基于物聯(lián)網(wǎng)的水稻灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

陳 朋 ，申云香 ，馬艷萍

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014；2.北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081）

傳統(tǒng)水稻灌溉模式為人工漫灌，水肥利用率較低，存在精細(xì)化程度低、管理難度大等問(wèn)題。同時(shí)，水稻種植區(qū)一般水資源較為豐沛，種植戶(hù)的節(jié)水意識(shí)普遍不高。開(kāi)展節(jié)水灌溉，從源頭減少田間用水和排水，進(jìn)而降低污染物流失量，構(gòu)建節(jié)水減污型生態(tài)灌區(qū)，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的有效手段，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

本文以安徽省廬江縣巢湖西岸圩區(qū)水稻科研試驗(yàn)基地為例，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)展以節(jié)水減污為目標(biāo)的水稻智能灌溉系統(tǒng)建設(shè)試點(diǎn)，以期為同等條件下稻田節(jié)水灌溉與面源污染防治提供參考。

1 場(chǎng)地現(xiàn)狀

1.1 基地概況

該科研試驗(yàn)基地距巢湖約15 km，處于國(guó)家級(jí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)。試點(diǎn)區(qū)域地勢(shì)平坦，總面積約18.67 hm2，原為農(nóng)戶(hù)種植，經(jīng)土地流轉(zhuǎn)，現(xiàn)由某農(nóng)科院統(tǒng)一管理。場(chǎng)地已完成土地平整、田埂硬化及灌排渠系建設(shè)，整體劃分為規(guī)整的50個(gè)田塊，單塊長(zhǎng)約100 m，寬約30 m。

1.2 種植結(jié)構(gòu)

區(qū)內(nèi)種植結(jié)構(gòu)大多為一稻一麥，兼有部分雙季稻。試點(diǎn)區(qū)域以科研試驗(yàn)為主，種植結(jié)構(gòu)為單季稻。

1.3 灌排方式

場(chǎng)地西側(cè)為南北向灌排干渠，中部為東西向灌排支渠。由于外河水位較高，灌溉期開(kāi)啟外河引水口門(mén)，河水即自流進(jìn)入干渠、支渠，田間再利用泵站或移動(dòng)水泵提水灌溉；排澇時(shí)，田間排水自流進(jìn)入支渠，再匯入干渠后由末端排澇泵站排入外河。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

農(nóng)田排水是污染物輸送的載體，稻田節(jié)水減污的著力點(diǎn)就在于科學(xué)管控田間排水。設(shè)計(jì)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化、精準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì)，在水稻灌溉期和排澇期分別制定控制策略。在灌溉期，針對(duì)水稻不同生長(zhǎng)期對(duì)水分的需求，根據(jù)土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定最佳灌水時(shí)機(jī)和灌水量，通過(guò)精準(zhǔn)灌溉實(shí)現(xiàn)節(jié)水，并確保不產(chǎn)生農(nóng)田尾水；在排澇期，根據(jù)天氣預(yù)警、田間余水量、水質(zhì)等確定排水時(shí)機(jī)，通過(guò)提前排水增加田間蓄澇能力，避免或減少降雨期間氮、磷等污染物的流失，實(shí)現(xiàn)減污。

2.2 系統(tǒng)組成

1）信息采集系統(tǒng)。通過(guò)布設(shè)在田間的傳感器采集氣象數(shù)據(jù)、田間水位、土壤水分、水質(zhì)等環(huán)境信息，為灌溉和排水決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）信息傳輸系統(tǒng)。借助 ZigBee、GPRS、Wifi、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)匯聚來(lái)的信息安全可靠地傳輸至數(shù)據(jù)云平臺(tái)；同時(shí)，將中央控制器下達(dá)的各項(xiàng)指令發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)。

3）數(shù)據(jù)云平臺(tái)。負(fù)責(zé)收發(fā)、存儲(chǔ)、管理各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指令，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)字模型等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為實(shí)施灌排決策提供建議。數(shù)據(jù)云平臺(tái)由一系列軟件、模塊構(gòu)成，可利用智能手機(jī)、PAD、電腦等終端同步使用。

4）中央控制系統(tǒng)。根據(jù)灌溉制度、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等自動(dòng)生成或手動(dòng)輸入控制指令，并發(fā)送至中央控制器，中央控制器將指令發(fā)送至各物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水泵、閘門(mén)等設(shè)施的控制?？刂品绞娇蛇x擇本地手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制等模式。

5）灌排設(shè)施系統(tǒng)。灌排設(shè)施系統(tǒng)包括構(gòu)成灌排體系的各項(xiàng)設(shè)備和設(shè)施，主要由泵站、管網(wǎng)、渠道、閘門(mén)、閥門(mén)等組成，一般選用兼容性強(qiáng)、精度高、適合長(zhǎng)期在農(nóng)田及惡劣環(huán)境工作的設(shè)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體布局

項(xiàng)目區(qū)田塊整齊，灌排有序，設(shè)計(jì)維持已有排灌布局及田塊格局，并充分利用已建設(shè)施。設(shè)計(jì)新建灌溉泵站1座，布置在東西向灌排支渠上，自泵站引出灌溉管道2條，分別通至南、北兩側(cè)灌溉農(nóng)渠。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及灌溉控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備可服務(wù)距離分片布設(shè)。

3.2 灌溉設(shè)施與灌溉制度

新建灌溉泵站1座，泵房建筑面積20 m2，設(shè)置在灌排支渠上；泵房?jī)?nèi)設(shè)水泵1臺(tái)，采用潛水泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程22 m，流量162 m3/h，配套電機(jī)功率18.5 kW。水泵出水管采用DN150鋼管，埋地敷設(shè)至閥門(mén)井，自閥門(mén)井引出管道采用DN160 PE管，總長(zhǎng)490 m，埋地敷設(shè)至灌排農(nóng)渠渠首（已建成矩形明渠）。

灌溉方式為輪灌，每次灌溉3個(gè)格田為一個(gè)輪灌組同時(shí)工作。

3.3 信息采集與傳輸系統(tǒng)

信息采集與傳輸系統(tǒng)由微型氣象站、水位計(jì)、監(jiān)測(cè)分機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)微基站等組成。設(shè)計(jì)新建微型氣象站1處，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)田間生長(zhǎng)環(huán)境并測(cè)報(bào)未來(lái)10天作物生長(zhǎng)環(huán)境，包括熱害、冷害、強(qiáng)降雨、露點(diǎn)等。微型氣象站通過(guò)線(xiàn)纜直接連接到物聯(lián)網(wǎng)微基站，傳感器采集到數(shù)據(jù)后有線(xiàn)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)。

項(xiàng)目區(qū)共有50個(gè)田塊，設(shè)計(jì)在每個(gè)田塊布設(shè)1臺(tái)超聲波水位計(jì)，水位計(jì)通過(guò)線(xiàn)纜有線(xiàn)連接到鄰近的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)分機(jī)，整個(gè)區(qū)域共設(shè)置監(jiān)測(cè)分機(jī)13臺(tái)，由監(jiān)測(cè)分機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到物聯(lián)網(wǎng)微基站。

物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)將所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/GSM公網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)云平臺(tái)。用戶(hù)通過(guò)授權(quán)賬號(hào)登陸云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、下載、分析、實(shí)時(shí)查看等功能，并保證所有數(shù)據(jù)與終端設(shè)備同步。

3.4 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由中央控制器、無(wú)線(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)、測(cè)控一體閘門(mén)等組成。在每個(gè)田塊安裝1個(gè)測(cè)控一體閘門(mén)進(jìn)行供水，并配備1個(gè)無(wú)線(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)。

在智能模式下，數(shù)據(jù)云平臺(tái)通過(guò)對(duì)田塊水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，自動(dòng)生成控制指令，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令信號(hào)發(fā)送至中央控制器，中央控制器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用頻段將指令無(wú)線(xiàn)發(fā)送到各個(gè)終端控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水泵、閘門(mén)的智能啟閉。

在人工模式下，用戶(hù)利用手機(jī)、電腦等終端發(fā)出控制指令，云平臺(tái)接收指令后傳送至物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)，由中央控制器發(fā)送指令至各個(gè)無(wú)線(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水泵、閘門(mén)啟閉控制。

3.5 云平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)

云平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的樞紐，是用戶(hù)與田間設(shè)施的連通橋梁。該系統(tǒng)大多由物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供，一般包含物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、控制、視頻、網(wǎng)絡(luò)預(yù)警、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理、電子地圖等多個(gè)模塊，用戶(hù)可根據(jù)需要自行設(shè)置。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)化、智能化控制，大大提高了灌溉效率，避免了傳統(tǒng)大水漫灌方式導(dǎo)致的水肥浪費(fèi)。既降低了灌溉水量和次數(shù)，又削減了污染物排放量，還能節(jié)省人力及維護(hù)費(fèi)用，具有高效、智能、節(jié)水、省工、增產(chǎn)、減污的特點(diǎn)，在推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。