王銘銘，徐 浩

(安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，合肥 230094)

0 引 言

安徽是一個農(nóng)業(yè)大省，，轄區(qū)內(nèi)灌區(qū)眾多。目前，安徽省建有淠史杭、駟馬山、茨淮新河、花涼亭等9處大型灌區(qū)，重點中型灌區(qū)97處、一般中型灌區(qū)427處。全省6.04 億hm2有效灌溉面積中，大中型灌區(qū)有效灌溉面積超過4.5 億hm2。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展進程的加快，安徽省一些灌區(qū)原有的水利設(shè)施已經(jīng)不適應(yīng)灌區(qū)發(fā)展的需要，直接影響了灌溉效益的發(fā)揮。為加快節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不僅能有效緩解水資源短缺現(xiàn)狀，實現(xiàn)水資源高效利用，同時也是保障糧食安全、生態(tài)安全和水資源安全，推動農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。

安徽省農(nóng)業(yè)用水的矛盾主體是水資源的短缺與農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象嚴重，解決此矛盾的關(guān)鍵在于發(fā)展合理節(jié)水灌溉技術(shù)。傳統(tǒng)灌溉方式是灌溉者憑借經(jīng)驗判斷土壤墑情和灌溉水量，這樣很容易造成無效灌溉、用水浪費等情況，不能實現(xiàn)按作物的需水特性精確、高效灌溉。節(jié)水智能灌溉技術(shù)是通過實時監(jiān)測土壤墑情、土壤吸力等參數(shù)，再結(jié)合地理環(huán)境和農(nóng)作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律，由智能儀器控制灌溉裝置對農(nóng)田進行灌溉。當(dāng)監(jiān)測設(shè)備檢測到土壤墑情、土壤吸力等參數(shù)已滿足植物生長需求時，再反饋給智能儀器，并由其控制灌溉裝置停止灌溉。實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，對緩解我省農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)以信息化為基礎(chǔ)，灌區(qū)信息化建設(shè)主要體現(xiàn)在灌區(qū)實時監(jiān)測、自動灌溉、智能灌溉的建設(shè)?；诎不帐≈腔酃鄥^(qū)發(fā)展的實際需要，依托現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)設(shè)施，引進物聯(lián)網(wǎng)、云存儲等先進技術(shù)，特別是將安徽省灌區(qū)信息化建設(shè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，完善信息感知與監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，以水利專網(wǎng)、公網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等多種傳輸方式為傳輸網(wǎng)絡(luò)，將水利信息采集、傳輸、處理與灌區(qū)水利業(yè)務(wù)管理聯(lián)系起來形成安徽“灌聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)。

針對安徽灌區(qū)管理的特點進行統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)省級信息中心，匯總省灌排水利數(shù)據(jù)，形成安徽省灌區(qū)數(shù)據(jù)云。一方面為安徽省防汛抗旱、水資源調(diào)度、灌區(qū)管理等職責(zé)提供數(shù)據(jù)支撐，為后期開展數(shù)據(jù)挖掘、云計算等做好鋪墊，另一方面省級信息中心具有控制平臺，可對全省防汛、抗旱進行控制與管理。以灌區(qū)為單位，建設(shè)農(nóng)田灌區(qū)分中心，管理本灌區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)并對本灌區(qū)的灌溉及排澇進行監(jiān)測與控制。

根據(jù)安徽省實際情況，系統(tǒng)建設(shè)分3個階段建設(shè)，第一階段選取5處中型灌區(qū)作為省級試點建設(shè)，實現(xiàn)省級監(jiān)測系統(tǒng)搭建，積累相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗。第二階段拓展建設(shè)范圍，逐步開展省內(nèi)重點大中型灌區(qū)自動灌溉系統(tǒng)的建設(shè)；第三階段根據(jù)需要，推廣至一般中型灌區(qū)。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

農(nóng)田水利自動灌溉監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：信息感知、物聯(lián)傳輸、平臺應(yīng)用。信息感知是灌區(qū)物聯(lián)網(wǎng)的信息來源，主要包括墑情感知、流量感知、閘門開度感知。其中墑情感知通過墑情檢測傳感裝置采集土壤墑情的濕度、溫度等基礎(chǔ)信息，流量感知是流量計量設(shè)備實時采集灌溉用水流量，閘門感知是感知閘門開度等相關(guān)信息。物聯(lián)傳輸是系統(tǒng)的監(jiān)測與傳輸層，利用RTU控制器，采集感知數(shù)據(jù)，通過GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測控制平臺，實現(xiàn)灌區(qū)信息的實時監(jiān)測。平臺應(yīng)用是系統(tǒng)的決策應(yīng)用中心，系統(tǒng)完成土壤墑情、灌溉流量等數(shù)據(jù)的接收、顯示、分析等工作。根據(jù)分析結(jié)果，做出是否需要灌溉的決策，并通過GPRS發(fā)送相應(yīng)的命令遠程控制水泵、閘門，實現(xiàn)按需、按量的自動化灌溉。系統(tǒng)中每一組GPRS都采用一點雙發(fā)的方式，一是發(fā)送到農(nóng)田灌溉管理中心服務(wù)器，另一個是發(fā)送到省農(nóng)田水利自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。農(nóng)田、水利等各管理部門可通過VPN方式訪問省農(nóng)田水利自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)方案見圖1。

圖1 安徽省實時監(jiān)測自動灌溉系統(tǒng)架構(gòu)方案

2.1 信息感知層

2.1.1 土壤墑情監(jiān)測

土壤墑情監(jiān)測子系統(tǒng)由土壤濕度傳感器、溫度傳感器、水位傳感器、RTU、GPRS、太陽能供電系統(tǒng)以及安裝支架等設(shè)備組成，溫濕度傳感器用于采集土壤墑情，是判斷灌溉與否的主要參數(shù)。水位傳感器安裝于田間凈水池，用于探測田間灌溉水位，與溫濕度一起作為控制灌溉時間的數(shù)據(jù)。此外，遙測RTU負責(zé)讀取并存儲各傳感器的測量數(shù)據(jù)，GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動灌溉決策控制系統(tǒng)的服務(wù)器。考慮到田間取電較為困難，因此采用太陽能供電方式為系統(tǒng)提供電源。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)框圖詳見圖2。

圖2 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.2 流量監(jiān)測

農(nóng)田水利灌溉主要有2種方式：渠道灌溉和管道灌溉，渠道灌溉即明渠引水至灌區(qū)農(nóng)田，而管道灌溉是以水泵提水的方式灌溉，因此，流量監(jiān)測方式管道流量監(jiān)測和明渠流量監(jiān)測。分別安裝管道和明渠流量計，由RTU控制器采集流量計的數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)反饋發(fā)送給自動灌溉決策控制平臺。流量監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 流量監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.3 自動灌溉控制執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括水泵、電磁閥和閘門的控制，系統(tǒng)采用無線控制的方式實現(xiàn)水泵、電磁閥、閘門的開啟和關(guān)閉。具體步驟為：自動灌溉決策平臺無線發(fā)送執(zhí)行命令，水泵、電磁閥和閘門處安裝的無線接收裝置接收到命令后，將命令傳遞給RTU控制器，再由RTU控制水泵控制器、電磁閥控制器和閘門控制器，從而實現(xiàn)灌溉的自動控制。最后RTU再將水泵、電磁閥的開關(guān)狀態(tài)和閘門的開度狀態(tài)反饋回控制中心。其中水泵、電磁閥的控制可通過水泵控制器和電磁閥控制器實現(xiàn)，閘門的控制則需外置啟閉電機，閘門控制器通過控制啟閉電機實現(xiàn)對閘門開關(guān)的控制。自動灌溉控制執(zhí)行系統(tǒng)框圖見圖4。

圖4 自動灌溉控制執(zhí)行系統(tǒng)

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的橋梁，穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò)是安徽省智能灌區(qū)建設(shè)的基本要求。安徽省農(nóng)田灌溉監(jiān)控系統(tǒng)平臺利用已建水利專網(wǎng)，實現(xiàn)平臺間的網(wǎng)絡(luò)通信。對于分布廣散的各取水及墑情監(jiān)測點，存在數(shù)據(jù)流量較小的特點，而GPRS作為穩(wěn)定的無線傳輸模式已在安徽省水資源非農(nóng)業(yè)取用水監(jiān)測、山洪災(zāi)害非工程措施建設(shè)等諸多水利信息系統(tǒng)中應(yīng)用，因此，本系統(tǒng)設(shè)計也選取公共移動通信GPRS進行數(shù)據(jù)無線傳輸，并以GSM-SMS作為備用信道，確保監(jiān)測點通信順暢。GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建采用“公網(wǎng)專線”的方式來實現(xiàn)，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至監(jiān)測中心服務(wù)器。見圖5。

圖5 安徽省灌區(qū)監(jiān)測點無線傳輸方式

2.3 應(yīng)用平臺設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

應(yīng)用平臺分硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件設(shè)備依據(jù)“利用已有、充分共享”的原則，新建省級灌區(qū)監(jiān)測平臺依托于省排灌總站已建機房，利用已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等硬件設(shè)備，在此基礎(chǔ)上配備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工控機服務(wù)器、液晶顯示器、UPS后備電源、無線接收設(shè)備等，搭建符合安徽省智能灌區(qū)長期需要的監(jiān)控平臺。

2.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)安徽省農(nóng)田灌溉監(jiān)控業(yè)務(wù)需要，系統(tǒng)軟件主要包括信息采集軟件、決策控制軟件、應(yīng)用管理軟件等。決策系統(tǒng)在全部時段對區(qū)域內(nèi)所測實時土壤含水率、溫度、水位等數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控，根據(jù)對接收數(shù)據(jù)的分析處理，最終做出決策并完成對自動灌溉執(zhí)行單元的控制。主要功能實現(xiàn)：對區(qū)域內(nèi)土壤墑情監(jiān)測站遠程監(jiān)控，土壤墑情等數(shù)據(jù)進行接收、判錯、存儲；實時數(shù)據(jù)的顯示、查詢、統(tǒng)計、分析、決策；自動灌溉執(zhí)行單元的遠程控制等功能。詳細軟件建設(shè)見圖6。

圖6 自動灌溉系統(tǒng)決策控制系統(tǒng)軟件

3 結(jié) 語

節(jié)水灌溉是最嚴格水資源管理的必行之路，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)測墑情、流量等信息，是實現(xiàn)智能灌溉的基礎(chǔ)。通過科學(xué)分析，實現(xiàn)自動控制灌溉時間和水量，是節(jié)水灌溉的技術(shù)手段。自動灌溉系統(tǒng)的研究可有效提升安徽省灌區(qū)灌溉的科技水平，是安徽省農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化發(fā)展的方向。

[1] 吳秋明，繳錫云，潘 渝，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的干旱區(qū)智能化微灌系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012, 28(1)：118-122．

[2] 劉海燕，王光謙，魏加華，等．基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算的灌區(qū)信息管理系統(tǒng)研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2013，21(2)：195-202.

[3] 黃亞萍．灌區(qū)信息采集處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計[M]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012．

[4] 郝敬偉，張宏圖，李 敏．灌區(qū)信息化建設(shè)困境及建議[J]．河南水利與南水北調(diào)，2015，(14)：61-62．

[5] Zhang X, Kunjithapatham A，Jeong S，et al． Towards an elastic application model for augmenting the computing capabilities of mobile devices with cloud computing[J]. Mobile Networks and Application，2011，(16): 270-284.

[6] 謝崇寶，張國華，高 虹，等．我國灌區(qū)用水管理信息化軟件系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀[J]．節(jié)水灌溉，2009,(2):8-10