基于物聯網技術的節水灌溉自動化及信息化系統設計

宋希賢，王燁峰，姚文平

（鹽城市亭湖區水利局，江蘇鹽城 224001）

0 引言

水是人類生存和經濟發展不可取代的重要資源，水資源問題已經成為制約和影響世界許多國家經濟社會可持續發展的戰略性問題，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。從水資源利用的產業分布角度分析，2019年農業用水占全國用水量的61%，用水總量達3675億m3，為各產業之首；同時，我國天然水資源與人口土地分布不相匹配，17個糧食主產區中8個分布在北方水資源緊缺地區，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的區域越來越多、范圍越來越大，約束程度越趨緊 張[1-2]。隨著節水意識的不斷增強、節水獎懲制度的不斷完善和節水型灌溉技術的持續推廣應用，我國農業用水量逐年下降，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、水肥一體化灌溉農田占比低和灌溉系統信息化程度不高等問題[3]，根據預測，到2030年還需要發展高效節水灌溉面積0.13多億hm2。為此，節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、滴灌等節水灌溉技術與泵站自動化、信息化、大數據技術相結合[4]，充分挖掘農業灌溉節水潛力，實現水資源在農業發展中的高效、科學利用。

以色列通過滴灌技術、供水管道監測、節水作物培育等方式高效利用水資源；我國也大力發展了如卷盤式、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了節水增產；中蘇科技研發的“一體化智能泵站”實現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、不同作物、不同生長期的土壤墑情及作物需水變化規律，利用智能算法進行墑情預測，實現了對作物的精準化灌溉[5]。我國的節水農業正逐步由傳統農業向以自動化、信息化、智能化、精準化為特征的現代農業轉變。本文以鹽城市亭湖區某節水灌溉示范區泵站自動化、信息化建設為例，將渠道防滲、低壓管道輸水、噴灌、滴灌等節水灌溉技術與自動化監測、GPRS無線網絡傳輸、信息化、網絡化技術以及水、肥精量調控管理技術相結合對系統展開設計。

1 系統需求分析

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、網絡通訊技術，實現信息共享、遠程控制，逐步提高管理與應用水平，是本系統設計迫切需要的，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。本系統主要有三部分組成：節水灌溉信息系統、泵站遠程控制、墑情監測系統。

2 節水灌溉信息系統設計

節水灌溉信息系統作為整個系統的對外展示窗口，匯集了各功能單元的信息，是系統人機交互的平臺。在系統架構方面主要分四個層次，分別是數據采集層、信息傳輸層、數據管理層和系統應用層，其層次結構如圖1所示。數據采集層根據控制、監測要求，在各監測點布置相應的監測傳感器，并通過相應的傳輸結點，實現各類數據的采集；數據傳輸層通過建立無線或有線網絡系統，將數據采集層采集的各類數據傳送至監控中心數據服務器；數據管理層完成數據的管理工作，數據包括各類業務數據、數據采集層采集的各類實時數據等；系統應用層根據管理要求，建立各類應用系統軟件，實現對灌區的信息化管理。

圖1 節水灌溉信息系統結構圖

節水灌溉信息系統在功能劃分方面包括GIS地理信息系統、泵站控制監測系統、土壤墑情監測系統、氣象站信息采集系統、數據統計系統、節水灌溉制度。其中，GIS平臺應為網絡地圖平臺（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，根據需要下一步將項目區水利工程疊加到該地圖上，并與水泵自動控制系統和視頻監控系統進行集成，在地圖中點擊對象，能將現狀實時信息和視頻監控畫面。監測控制系統對示范基地實時顯示現場視頻監控畫面，做到統一調度和無人值守，通過網絡傳輸，對遠程的設備進行開啟和關閉操作。土壤墑情監測系統實現實時收集土壤的數據，并對數據進行相關的分析，將分析結果用到節水灌溉系統中。氣象站信息采集系統對氣象參數進行測量，特別是雨情信息的實時采集，對用水量和節水灌溉尤為重要。數據統計系統根據收集的基本數據，進行數據分析做一些統計和分析，通過數據挖掘技術對土壤墑情進行預測。節水灌溉制度根據當前的氣象信息、農作物布局、土壤的濕度和鹽性土壤以及渠道的類型形成灌溉制度，可以根據現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設計

泵站自動控制系統能夠實現灌溉泵站遠程自動控制、管道灌溉控制、水位流量數據實時監測，實現節水灌溉自動化與智能化。滿足“無人值班、少人值守”的要求，達到遠程監控、數據共享、圖像遠傳瀏覽的功能。系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 泵站控制系統拓撲圖

其中，現場測控單元具備如下功能：數據采集處理、控制與調節、保護和報警、數據通信等。現地測控單元對泵機組站的主輔設備的運行狀態、運行參數以及傳感器、儀器儀表的測量值進行實時采集、處理，存入實時數據庫，作為系統監視、告警、控制、制表、模擬圖形顯示的依據。

數據采集處理功能實現采集區域水泵的運行/停止狀態，完成與每臺機組多功能儀表的通信，采集泵機組供電系統的電壓及工作電流、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。控制與調節功能通過機柜上的切換開關，實現現場與遠程的切換、自動與手動的切換，也可以按照優化調度運行方式或者根據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當系統發生故障或者出現緊急情況時，系統立即報警，并根據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 墑情監測系統

土壤墑情監測系統主要由田間傳感器采集系統、ZigBee與GPRS無線傳輸系統和網絡監測平臺三部分組成。該土壤墑情監測系統是融合了傳感器技術、ZigBee技術、GPRS無線通訊技術、數據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測系統。

田間傳感器采集系統是利用氣象站、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絡，實時采集土壤的墑情信息；ZigBee與GPRS傳輸系統是利用ZigBee近距離傳輸協議將采集到的土壤墑情信息傳輸至GPRS網關，GPRS網關再利用GPRS遠距離傳輸協議將接收的土壤墑情信息傳輸至網絡監測平臺。網絡監測平臺則是對上傳至互聯網的數據進行處理，即網絡監測平臺從互聯網上獲得土壤的實時墑情數據，并對其進行相應的處理以獲取重要的信息，并分析相關參數對作物生長的影響。

5 結語

本文以鹽城市亭湖區某節水灌溉實施區為基礎，將多種節水灌溉技術與新興信息技術相結合，實現灌溉過程的自動化、信息化、遠程化、可視化，并對土壤墑情監測系統展開設計，系統自建成投入運營以來，通過移動端、Web端實現了灌溉過程的自動無人值守，經過農業技術人員的專業指導，農戶逐漸掌握了主要種植作物的需水規律，并能結合墑情預測結果確定灌溉時間及用水量，在大大節約了灌溉人工勞動的同時、實現了節水預期，提高了灌溉水利用系數。實踐表明，新一代信息技術與節水灌溉技術深度融合，通過數據驅動實現需水預測，達到作物按需精準供水、供肥，是現代農業發展的重要方向，具有一定的推廣價值。