水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

摘 要：文章介紹了水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩大部分，硬件設(shè)備包括遠(yuǎn)程遙控抽排水泵、渠道量控一體化遙控閘門(mén)、田間智能灌排閘門(mén)以及田間水層遙測(cè)雷達(dá)等設(shè)備；軟件系統(tǒng)采用JAVA開(kāi)發(fā)，包括4個(gè)子系統(tǒng)和五個(gè)功能化模塊。本系統(tǒng)主要是為水稻田的灌排、量控提供服務(wù)，一方面可有效支持水稻種植實(shí)行科學(xué)“淺、濕、曬”節(jié)水灌溉；另一方面可實(shí)現(xiàn)計(jì)量供水、總量控制、定額管理以及遙測(cè)、遙控、遙視的自動(dòng)化、信息化管理。

關(guān)鍵詞：水稻田；節(jié)水灌溉；遠(yuǎn)程控制

我國(guó)水稻的播種面積僅次于印度，約占世界水稻總面積的1/6，占國(guó)內(nèi)糧食種植面積的26.9%。我國(guó)耕地面積控制在18億畝，水稻種植面積近4.5億畝，農(nóng)業(yè)用水占全社會(huì)用水總量的70%以上[1]。但是，水稻灌溉用水占整個(gè)農(nóng)業(yè)用水量的90%以上，個(gè)別地區(qū)（黑龍江?。┻_(dá)到96%，所以，節(jié)約控制水稻田灌溉用水量，才能有效的、大比例實(shí)現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)，使節(jié)水增糧行動(dòng)具有比較顯著的、實(shí)際的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。水稻田傳統(tǒng)灌溉方式為淹灌，該灌溉方式不僅耗水量大，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，水分利用效率也低，而且容易引起面源污染[2-3]。我國(guó)節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上起步的，首先是在缺水干旱地區(qū)的旱地作物示范應(yīng)用進(jìn)而大面積推廣應(yīng)用，技術(shù)逐步達(dá)到成熟。但在水稻田節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制方面，起步較晚，尤其是田面水層精準(zhǔn)自動(dòng)控制方面研究較少[4-5]。水稻田全自動(dòng)精準(zhǔn)灌排控制裝置是根據(jù)當(dāng)前水稻種植淺、濕、曬科學(xué)控水節(jié)水種植原理，將自動(dòng)化、信息化控制技術(shù)引用到田間，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，用測(cè)量傳感裝置精準(zhǔn)全自動(dòng)控制水稻田灌溉水層，實(shí)現(xiàn)田間無(wú)人巡值，自行灌溉管理控制，節(jié)約勞動(dòng)時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約生產(chǎn)成本、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[6]。

1 精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

江蘇省是全國(guó)重點(diǎn)稻作省區(qū)之一，全省水稻田面積穩(wěn)定在3400萬(wàn)畝左右，稻谷產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的60%以上。為了改變過(guò)去不合理的灌溉方式，節(jié)約水資源，我們承擔(dān)了江蘇省某市節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的控制方式采用自動(dòng)、手動(dòng)的聯(lián)合控制方式，硬件設(shè)備采用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，軟件應(yīng)用Java設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水稻田節(jié)水灌溉自動(dòng)化、智能化、信息化、優(yōu)化水資源配置。

系統(tǒng)整體平面布置如圖1所示，進(jìn)水渠道上下游分別安裝2臺(tái)節(jié)制閘；在6塊條田進(jìn)水口處，安裝有6臺(tái)遠(yuǎn)程遙控進(jìn)水閘板；6塊條田的出水口處，安裝有6臺(tái)全自動(dòng)排水閘板；6條田塊中央位置安裝6臺(tái)田間水位遙測(cè)雷達(dá)。

手動(dòng)控制過(guò)程如下：當(dāng)灌溉季節(jié)到來(lái)時(shí)，用授權(quán)的手機(jī)向節(jié)制閘1發(fā)送開(kāi)啟指令，打開(kāi)節(jié)制閘1，渠道有水流進(jìn)入，此時(shí)節(jié)制閘2仍處于關(guān)閉狀態(tài)，將渠道水位擁高；然后利用平板電腦，打開(kāi)進(jìn)水閘1，渠道中的水進(jìn)入田間進(jìn)行灌溉，當(dāng)一段時(shí)間后利用田間水層遙測(cè)雷達(dá)招測(cè)田間水深，當(dāng)田間水深到達(dá)用戶要求的水深時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閘1，開(kāi)啟進(jìn)水閘2，進(jìn)行第二個(gè)條田的灌溉，操作過(guò)程如條田1，之后依次進(jìn)行下去，即可完成所有條田的灌溉。當(dāng)所有條田灌溉完畢后，利用手機(jī)向節(jié)制閘2發(fā)送指令，打開(kāi)節(jié)制閘2，讓水流沿著渠道繼續(xù)流向下一灌溉區(qū)域。

灌溉過(guò)程中如果田間水位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，操作人員忘記關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)，或者當(dāng)灌溉完成后突降暴雨使得田間水位超過(guò)設(shè)定值時(shí)，此時(shí)條田排水渠道設(shè)定的兩根電極接通，排水閘板開(kāi)啟，條田內(nèi)多余水量排向下游渠道，當(dāng)排水達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電極斷開(kāi)，閘門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

1.2 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)因地制宜探索總結(jié)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用模式，并在項(xiàng)目區(qū)對(duì)基層技術(shù)人員和水稻種植戶集中培訓(xùn)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉的主要技術(shù)要領(lǐng)[7]。

研制開(kāi)發(fā)的灌區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要是為水稻田灌排水提供服務(wù)，它具有以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)水稻田種植科學(xué)的“淺、濕、曬”的節(jié)水灌溉模式；（2）實(shí)現(xiàn)泵站電動(dòng)機(jī)、渠系閘門(mén)及田間分配水口門(mén)的自動(dòng)控制；（3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)、遙視；（4）實(shí)現(xiàn)計(jì)量供水、總量控制、定額管理。

2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)主要硬件包括：遠(yuǎn)程遙控抽排水泵、渠道量控一體化閘門(mén)、田間全自動(dòng)灌排閘門(mén)以及田間水層遙測(cè)雷達(dá)。其中遠(yuǎn)程遙控抽排水泵和田間全自動(dòng)灌排閘門(mén)起到控水的作用，田間水層遙測(cè)雷達(dá)具有量測(cè)的功能，而渠道量控一體化閘門(mén)既能控水又具有量水的雙重功能。

2.1 遠(yuǎn)程遙控抽排水泵

抽排水泵采用手機(jī)或者ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控，主要是將無(wú)線智能通訊遙控執(zhí)行終端（設(shè)備手機(jī)）與相關(guān)水泵動(dòng)力配電箱相匹配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收指令、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)運(yùn)行，并將執(zhí)行結(jié)果用短信反饋給設(shè)備管理者。

水稻種植管理者根據(jù)智能手段掌握的信息，針對(duì)田間水稻生長(zhǎng)期“淺、濕、干”時(shí)段需要用水要求，進(jìn)行灌溉或者排水。

2.2 渠道量控一體化遠(yuǎn)程遙控閘門(mén)

根據(jù)某一灌溉區(qū)域水稻某一需水季的核定水量開(kāi)閘放水時(shí)，基層水管人員用自己的手機(jī)以短信的形式向閘門(mén)通訊及自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送指令，閘門(mén)即自行開(kāi)啟至指定高程，閘門(mén)自行執(zhí)行完畢后，自動(dòng)將執(zhí)行結(jié)果以短信的方式回復(fù)給水管人員。

渠道水位高度通過(guò)流速儀形成率定關(guān)系后，同時(shí)與閘門(mén)開(kāi)度形成率定相關(guān)關(guān)系。水管人員根據(jù)水位流量/閘門(mén)開(kāi)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)表1），通過(guò)手機(jī)指令閘門(mén)開(kāi)啟相應(yīng)高程，即可實(shí)現(xiàn)量控一體化。

渠道閘門(mén)水流量通過(guò)放水時(shí)間核定，一旦時(shí)間到點(diǎn)，水管人員通過(guò)手機(jī)即刻關(guān)閉此段閘門(mén)，按排序進(jìn)行下段控灌管理。

2.3 田間智能閘門(mén)

田間全自動(dòng)灌排控水閘板是由現(xiàn)代數(shù)字化電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)啟閉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、玻璃鋼或者不銹鋼閘門(mén)框架結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電源系統(tǒng)組合而成，與簡(jiǎn)易田間水層傳感器（圖2）配合使用，可以達(dá)到在無(wú)人條件下全自動(dòng)啟閉運(yùn)行。另外，在田間全自動(dòng)灌排控水閘板的控制系統(tǒng)中增加無(wú)線通訊（ZigBee模塊），可以在以計(jì)算機(jī)為中心組成的局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控啟閉。

2.4 田間水層遙測(cè)雷達(dá)

田間水層精測(cè)雷達(dá)（圖3）是采用非接觸式（mm級(jí)）測(cè)量模式，裝配有無(wú)線通訊智能執(zhí)行系統(tǒng)，分布安裝在水田中典型位置，水利或者農(nóng)業(yè)種植者采用便攜移動(dòng)式中央服務(wù)器發(fā)出指令，田間無(wú)線通訊執(zhí)行終端控制水層雷達(dá)執(zhí)行精準(zhǔn)測(cè)量，并反饋測(cè)量數(shù)據(jù)到平板電腦上。

本產(chǎn)品將測(cè)量?jī)x器、專制手機(jī)通訊模塊或者ZigBee無(wú)線通訊模塊電源集成在箱體內(nèi)，簡(jiǎn)單方便地安插在水稻田中使用。利用雷達(dá)測(cè)水位，無(wú)盲區(qū)，精度高，不受壓力變化、真空、溫度變化、惰性氣體、煙塵、蒸汽等環(huán)境影響，測(cè)量靈敏，刷新速度快，是目前比較精準(zhǔn)的測(cè)量方式。

產(chǎn)品應(yīng)用一方面可有效支持水稻種植實(shí)行科學(xué)“淺、濕、曬”節(jié)水灌溉；另一方面可采用水田面積乘以水層實(shí)現(xiàn)水量認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)科學(xué)總量控制，定額管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理共分四個(gè)子系統(tǒng)：智能灌溉規(guī)則子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、監(jiān)控日志子系統(tǒng)、和系統(tǒng)日志子系統(tǒng)。

（1）智能灌溉規(guī)則子系統(tǒng)的功能是設(shè)定灌溉制度，合理的進(jìn)行水田的灌溉時(shí)間、灌溉頻率、輪灌制度等的設(shè)置，可為系統(tǒng)全自動(dòng)控制提供服務(wù)。

（2）設(shè)備管理子系統(tǒng)主要是完成對(duì)水泵，渠道進(jìn)水、退水，渠與田之間進(jìn)、排水，田間水位遙控招測(cè)等的開(kāi)關(guān)控制。

（3）監(jiān)控視頻子系統(tǒng)主要是配合田間圖片視頻監(jiān)測(cè)儀，將田間的干旱裂紋情況、水層情況、長(zhǎng)勢(shì)情況、病蟲(chóng)害情況、灌溉設(shè)施運(yùn)行情況等照片或者視頻傳輸至指令發(fā)出的智能手機(jī)上，并能查詢歷史視頻記錄。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)主要功能是處理各種采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，記錄整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況歷史的，可以進(jìn)行以往操作的查詢和管理，以及調(diào)取數(shù)據(jù)資料等。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)從功能可分為四大子系統(tǒng)，包括五個(gè)功能模塊，分別是：自動(dòng)化灌溉規(guī)則模塊、控制設(shè)備模塊、傳感設(shè)備模塊、監(jiān)控視頻模塊以及指令日志模塊。

3.2.1 自動(dòng)化灌溉規(guī)則模塊

本模塊可進(jìn)行灌溉規(guī)則的制定，根據(jù)傳統(tǒng)的灌溉經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水稻“淺、濕、曬”的現(xiàn)代管理方式，制定科學(xué)合理的自動(dòng)化灌溉規(guī)則，可為系統(tǒng)完全自動(dòng)化灌溉提供支持。

3.2.2 控制設(shè)備模塊

本模塊實(shí)現(xiàn)6個(gè)進(jìn)水閘門(mén)和一臺(tái)遙控水泵的控制，控制操作方式為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程遙控，需要工作人員通過(guò)該系統(tǒng)的圖形界面直接控制泵站的啟閉（其操作過(guò)程是以開(kāi)泵為例說(shuō)明），操作人員打開(kāi)平板電腦，連接上局域網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟ZIGBEE通訊，按鈕先發(fā)送檢測(cè)泵站啟閉狀態(tài)命令，若檢測(cè)到泵站處于閉狀態(tài)，然后才真正發(fā)送開(kāi)泵命令。為保證命令的可靠傳輸，命令以幀格式發(fā)送，帶有糾錯(cuò)、檢錯(cuò)字段保證命令的可靠傳輸，開(kāi)閘成功后，圖形界面指令日志里反饋設(shè)備是否開(kāi)啟的指令。

3.2.3 傳感設(shè)備模塊

本模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)田塊田間水層的招測(cè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸，根據(jù)招測(cè)的田間水層數(shù)據(jù)人工判斷稻田是否還需要灌水，以此控制閘門(mén)的開(kāi)閉。同時(shí)可根據(jù)招測(cè)到的水層數(shù)據(jù)乘以田塊的面積計(jì)算田塊灌溉的總水量，為科學(xué)的水稻田田間管理和用水定額計(jì)量提供保證。

3.2.4 監(jiān)控視頻模塊

本模塊是對(duì)田間視頻監(jiān)控起到管理控制的目的，通過(guò)田間的遠(yuǎn)程遙視將田間的干旱裂紋情況、水層情況、長(zhǎng)勢(shì)情況、病蟲(chóng)害情況、灌溉設(shè)施運(yùn)行情況等照片或者視頻傳輸至指令發(fā)出的智能手機(jī)上，并能查詢歷史視頻記錄，對(duì)田間作物管理和設(shè)備保護(hù)起到非常重要的作用。

3.2.5 指令日志模塊

通過(guò)指令日志，用戶可以實(shí)時(shí)了解發(fā)送指令的狀態(tài)，以及設(shè)備的運(yùn)行情況，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。

水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)是依據(jù)水稻種植過(guò)程中各個(gè)階段的不同用水需求及相關(guān)用水調(diào)配的需求而設(shè)計(jì)的，從用戶角度來(lái)看，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)表現(xiàn)于系統(tǒng)的總控按鈕，本系統(tǒng)功能性較強(qiáng)，而且界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、美觀，易學(xué)易操作。

本系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)是：

（1）采用先進(jìn)的量控一體化設(shè)計(jì)理念，結(jié)合實(shí)際情況，采用普通手機(jī)或平板電腦以及GPRS或ZIGBEE通訊協(xié)議作為通信手段和通訊平臺(tái)，以發(fā)短或指令的形式下達(dá)啟閉命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

（2）動(dòng)力電源既考慮到有市電條件的應(yīng)用，也考慮充分利用由太陽(yáng)能、蓄電瓶供電系統(tǒng)支持各種功率電動(dòng)機(jī)的閘門(mén)運(yùn)行。

（3）通過(guò)超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)以無(wú)線或有線方式傳輸?shù)椒?wù)器上進(jìn)行儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、分析和決策。

（4）根據(jù)作物的全生長(zhǎng)周期的用水需求，通過(guò)控制系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)閘門(mén)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，調(diào)節(jié)水環(huán)境，給作物最適宜的生長(zhǎng)條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)，將有效地提高防汛防旱的預(yù)警及處理能力，本系統(tǒng)不僅有實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示功能，同時(shí)也擁有預(yù)測(cè)及處理方案推演及優(yōu)化功能。對(duì)提高水資源管理水平有重要幫助，并對(duì)建立節(jié)能、安全、環(huán)保型社會(huì)有重要意義[8]。

在農(nóng)村勞動(dòng)力流失，勞動(dòng)力成本大幅上升的大背景下，開(kāi)展水稻田節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用和示范，是推進(jìn)水稻節(jié)水灌溉和節(jié)約型農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容，符合我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的方向，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大舉措；是提高水資源利用效率和效益，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的需要；對(duì)推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境都具有重要的作用。

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