李曉花

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉花

(新疆巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 新疆庫爾勒 841000)

新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，具有“綠洲經(jīng)濟(jì)、灌溉農(nóng)業(yè)”的特征，農(nóng)田水利與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全和農(nóng)牧民脫貧致富緊密相關(guān)，節(jié)水是新疆農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的永恒主題。本文以某農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉示范園智能控制系統(tǒng)為例，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與組成，以期為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作的開展起到良好的示范和推動(dòng)作用。

農(nóng)業(yè)節(jié)水 智能控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 干旱區(qū)

前言

新疆水資源總量832億m3，單位面積產(chǎn)水量?jī)H為5.3萬m3/km2，排名全國倒數(shù)第三。全疆萬元GDP用水量984m3，是全國平均水平的3.5倍；單方水的GDP產(chǎn)出量為10元，僅相當(dāng)于全國平均水平的23%。資源型缺水和用水效益低下問題并存。發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水旨在降低農(nóng)業(yè)用水比例，既為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)，也為工業(yè)化發(fā)展提供更多的水資源保障，從而提高水資源的利用效率，更好地為各族人民服務(wù)。

近年來，自治區(qū)人民政府把大力推廣先進(jìn)適用的高效節(jié)水灌溉技術(shù)、普及標(biāo)準(zhǔn)溝畦灌，實(shí)現(xiàn)干、支、斗三級(jí)渠道全防滲等基礎(chǔ)性工程建設(shè)作為農(nóng)田水利基本建設(shè)的重點(diǎn)工程來抓。自治區(qū)相繼出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)水利抗旱工作的若干意見》、《關(guān)于加強(qiáng)自治區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水工作意見》、《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉工程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)及運(yùn)行管理辦法》等文件，采取了財(cái)政補(bǔ)助、先干后補(bǔ)、以獎(jiǎng)代補(bǔ)等一系列政策、措施，鼓勵(lì)、引導(dǎo)農(nóng)民合作組織、經(jīng)濟(jì)實(shí)體和農(nóng)民積極投入農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)。截至2011年底，全疆“供水到戶”面積占農(nóng)田灌溉面積的85%，畝均節(jié)水30m3以上，農(nóng)業(yè)年均減少用水近10億m3左右。通過多年的農(nóng)田水利建設(shè)，大幅降低了農(nóng)作物的灌溉定額，提高了作物灌溉保證率，糧食單產(chǎn)顯著提高，農(nóng)民收入日益增加。

以滴灌為主的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉優(yōu)勢(shì)十分明顯，主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）實(shí)現(xiàn)了適時(shí)適量按作物需求給水；（2）按照作物需求適時(shí)適量施肥，節(jié)肥；（3）改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，可有效調(diào)控水肥、水熱和水氣環(huán)境，進(jìn)而提高產(chǎn)量；（4）節(jié)省勞力，較常規(guī)管理模式節(jié)省勞力40%以上；（5）通過根層局部濕潤灌溉，避免了大水漫灌造成的深層滲漏，有效控制了地下水位上升，進(jìn)而防止土壤次生鹽堿化。

新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，具有“綠洲經(jīng)濟(jì)、灌溉農(nóng)業(yè)”的特征，農(nóng)田水利與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全和農(nóng)牧民脫貧致富緊密相關(guān)，農(nóng)田水利是新疆農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐。為應(yīng)對(duì)新疆缺水形勢(shì)和滿足嚴(yán)格水資源管理的需要，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水量偏大、灌溉水利用效率低等問題，本文對(duì)新疆南疆某農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉示范園智能控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，以期為新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作展開起到良好的示范和推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)28

該農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉示范園智能控制系統(tǒng)采用全無線控制方式，通過雙頻中繼器將分布在示范園內(nèi)的無線控制站、井房監(jiān)控站與監(jiān)控中心連接，并在各灌溉區(qū)域內(nèi)安裝土壤墑情、氣象等傳感器，實(shí)現(xiàn)基于土壤墑情和氣象信息的全自動(dòng)灌溉控制。

該灌溉智能控制系統(tǒng)由無線控制站、井房監(jiān)控站、雙頻中繼站、遠(yuǎn)程氣象站、手持遙控器和監(jiān)控中心六部分組成。其中，無線控制站點(diǎn)由無線直流灌溉控制器、土壤水分傳感器、直流電磁閥等組成，控制站使用太陽能供電，通過無線信號(hào)與雙頻中繼器通信，具有土壤水分信息采集、灌溉自動(dòng)控制等功能；井房監(jiān)控站由ASE無線采集控制器、脈沖水表、遠(yuǎn)傳壓力表、交流電磁閥等組成，實(shí)時(shí)采集灌溉用水信息、管道壓力等信息，并可以根據(jù)監(jiān)控中心命令切換灌溉水源（地下水與地表水）；雙頻中繼器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心和無線控制站點(diǎn)間的通信數(shù)據(jù)，且各中繼器具有自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以極大的擴(kuò)展無線灌溉控制系統(tǒng)的覆蓋范圍；監(jiān)控中心主要包括監(jiān)控服務(wù)器和控制軟件，通過無線信號(hào)控制整個(gè)示范園的灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行。節(jié)水灌溉自動(dòng)控制工程包括具有基于環(huán)境和土壤信息全園灌溉自動(dòng)控制功能。

2 系統(tǒng)功能

灌溉智能控制系統(tǒng)總體功能是監(jiān)控中心通過無線電臺(tái)與灌溉控制中繼站通信，由后者將信息發(fā)送給分布在園區(qū)內(nèi)的無線控制站，并由控制站控制直流電磁閥，實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)的具體功能包括：

2.1灌溉自動(dòng)控制

系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、定時(shí)控制、手動(dòng)控制三種灌溉控制方式。其中，自動(dòng)灌溉是指系統(tǒng)依據(jù)土壤水分及氣象條件，自動(dòng)啟動(dòng)或停止灌溉；定時(shí)灌溉是指按照用戶設(shè)定的灌溉開始時(shí)間和灌溉時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)啟動(dòng)和停止灌溉；手動(dòng)灌溉是指根據(jù)需要，用戶在軟件上直接控制灌溉啟動(dòng)和停止。

2.2系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

系統(tǒng)具有遙控器、短信兩種遠(yuǎn)程控制方式，用戶可以在園區(qū)內(nèi)使用遙控器進(jìn)行灌溉控制操作，也可以在任意地方通過手機(jī)短信進(jìn)行灌溉控制和信息查看。

2.3灌溉供水監(jiān)控

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉供水井房?jī)?nèi)的8路管道壓力、4路脈沖水表用水量信息等，控制器根據(jù)設(shè)定的供水策略自動(dòng)進(jìn)行灌溉水源切換，并具有管道壓力、流量異常自動(dòng)報(bào)警功能。

2.4數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

通過示范園內(nèi)安裝的土壤水分傳感器和氣象傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情與氣象環(huán)境因子，為灌溉提供決策依據(jù)。

3 系統(tǒng)組成

3.1無線控制站點(diǎn)

無線控制站點(diǎn)主要完成區(qū)域灌溉控制和土壤墑情信息采集。每個(gè)無線控制站點(diǎn)內(nèi)部包括1套太陽能供電系統(tǒng)、1個(gè)EIC無線直流灌溉控制器、1個(gè)土壤水分傳感器。

其中EIC無線直流灌溉控制器是無線控制站點(diǎn)的核心，該無線直流灌溉控制器是一款具有4路直流電磁閥、1路土壤水分測(cè)量能力的超低功耗小型灌溉控制器，該控制器可以控制4個(gè)直流閥門，用戶可以對(duì)4個(gè)閥門獨(dú)立控制。作物灌溉可以通過定時(shí)、傳感器數(shù)值等方式啟動(dòng)。同時(shí)，控制器集成了無線數(shù)據(jù)傳輸功能，支持MODBUS協(xié)議，可以根據(jù)控制中心的命令對(duì)作物進(jìn)行灌溉控制。

3.2雙頻中繼站

系統(tǒng)雙頻中繼站用來完成監(jiān)控中心與無線控制站點(diǎn)間的通信。雙頻中繼站由1套12V直流電源、1臺(tái)無線電臺(tái)、1臺(tái)中繼控制器、1臺(tái)微功率無線模塊組成。雙頻中繼站具有針對(duì)監(jiān)控中心和無線控制站點(diǎn)的兩個(gè)通信頻率，可以設(shè)置多達(dá)255個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，可以在兩個(gè)頻率鏈路上傳輸數(shù)據(jù)，也可以轉(zhuǎn)發(fā)中繼站信息，實(shí)現(xiàn)通信區(qū)域的擴(kuò)展。通過中繼站，可以實(shí)現(xiàn)通信距離延長(zhǎng)1km。

3.3井房監(jiān)控站

系統(tǒng)的井房監(jiān)控站由ASE采集控制器、無線電臺(tái)、電源等組成，用來監(jiān)控井房?jī)?nèi)6條供水管道壓力、流量、水量信息和地表水源信息，并根據(jù)地表水源信息啟動(dòng)循環(huán)泵在地下水、地表水之間進(jìn)行灌溉水源自動(dòng)切換。

井房監(jiān)控站的控制核心為ASE采集控制器，該控制器具有7寸真彩觸摸屏，可以控制8路電磁閥、采集16路模擬信號(hào)，具有智能、定時(shí)等多種自動(dòng)控制功能。

3.4遠(yuǎn)程氣象站

遠(yuǎn)程氣象站用來監(jiān)測(cè)灌溉園區(qū)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，包括空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、太陽輻射，可通過無線模塊、短信、GPRS發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，具有LCD顯示屏。可存儲(chǔ)10萬條歷史數(shù)據(jù)，并可通過U盤讀取歷史數(shù)據(jù)。

3.5手持遙控器

手持遙控器基于PDA開發(fā)，圖形操作界面，操作簡(jiǎn)單，具有灌溉方式設(shè)置、灌溉參數(shù)設(shè)置、灌溉控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等操作功能，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)灌溉、報(bào)警查詢等多種功能。

3.6監(jiān)控中心

監(jiān)控中心包括服務(wù)器、無線電臺(tái)、短信模塊、操作臺(tái)、液晶顯示屏等硬件設(shè)備及中央灌溉控制軟件。其中，服務(wù)器用來運(yùn)行中央監(jiān)控軟件，該軟件是示范園灌溉控制中心，控制整個(gè)園區(qū)的灌溉運(yùn)行；無線電臺(tái)用來與各中繼器通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無線控制站點(diǎn)的控制。

中央灌溉控制軟件是一個(gè)集水源調(diào)度、用水計(jì)量、灌溉控制于一體的綜合示范園灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、智能控制等功能，可以通過無線信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控灌區(qū)內(nèi)所有墑情、氣象、水量等信息，并可以根據(jù)土壤墑情與氣象信息，自動(dòng)生成灌溉策略，并控制灌溉控制系統(tǒng)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，對(duì)該農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉示范園進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和遠(yuǎn)距離遙控，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)灌溉作業(yè)的自動(dòng)化和系統(tǒng)化，在最大程度上達(dá)到節(jié)水目的，使作物的灌溉定額有了一定的下降，同時(shí)提高了水利用系數(shù)，將園區(qū)灌溉水利用系數(shù)提高到0.90以上，提高了水利用率，顯示出巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.028

TP3

B

1672-2469（2014）03-0079-03

李曉花(1980年— )，女,工程師。