物聯(lián)網(wǎng)技術節(jié)水灌溉自動化及信息化
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摘要：自動化、信息化技術在水利信息化進程中發(fā)揮著重要作用，以鹽城市亭湖區(qū)某節(jié)水灌溉實施區(qū)需求為導向，將多種節(jié)水灌溉技術與新興信息技術相結合，實現(xiàn)灌溉過程的自動化、信息化、遠程化、可視化，并對土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)展開設計，經(jīng)過對建成后的運營效果分析，本系統(tǒng)可大大節(jié)約灌溉人工勞動、實現(xiàn)節(jié)水預期，具有一定的推廣價值。
關鍵詞：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、節(jié)水獎懲制度的不斷完善和節(jié)水型灌溉技術的持續(xù)推廣應用，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)水灌溉技術與泵站自動化、信息化、大數(shù)據(jù)技術相結合[4]，充分挖掘農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力，實現(xiàn)水資源在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的高效、科學利用。以色列通過滴灌技術、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，新疆兵團滴灌技術在小麥、花生、棉花、茄子等作物種植中有效實現(xiàn)了節(jié)水增產(chǎn)；中蘇科技研發(fā)的“一體化智能泵站”實現(xiàn)了智能信息技術與灌溉技術的深度融合；諸多學者還針對不同地區(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，利用智能算法進行墑情預測，實現(xiàn)了對作物的精準化灌溉[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、精準化為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉變。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)水灌溉技術與自動化監(jiān)測、GPRS無線網(wǎng)絡傳輸、信息化、網(wǎng)絡化技術以及水、肥精量調控管理技術相結合對系統(tǒng)展開設計。
1系統(tǒng)需求分析
水利部一直十分重視信息化建設工作，信息化是一種先進的管理技術和管理手段，是提高管理水平、工作效率和服務質量的有效措施。利用計算機自動化控制、網(wǎng)絡通訊技術，實現(xiàn)信息共享、遠程控制，逐步提高管理與應用水平，是本系統(tǒng)設計迫切需要的，也是泵站自動化建設中最基礎、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)、泵站遠程控制、墑情監(jiān)測系統(tǒng)。
2節(jié)水灌溉信息系統(tǒng)設計
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)人機交互的平臺。在系統(tǒng)架構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)應用層，其層次結構如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層根據(jù)控制、監(jiān)測要求，在各監(jiān)測點布置相應的監(jiān)測傳感器，并通過相應的傳輸結點，實現(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)務數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集層采集的各類實時數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)應用層根據(jù)管理要求，建立各類應用系統(tǒng)軟件，實現(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平臺應為網(wǎng)絡地圖平臺（矢量和影像），以百度地圖為基礎，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)進行集成，在地圖中點擊對象，能將現(xiàn)狀實時信息和視頻監(jiān)控畫面。監(jiān)測控制系統(tǒng)對示范基地實時顯示現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面，做到統(tǒng)一調度和無人值守，通過網(wǎng)絡傳輸，對遠程的設備進行開啟和關閉操作。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)實時收集土壤的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行相關的分析，將分析結果用到節(jié)水灌溉系統(tǒng)中。氣象站信息采集系統(tǒng)對氣象參數(shù)進行測量，特別是雨情信息的實時采集，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)挖掘技術對土壤墑情進行預測。節(jié)水灌溉制度根據(jù)當前的氣象信息、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)場實際情況對灌溉制度進行實時的調整。
3泵站遠程自動控制系統(tǒng)設計
泵站自動控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)灌溉泵站遠程自動控制、管道灌溉控制、水位流量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，實現(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，達到遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、圖像遠傳瀏覽的功能。系統(tǒng)拓撲圖如圖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、控制與調節(jié)、保護和報警、數(shù)據(jù)通信等。現(xiàn)地測控單元對泵機組站的主輔設備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)以及傳感器、儀器儀表的測量值進行實時采集、處理，存入實時數(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)采集處理功能實現(xiàn)采集區(qū)域水泵的運行/停止狀態(tài)，完成與每臺機組多功能儀表的通信，采集泵機組供電系統(tǒng)的電壓及工作電流、泵站電壓、運行電流、機組功率與電量等。根據(jù)泵站機組裝置效率、與水泵性能曲線計算泵站機組實時流量和整座灌溉泵站的總流量。控制與調節(jié)功能通過機柜上的切換開關，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠程的切換、自動與手動的切換，也可以按照優(yōu)化調度運行方式或者根據(jù)對管道壓力的設定進行分析自動完成泵站的調速調頻運行與停止。保護與報警功能實現(xiàn)當系統(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)需要和實際情況自動終止當前的泵站運行操作。故障報警內容應包括：傳感器故障、泵站電機過壓、過流、缺相等保護。
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、ZigBee技術、GPRS無線通訊技術、數(shù)據(jù)庫存儲技術以及計算機技術等相關技術于一體的一套功能相對完善的土壤墑情實時監(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，實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，GPRS網(wǎng)關再利用GPRS遠距離傳輸協(xié)議將接收的土壤墑情信息傳輸至網(wǎng)絡監(jiān)測平臺。網(wǎng)絡監(jiān)測平臺則是對上傳至互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行處理，即網(wǎng)絡監(jiān)測平臺從互聯(lián)網(wǎng)上獲得土壤的實時墑情數(shù)據(jù)，并對其進行相應的處理以獲取重要的信息，并分析相關參數(shù)對作物生長的影響。
5結語
本文以鹽城市亭湖區(qū)某節(jié)水灌溉實施區(qū)為基礎，將多種節(jié)水灌溉技術與新興信息技術相結合，實現(xiàn)灌溉過程的自動化、信息化、遠程化、可視化，并對土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)展開設計，系統(tǒng)自建成投入運營以來，通過移動端、Web端實現(xiàn)了灌溉過程的自動無人值守，經(jīng)過農(nóng)業(yè)技術人員的專業(yè)指導，農(nóng)戶逐漸掌握了主要種植作物的需水規(guī)律，并能結合墑情預測結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、實現(xiàn)了節(jié)水預期，提高了灌溉水利用系數(shù)。實踐表明，新一代信息技術與節(jié)水灌溉技術深度融合，通過數(shù)據(jù)驅動實現(xiàn)需水預測，達到作物按需精準供水、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。
參考文獻
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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
