物联网技术节水灌溉自动化及信息化

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摘要：自动化、信息化技术在水利信息化进程中发挥着重要作用，以盐城市亭湖区某节水灌溉实施区需求为导向，将多种节水灌溉技术与新兴信息技术相结合，实现灌溉过程的自动化、信息化、远程化、可视化，并对土壤墒情监测系统展开设计，经过对建成后的运营效果分析，本系统可大大节约灌溉人工劳动、实现节水预期，具有一定的推广价值。

关键词：水利信息化；节水灌溉；自动化泵站；墒情监测

引言

水是人类生存和经济发展不可取代的重要资源，水资源问题已经成为制约和影响世界许多国家经济社会可持续发展的战略性问题，我国人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4，水资源严重匮乏。从水资源利用的产业分布角度分析，2019年农业用水占全国用水量的61%，用水总量达3675亿m3，为各产业之首；同时，我国天然水资源与人口土地分布不相匹配，17个粮食主产区中8个分布在北方水资源紧缺地区，水资源承载力与承载负荷不均衡的问题突出，水资源处于超载和临界状态的区域越来越多、范围越来越大，约束程度越趋紧张[1-2]。随着节水意识的不断增强、节水奖惩制度的不断完善和节水型灌溉技术的持续推广应用，我国农业用水量逐年下降，从2015年的3852.2亿m3下降到2019年的3675亿m3，但整体下降幅度偏小，依旧存在灌溉水利用率较低、水肥一体化灌溉农田占比低和灌溉系统信息化程度不高等问题[3]，根据预测，到2030年还需要发展高效节水灌溉面积0.13多亿hm2。为此，节水灌溉项目在实施过程中需要因地制宜，将防渗渠、低压管道输水、喷灌、微灌、滴灌等节水灌溉技术与泵站自动化、信息化、大数据技术相结合[4]，充分挖掘农业灌溉节水潜力，实现水资源在农业发展中的高效、科学利用。以色列通过滴灌技术、供水管道监测、节水作物培育等方式高效利用水资源；我国也大力发展了如卷盘式、时针式、平移式喷灌技术，新疆兵团滴灌技术在小麦、花生、棉花、茄子等作物种植中有效实现了节水增产；中苏科技研发的“一体化智能泵站”实现了智能信息技术与灌溉技术的深度融合；诸多学者还针对不同地区、不同作物、不同生长期的土壤墒情及作物需水变化规律，利用智能算法进行墒情预测，实现了对作物的精准化灌溉[5]。我国的节水农业正逐步由传统农业向以自动化、信息化、智能化、精准化为特征的现代农业转变。本文以盐城市亭湖区某节水灌溉示范区泵站自动化、信息化建设为例，将渠道防渗、低压管道输水、喷灌、滴灌等节水灌溉技术与自动化监测、GPRS无线网络传输、信息化、网络化技术以及水、肥精量调控管理技术相结合对系统展开设计。

1系统需求分析

水利部一直十分重视信息化建设工作，信息化是一种先进的管理技术和管理手段，是提高管理水平、工作效率和服务质量的有效措施。利用计算机自动化控制、网络通讯技术，实现信息共享、远程控制，逐步提高管理与应用水平，是本系统设计迫切需要的，也是泵站自动化建设中最基础、最核心和最重要的工作之一。本系统主要有三部分组成：节水灌溉信息系统、泵站远程控制、墒情监测系统。

2节水灌溉信息系统设计

节水灌溉信息系统作为整个系统的对外展示窗口，汇集了各功能单元的信息，是系统人机交互的平台。在系统架构方面主要分四个层次，分别是数据采集层、信息传输层、数据管理层和系统应用层，其层次结构如图1所示。数据采集层根据控制、监测要求，在各监测点布置相应的监测传感器，并通过相应的传输结点，实现各类数据的采集；数据传输层通过建立无线或有线网络系统，将数据采集层采集的各类数据传送至监控中心数据服务器；数据管理层完成数据的管理工作，数据包括各类业务数据、数据采集层采集的各类实时数据等；系统应用层根据管理要求，建立各类应用系统软件，实现对灌区的信息化管理。节水灌溉信息系统在功能划分方面包括GIS地理信息系统、泵站控制监测系统、土壤墒情监测系统、气象站信息采集系统、数据统计系统、节水灌溉制度。其中，GIS平台应为网络地图平台（矢量和影像），以百度地图为基础，叠加上所有水系、建筑物等图层，根据需要下一步将项目区水利工程叠加到该地图上，并与水泵自动控制系统和视频监控系统进行集成，在地图中点击对象，能将现状实时信息和视频监控画面。监测控制系统对示范基地实时显示现场视频监控画面，做到统一调度和无人值守，通过网络传输，对远程的设备进行开启和关闭操作。土壤墒情监测系统实现实时收集土壤的数据，并对数据进行相关的分析，将分析结果用到节水灌溉系统中。气象站信息采集系统对气象参数进行测量，特别是雨情信息的实时采集，对用水量和节水灌溉尤为重要。数据统计系统根据收集的基本数据，进行数据分析做一些统计和分析，通过数据挖掘技术对土壤墒情进行预测。节水灌溉制度根据当前的气象信息、农作物布局、土壤的湿度和盐性土壤以及渠道的类型形成灌溉制度，可以根据现场实际情况对灌溉制度进行实时的调整。

3泵站远程自动控制系统设计

泵站自动控制系统能够实现灌溉泵站远程自动控制、管道灌溉控制、水位流量数据实时监测，实现节水灌溉自动化与智能化。满足“无人值班、少人值守”的要求，达到远程监控、数据共享、图像远传浏览的功能。系统拓扑图如图2所示。其中，现场测控单元具备如下功能：数据采集处理、控制与调节、保护和报警、数据通信等。现地测控单元对泵机组站的主辅设备的运行状态、运行参数以及传感器、仪器仪表的测量值进行实时采集、处理，存入实时数据库，作为系统监视、告警、控制、制表、模拟图形显示的依据。数据采集处理功能实现采集区域水泵的运行/停止状态，完成与每台机组多功能仪表的通信，采集泵机组供电系统的电压及工作电流、泵站电压、运行电流、机组功率与电量等。根据泵站机组装置效率、与水泵性能曲线计算泵站机组实时流量和整座灌溉泵站的总流量。控制与调节功能通过机柜上的切换开关，实现现场与远程的切换、自动与手动的切换，也可以按照优化调度运行方式或者根据对管道压力的设定进行分析自动完成泵站的调速调频运行与停止。保护与报警功能实现当系统发生故障或者出现紧急情况时，系统立即报警，并根据需要和实际情况自动终止当前的泵站运行操作。故障报警内容应包括：传感器故障、泵站电机过压、过流、缺相等保护。

4墒情监测系统

土壤墒情监测系统主要由田间传感器采集系统、ZigBee与GPRS无线传输系统和网络监测平台三部分组成。该土壤墒情监测系统是融合了传感器技术、ZigBee技术、GPRS无线通讯技术、数据库存储技术以及计算机技术等相关技术于一体的一套功能相对完善的土壤墒情实时监测系统。田间传感器采集系统是利用气象站、田间水位传感器、土壤水分、光照度、土壤温度和空气温湿度传感器组成传感器网络，实时采集土壤的墒情信息；ZigBee与GPRS传输系统是利用ZigBee近距离传输协议将采集到的土壤墒情信息传输至GPRS网关，GPRS网关再利用GPRS远距离传输协议将接收的土壤墒情信息传输至网络监测平台。网络监测平台则是对上传至互联网的数据进行处理，即网络监测平台从互联网上获得土壤的实时墒情数据，并对其进行相应的处理以获取重要的信息，并分析相关参数对作物生长的影响。

5结语

本文以盐城市亭湖区某节水灌溉实施区为基础，将多种节水灌溉技术与新兴信息技术相结合，实现灌溉过程的自动化、信息化、远程化、可视化，并对土壤墒情监测系统展开设计，系统自建成投入运营以来，通过移动端、Web端实现了灌溉过程的自动无人值守，经过农业技术人员的专业指导，农户逐渐掌握了主要种植作物的需水规律，并能结合墒情预测结果确定灌溉时间及用水量，在大大节约了灌溉人工劳动的同时、实现了节水预期，提高了灌溉水利用系数。实践表明，新一代信息技术与节水灌溉技术深度融合，通过数据驱动实现需水预测，达到作物按需精准供水、供肥，是现代农业发展的重要方向，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]徐文静，王翔翔，施六林，等.中国节水灌溉技术现状与发展趋势研究[J].中国农学通报，2016，32（11）：184-187.

[2]徐翔宇，唱彤，郦建强，等.我国水资源承载力的布局特征与调控对策[J].中国水利，2020，（19）：31-33.

[3]何振嘉，杜宜春，邱宇洁.灌溉农田高效用水研究进展与发展趋势[J].灌溉排水学报，2019，38（S2）：87-90.

[4]王烨峰，戴润华，宋希贤.基于大数据的智慧农业水利数据价值提升探析[J].现代农业科技，2020，（22）：139-141.

[5]丁辉，仲跃，张俊，钱建中，等.基于细菌觅食优化算法的支持向量机在土壤墒情预测中的应用[J].水土保持通报，2016，36（6）：131-135.

作者：宋希贤 王烨峰 姚文平 单位：盐城市亭湖区水利局