金永奎，李 強，袁 圓

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014； 2.南京理工大學(xué)，南京 210094；3.南京市水利局，南京 210036)

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉得到了越來越多的應(yīng)用，至2013年底，我國高效節(jié)水灌溉面積約1 500多萬hm2，其中管灌750多萬hm2，噴灌350多萬hm2，微灌400多萬hm2,且增長速度迅速[1]。目前高效節(jié)水灌溉應(yīng)用較多的是滴灌、噴灌和管灌等形式，相配套的灌溉監(jiān)控技術(shù)也得到了一定的應(yīng)用，監(jiān)控設(shè)備主要有小型控制器、自動化/智能化控制系統(tǒng)、變頻恒壓設(shè)備、各種傳感器、小型氣象站、電磁閥等，一般以一個泵站為一個控制單元，控制面積6～30 hm2，泵站之間是相互獨立的，不能進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。目前各泵站管理采用人工/半自動控制方式，設(shè)備運行維護(hù)需要安排專人負(fù)責(zé)，運行維護(hù)成本較高且管理效率偏低，造成一部分人力、財力資源不合理利用，已不能適應(yīng)新時期發(fā)展的需要[2-5]。

目前國外為滿足對灌溉系統(tǒng)管理的靈活、準(zhǔn)確、快捷的要求，非常重視空間信息技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的應(yīng)用，大多采用自動控制運行方式，特別是對大型系統(tǒng)多采用智能化中央自動監(jiān)控方式。在大大降低工程造價費用的同時，既滿足了用戶的需求，又提高了灌溉系統(tǒng)的運行性能與效率。我國目前節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)雖然從簡易型到中央計算機型均有產(chǎn)品并得到應(yīng)用，但與國外產(chǎn)品相比，在技術(shù)上還比較落后，主要針對單個小型灌溉系統(tǒng)的自動控制，沒有充分利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，智能化、信息化程度低，有些方面設(shè)計還不太合理，仍需進(jìn)一步完善[6]。利用計算機智能化控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)信息共享、遠(yuǎn)程控制，逐步提高管理與應(yīng)用水平，是當(dāng)前高效節(jié)水灌溉建設(shè)中的迫切需要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

高效節(jié)水灌溉自動監(jiān)控及信息化系統(tǒng)結(jié)合灌溉基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)田間環(huán)境、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測和灌溉系統(tǒng)智能化、信息化控制及管理；系統(tǒng)通過相關(guān)硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)和高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)，將參數(shù)自動監(jiān)測、水肥一體化、灌溉智能化、物聯(lián)網(wǎng)、信息化等技術(shù)進(jìn)行組合集成，探索和建立高效節(jié)水灌溉信息化監(jiān)控技術(shù)體系，建成一個集信息智能采集、傳輸、管理、應(yīng)用與指揮決策于一體的高集成化、高實用性和可擴(kuò)展的信息化應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)由監(jiān)控中心控制和展示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)、田間智能灌溉控制系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸和高效節(jié)水灌溉網(wǎng)站等部分組成。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖，圖2為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 System topological structure diagram

1.1 監(jiān)控中心控制和展示系統(tǒng)

監(jiān)控中心是系統(tǒng)的核心部分，它匯集系統(tǒng)各田間泵站的信息，并進(jìn)行儲存和分析處理，進(jìn)行決策控制。監(jiān)視各泵站實時狀態(tài)，遠(yuǎn)程查看泵站各運行圖表、遠(yuǎn)程控制泵及輔機設(shè)備的啟動、停止等。監(jiān)控中心有固定IP地址，由寬帶線路與互聯(lián)網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，用戶或工作站通過互聯(lián)網(wǎng)訪問WEB及數(shù)據(jù)服務(wù)器，并展現(xiàn)數(shù)據(jù)。主要設(shè)備包括WEB及數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻服務(wù)器、計算機顯示器、監(jiān)控顯示器、拼接屏控制機、拼接顯示大屏、LED字幕顯示屏、路由器、防火墻、音響和4 G終端等硬件設(shè)備。圖3為監(jiān)控中心架構(gòu)圖。

圖3 監(jiān)控中心架構(gòu)圖Fig.3 Monitoring center architecture diagram

1.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時將現(xiàn)場視頻顯示在監(jiān)控屏上，同時視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視泵站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)，以驗證計算機監(jiān)控指令的執(zhí)行。在每個泵站控制的地塊范圍內(nèi)配置若干臺攝像機及硬盤錄像機，硬盤錄像機用于存儲現(xiàn)地視頻圖像，與現(xiàn)地一體化控制設(shè)備相連，通過4G無線通信模塊將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器，通過服務(wù)器與現(xiàn)場拼接大屏相連進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像展示。圖4為視頻監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖4 視頻監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Video monitoring system architecture diagram

1.3 田間泵站監(jiān)控系統(tǒng)

田間泵站監(jiān)控系統(tǒng)是高效節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)最基礎(chǔ)部分，通過它實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能。田間控制器從傳感器采集田間土壤墑情、電導(dǎo)率、溫濕度等信息，然后將采集的數(shù)據(jù)通過自建的無線網(wǎng)絡(luò)傳送至泵站控制器，再由泵站控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控制中心。系統(tǒng)在接收到相關(guān)信息后，結(jié)合天氣情況和灌溉數(shù)據(jù)庫，制定灌溉決策，并形成灌溉控制指令通過控制系統(tǒng)發(fā)送給灌溉控制執(zhí)行機構(gòu)，依托節(jié)水灌溉恒壓供水系統(tǒng)，控制由太陽能系統(tǒng)供電的低功耗電磁閥，實現(xiàn)作物的自動灌溉、施肥等功能。其中土壤墑情的采集和傳輸以及灌溉控制指令的傳輸均通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。田間部分主要包括傳感器、電磁閥、無線傳輸設(shè)備、太陽能供電系統(tǒng)、田間控制器和恒壓變頻節(jié)水灌溉系統(tǒng)。圖5為田間泵站系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖5 田間泵站系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.5 Field pumping station system architecture diagram

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 參數(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

參數(shù)數(shù)據(jù)是信息化系統(tǒng)最基本資料，只有獲取了這些數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行分析處理和決策，更好對系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。本系統(tǒng)采用各種傳感器對各項參數(shù)進(jìn)行采集，分布在田間的傳感器采用太陽能供電和無線傳輸方式實現(xiàn)。

2.1.1 土壤水分

土壤水分是灌溉系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個指標(biāo)，對信息化系統(tǒng)決策何時灌溉起決定性影響。測定土壤水分需要考慮到土壤類型、作物種類等因素，還需要根據(jù)作物相應(yīng)生育期的最佳灌水上限與最佳灌水量，來確定傳感器的布置點數(shù)、位置和埋設(shè)深度，從而正確合理地反映管理操作單元內(nèi)土壤水分實際狀況[7]。選用的傳感器采用FDR頻域法原理，測量范圍0～100%，工作電壓：5～24 V，工作電流：25～35 mA，輸出信號：電壓型DC 0～2 V，標(biāo)定后精度可達(dá)1%。將采集的信息數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點采集并傳輸至田間控制器。

2.1.2 設(shè)備運行參數(shù)

設(shè)備運行參數(shù)包括電壓、電流、壓力、流量、水位、電磁閥開關(guān)狀態(tài)等，通過這些參數(shù)可以了解設(shè)備的運行狀態(tài)，便于控制、調(diào)整和監(jiān)測設(shè)備。采用高精度、高靈敏的傳感器以測量實際實時的變化。

2.1.3 環(huán)境參數(shù)

安裝高精度、高靈敏的小型氣象觀測站以測量環(huán)境實際實時的變化(溫度、濕度、光照、雨量、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速)，在溫室大棚內(nèi)安裝光照、溫濕度和二氧化碳濃度傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制分為兩部分：一是對土壤墑情、環(huán)境參數(shù)、視頻等農(nóng)作物生長環(huán)境信息的采集和監(jiān)測，二是對設(shè)備進(jìn)行自動化控制，例如啟、停恒壓供水系統(tǒng)和電磁閥等，包括對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行日常設(shè)置的工作。在本系統(tǒng)中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集和傳輸主要通過無線方式實現(xiàn)，對于一個泵站控制范圍內(nèi)分散在田間的各個田間控制器，由于傳輸距離短、信息量小，采用自建無線網(wǎng)絡(luò)(Zigbee協(xié)議)的方式。Zigbee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz頻段，具有低功耗、低成本和高可靠性等特點，這種方式建網(wǎng)后無使用費用，節(jié)約了使用成本，而對于泵站和監(jiān)控中心間的數(shù)據(jù)傳輸由于距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸量大、視頻所需帶寬大，采用目前速度最快的4 G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸[8-10]。具體傳輸過程為：各傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)傳輸至田間控制器，田間控制器再經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)傳輸至泵站控制器，泵站控制器經(jīng)4 G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，決策系統(tǒng)進(jìn)行分析后，形成灌溉控制指令，再通過無線網(wǎng)絡(luò)，反饋到現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)，通過太陽能供電系統(tǒng)提供的電力，來驅(qū)動低功耗電磁閥的開啟或者關(guān)閉，借助已建成的恒壓灌溉供水系統(tǒng)和水肥一體化設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化灌溉。數(shù)據(jù)傳輸具體參數(shù)指標(biāo)為：田間智能控制器控制響應(yīng)時間≤1 s；無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離>1 000 m，傳輸誤碼率δ≤0.01%。

2.3 灌溉控制決策技術(shù)

灌溉控制決策系統(tǒng)是基于作物需水量與需水規(guī)律，以信息技術(shù)為手段，把計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、智能控制技術(shù)綜合運用來提高灌溉管理水平，為管理人員提供決策依據(jù)和參照。

系統(tǒng)根據(jù)對不同節(jié)水灌溉條件、氣候條件下主要作物的需水指標(biāo)和需水量建立估算模型，同時以農(nóng)業(yè)模型庫、方法庫為支撐，對所收集和存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理成具有實際意義的物理量并逐步把處理結(jié)果儲存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，形成符合本地實際的決策模型[7]。系統(tǒng)運行時將采集的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境信息由決策支持系統(tǒng)計算、分析后，給出作物的精確灌溉時間和最佳灌水量，灌溉工作則由信息化監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)決策支持系統(tǒng)的指令自動完成灌溉、施肥等工作。

2.4 視頻監(jiān)控及數(shù)據(jù)流量控制技術(shù)

視頻數(shù)據(jù)量很大，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時一方面需要很大的帶寬，從而硬件設(shè)備的投入會增大，另一方面在使用過程中數(shù)據(jù)流量費用也很高，所以必須對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，既能滿足使用要求，又能合理節(jié)省投入和使用成本。本系統(tǒng)先把視頻信號存儲在硬盤錄像機中，再編制處理軟件，可以通過軟件設(shè)定視頻傳輸?shù)臅r間段、分辨率和幀數(shù)，從而大大減少了傳輸流量，節(jié)省了費用。

2.5 監(jiān)控中心展示技術(shù)

系統(tǒng)的所有功能、操作和成果需要利用展現(xiàn)部分通過圖像形式展示出來。展現(xiàn)部分由圖像顯示工作站、監(jiān)視器、視頻服務(wù)器、大屏顯示裝置等組成。圖像顯示工作站將各站點(攝像頭)傳到管理中心的圖像在監(jiān)視器上顯示，每個工作站最多可以安裝4塊顯示解碼卡，輸出16路信號，為16臺監(jiān)視器輸出信號。每個監(jiān)視器可以分割成4幅圖像，即每個工作站可以輸出64個站點(攝像頭)的信號。視頻服務(wù)器運行應(yīng)用程序，監(jiān)視各站點視頻設(shè)備運行狀態(tài)、信息，發(fā)出指令控制各站點的運行等。監(jiān)視器可同時顯示多個站點的圖像，大屏幕顯示器與操作工作站顯示器同步顯示工作畫面。

2.6 泵站安防技術(shù)

為了滿足田間泵站無人值守的安全防范需要，設(shè)計了一套集視頻監(jiān)控和紅外感應(yīng)的遠(yuǎn)程安防報警系統(tǒng)，在每個泵站安裝一套。管理人員正常出入時，通過隨身遙控器設(shè)置或解除報警，在報警被啟動后，當(dāng)紅外感應(yīng)偵測到非法闖入時，啟動視頻監(jiān)控系統(tǒng)并以報警方式顯示在監(jiān)控屏上，對應(yīng)管理人員的手機終端上也會收到相應(yīng)的報警信息，同時泵站內(nèi)觸發(fā)啟動高分貝報警器，進(jìn)行警告和威懾．嚇阻闖入人員的進(jìn)一步行動。該技術(shù)視頻紅外監(jiān)控距離可達(dá)150 m，入侵檢測誤報率β≤0.1%。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括管理系統(tǒng)、節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)、視頻管理系統(tǒng)等部分，基于Windows Server 2012平臺，有良好的兼容性、準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)是完全開放的系統(tǒng)，支持各種軟件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如：DDE、OLE 、ODBC 、TCT/IP、OPC 等，作為共享的基礎(chǔ)，提供一組進(jìn)行二次開發(fā)的工具和手段，以便生成完全滿足要求的監(jiān)控系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用C/S與B/S模式相結(jié)合的方式，使得監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的全面集成和共享，提高性能，降低成本。除了提供一組包括實時/ 歷史趨勢、報警、畫面編輯、報表、關(guān)系數(shù)據(jù)庫直接組態(tài)登錄的基本功能以外，還有服務(wù)器冗余、WEB服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)分析、多種通信驅(qū)動程序等多種可選項。

上位機監(jiān)控軟件采用當(dāng)前可靠、先進(jìn)的技術(shù)，系統(tǒng)的配置和畫面的組態(tài)具有方便性，通過策略和畫面組態(tài)，在上位機上實現(xiàn)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，具有動態(tài)畫面、事件觸發(fā)、報警、趨勢、報表輸出、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)采用圖形用戶界面為操作人員和系統(tǒng)開發(fā)人員提供監(jiān)控環(huán)境，在這個環(huán)境中可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、報警、趨勢、數(shù)據(jù)登錄和生成報表等基本功能[11-13]。本系統(tǒng)建有具有域名的網(wǎng)站，終端用戶可通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問，查看各項參數(shù)及發(fā)布的信息，授權(quán)用戶可對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行操作。

針對移動終端開發(fā)了Android和iOS兩種系統(tǒng)的APP，用戶下載安裝后經(jīng)過授權(quán)即可實現(xiàn)查詢和操作功能。圖6～圖10為軟件的運行界面。

圖6 系統(tǒng)軟件界面Fig.6 System software interface

圖7 泵站信息顯示Fig.7 Information display of pumping station

圖8 視頻監(jiān)控和運行數(shù)據(jù)顯示Fig.8 Video monitoring and running data display

圖9 手機APP軟件界面Fig.9 Mobile APP software interface

圖10 泵站監(jiān)控軟件界面Fig.10 Monitoring software interface of pumping station

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在南京市江寧區(qū)湯山街道進(jìn)行了實際應(yīng)用。湯山街道屬于丘陵地區(qū)，水資源較為緊缺，為了解決灌溉問題，依托水利部高效節(jié)水灌溉重點縣項目，從2013年起推廣以變頻恒壓供水系統(tǒng)為主體的高效節(jié)水灌溉工程，主要作物為水稻、茶葉、苗木、果樹和蔬菜等，灌溉形式為管灌、噴灌和微灌，已建成46套灌溉系統(tǒng)，覆蓋面積800 hm2，為農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收起到了很好的作用。但這些灌溉系統(tǒng)由街道水利站負(fù)責(zé)管理和維護(hù)，面臨著人員短缺、成本高昂等問題，同時現(xiàn)有的灌溉系統(tǒng)還是人工控制和憑經(jīng)驗操作，不能充分發(fā)揮已建節(jié)水灌溉系統(tǒng)的效能，急需一套集中統(tǒng)一的自動監(jiān)控及信息化管理系統(tǒng)。

針對湯山街道高效節(jié)水灌溉現(xiàn)狀，在水利站建了一個占地160 m2的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心內(nèi)配置了服務(wù)器、操作計算機、顯示大屏、視頻監(jiān)視器、管理系統(tǒng)軟件等軟硬件設(shè)備，在田間泵站安裝了泵站控制器、田間控制器、各種傳感器、攝像機、節(jié)水灌溉設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)及控制軟件等設(shè)備。圖11為監(jiān)控中心。設(shè)備安裝調(diào)試好后，交由水利站負(fù)責(zé)運行管理，目前只需要1個專職工作人員即可完成整個系統(tǒng)和泵站的管理維護(hù)任務(wù)。系統(tǒng)每天自動運行，對各泵站的運行狀況、各參數(shù)自動記錄并處理成報表，有故障立即提示發(fā)生的地點，能及時排除和維修，保證了整個灌溉系統(tǒng)的完好運行，取得了良好的效果。

圖11 監(jiān)控中心Fig.11 Monitoring center

5 結(jié) 語

通過多種技術(shù)的融合、集成，建立了先進(jìn)適用的自動監(jiān)控及信息化系統(tǒng)，經(jīng)實際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)設(shè)計配置合理，運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程智能監(jiān)控和信息化管理。在系統(tǒng)投入使用前，46座泵站需10人左右負(fù)責(zé)日常運行維護(hù)管理，現(xiàn)在只需1人，大大提高了管理效率和技術(shù)水平。通

過高效節(jié)水灌溉信息化監(jiān)控系統(tǒng)，把分散的泵站集中統(tǒng)一管理，提高了管理水平，有效地解決了管理人員短缺、維護(hù)成本高的問題，同時有力地保證了高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)的使用效率和可靠性，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景。

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