器采集系統(tǒng)、ZigBee與GPRS無線傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺三部分組成。該土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)是融合了傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GPRS無線通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)于一體的一套功能相對完善的土壤墑情實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。田間傳感器采集系統(tǒng)是利用氣象站、田間水位傳感器、土壤水分、光照度、土壤溫度和空氣溫濕度傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時采集土壤的墑情信息；ZigBee與GPRS傳輸系統(tǒng)是利用ZigBee近距離傳輸協(xié)議將采集到的土壤墑情信息傳輸至GPRS網(wǎng)關(guān)，GPRS網(wǎng)關(guān)再利用GPRS遠(yuǎn)距離傳輸協(xié)議將接收的土壤墑情信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺則是對上傳至互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺從互聯(lián)網(wǎng)上獲得土壤的實(shí)時墑情數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理以獲取重要的信息，并分析相關(guān)參數(shù)對作物生長的影響。

5結(jié)語

本文以鹽城市亭湖區(qū)某節(jié)水灌溉實(shí)施區(qū)為基礎(chǔ)，將多種節(jié)水灌溉技術(shù)與新興信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)灌溉過程的自動化、信息化、遠(yuǎn)程化、可視化，并對土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)展開設(shè)計，系統(tǒng)自建成投入運(yùn)營以來，通過移動端、Web端實(shí)現(xiàn)了灌溉過程的自動無人值守，經(jīng)過農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)指導(dǎo)，農(nóng)戶逐漸掌握了主要種植作物的需水規(guī)律，并能結(jié)合墑情預(yù)測結(jié)果確定灌溉時間及用水量，在大大節(jié)約了灌溉人工勞動的同時、實(shí)現(xiàn)了節(jié)水預(yù)期，提高了灌溉水利用系數(shù)。實(shí)踐表明，新一代信息技術(shù)與節(jié)水灌溉技術(shù)深度融合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)需水預(yù)測，達(dá)到作物按需精準(zhǔn)供水、供肥，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，具有一定的推廣價值。

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作者：宋希賢 王燁峰 姚文平 單位：鹽城市亭湖區(qū)水利局