云智能化在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用研究

郭子鳳，王永莉

（大同市水利科學(xué)研究所，山西 大同 037000）

1 項目概況

項目區(qū)位于大同市水泊寺鄉(xiāng)東墳村農(nóng)業(yè)園區(qū)，屬溫帶半干旱大陸型季風(fēng)氣候，多年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-29.2℃，多年平均降水量393 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 197 mm，無霜期125 d，最大凍土深度為1.86 m。項目村現(xiàn)有人口1 039 人，2009 年3 月起先后因安置區(qū)、鐵一中、得大高速、東客站、萬龍滑雪場、市委黨校等項目建設(shè)部分土地被征用，現(xiàn)余土地10 hm2，人均耕地不足0.01hm2。項目區(qū)離御河干渠較近，農(nóng)業(yè)灌溉水源主要為引用地表水?，F(xiàn)有水源池1 處，配置潛水泵1 臺，高位蓄水池1 座，灌溉面積6.67 hm2。本項目管灌區(qū)3.67 hm2，滴灌區(qū)3 hm2。

試驗區(qū)北部有1 座50 m3蓄水池，位于試驗區(qū)最高處，灌溉作物種植區(qū)與蓄水池高差為20 m，利用高差采用自流灌溉的方式，基本可以滿足滴灌和管灌需求。

管線鋪設(shè)依據(jù)地形、地塊、道路等情況布置管道系統(tǒng)，要求管道系統(tǒng)線路最短，控制面積最大，便于機(jī)耕，管道盡可能雙向分水。每個閥門為一個獨立的灌溉組。管線鋪設(shè)采用“豐”字型布置，滴管共計分為6 個灌溉組，控制3 hm2的澆灌任務(wù)。管灌分5 個灌溉組，控制3.67 hm2的澆灌任務(wù)。分別用流量計記錄各灌溉組的用水量。滴灌組由6 個電磁閥控制，每個電磁閥控制1 個灌溉組。管灌分5 個灌溉組，由5 個電磁閥控制。

灌水器采用穩(wěn)流式滴頭，額定流量10 L/h，根據(jù)實際種植規(guī)格，每棵果樹根部安裝一個滴頭，平均間距為2.5 m。

2 智能化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模

項目建設(shè)智能化節(jié)水灌溉技術(shù)果園6.67 hm2，智能化節(jié)水灌溉項目的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)包括以下內(nèi)容：

移動APP 管理平臺。通過租用第三方云服務(wù)器，搭建灌區(qū)數(shù)據(jù)匯聚中心；通過定制開發(fā)的移動APP 軟件管理平臺，和配套的移動管理終端，實時掌控灌區(qū)灌溉信息，實現(xiàn)灌溉自動化、智能化。

泵站監(jiān)控系統(tǒng)。項目區(qū)現(xiàn)有水源池1 座，配套潛水泵1 臺，由潛水泵提水至高位蓄水池，采用空氣開關(guān)就地控制，可靠性和安全性極低，本次系統(tǒng)設(shè)計對水源池泵站進(jìn)行升級改造，配套軟啟動柜1 面、泵站監(jiān)控終端柜1 面、無線通訊模塊1 個、液位傳感器1 只、管道過濾器1 臺。

灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)主要配置DN 100電動閥門2 臺、DN 50 電動閥門6 臺、DN 100 流量計1 臺、DN 50 流量計6 臺、墑情監(jiān)測站1 處、簡易氣象站1 處。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

2.2.1 移動APP 管理平臺

移動APP 管理平臺集中處理系統(tǒng)整體運行情況，負(fù)責(zé)監(jiān)控和調(diào)度管理各監(jiān)控系統(tǒng)工作（泵站、閥門），接收各泵站、閥門監(jiān)控測點的數(shù)據(jù)并作分析、處理和存儲?？蓪ο到y(tǒng)整體運行模式進(jìn)行人工設(shè)定、修改，并可遠(yuǎn)程控制各監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控點設(shè)備。

2.2.2 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測水源池和高位蓄水池水位值和水泵機(jī)組運行狀況，根據(jù)蓄水池水位情況、自動啟停潛水泵向高位蓄水池補充水量來滿足灌溉用水的需求。

能夠監(jiān)測現(xiàn)場電源狀態(tài)、機(jī)泵運行狀態(tài)、蓄水池水位、出口流量，可以通過面板或按鈕控制水泵啟停，并可以將這些數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心，接收其指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控泵等動作。

2.2.3 灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)包括管灌區(qū)、滴灌區(qū)，主要配套智能電動閥門、小氣象站、土壤溫濕度傳感器等，系統(tǒng)可將閥門的開閉狀態(tài)上傳移動APP 管理平臺，同時接收移動APP 管理平臺發(fā)送的控制指令開閉電動閥。

系統(tǒng)可實時采集現(xiàn)地小氣象站數(shù)據(jù)、土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)綜合分析當(dāng)前灌溉用水需求量，合理調(diào)配電動閥門的開閉，達(dá)到調(diào)節(jié)灌溉用水的目的。

2.3 系統(tǒng)建設(shè)的創(chuàng)新點

2.3.1 智能灌溉管理系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新

智能化灌溉依托強大的信息化，應(yīng)用軟件平臺開發(fā)和IT 系統(tǒng)集成能力，利用4G 網(wǎng)絡(luò)，在云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，從“田間、需求、服務(wù)”三個方面，構(gòu)建一個完整的智能化灌溉平臺。

2.3.2 物聯(lián)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)創(chuàng)新

主要負(fù)責(zé)完成示范區(qū)內(nèi)相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息的收集，獲取實時的作物自身要素和環(huán)境要素的測量信息。采集的信息分為空氣、環(huán)境要素信息和作物、農(nóng)田管理措施信息。

空氣、環(huán)境要素信息的采集，目的是收集空氣溫度、濕度等要素，了解作物呼吸與生長必備情況，為調(diào)節(jié)作物生長條件提供依據(jù)；信息內(nèi)容有空氣溫度、濕度、降雨量三方面，采集方式為簡易氣象站測量，其中溫度與降雨情況，是決定果樹物候期生長的客觀條件。

作物、農(nóng)田管理措施信息的采集目的，是利用采集信息，建設(shè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)田間管理，通過科學(xué)的田間管理措施保障果樹科學(xué)生長，促進(jìn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)；其中株高、樹徑枝條生長信息通過人工測量采集，施肥量、澆水量根據(jù)田間管理記錄錄入，病蟲害信息根據(jù)田間防治記錄錄入。

3 智能化灌溉系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能化節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)總體分為3 個部分，分別為移動APP 管理平臺、泵站監(jiān)控系統(tǒng)、灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1.1 移動APP 管理平臺

移動APP 管理平臺是整個灌溉智能化監(jiān)控系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收、處理、分析、存儲及輸出各種數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制指令，監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行情況。

3.1.2 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)配置泵站LCU 屏、軟啟動柜，進(jìn)行相關(guān)電氣連接，實現(xiàn)水泵控制。具備手動、自動和遠(yuǎn)程控制功能，管理員可以隨時觀察其工作狀態(tài)。

3.1.3 灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)

電動閥門接收并執(zhí)行移動APP 管理平臺的開關(guān)控制指令，將開關(guān)信息反饋至移動APP 管理平臺，完成灌區(qū)作物灌溉用水的調(diào)節(jié)控制。管灌區(qū)采用出水口控制方式，滴灌區(qū)和噴灌區(qū)采用控制閥井控制。

3.2 分項控制技術(shù)

本灌溉控制系統(tǒng)可分為兩大部分，高位蓄水池控制和灌溉閥門控制。動力系統(tǒng)控制采用軟啟動系統(tǒng)，軟啟動器具有低壓、過壓、缺相、漏電、過載等保護(hù)功能，通過軟啟動器控制提水泵，可降低水泵直接啟動對電網(wǎng)電壓的沖擊，有效保護(hù)電機(jī)。

自控系統(tǒng)采用西門子200 smart PLC 系統(tǒng)，集成了昆侖通態(tài)觸摸屏1071Gi、4 G 物聯(lián)網(wǎng)模塊。通過觸摸屏可監(jiān)控水塘水位、高位水池水位、提水泵狀態(tài)、電源電壓、各閥門及流量、土壤墑情等，遠(yuǎn)程可通過4 G物聯(lián)網(wǎng)模塊，將自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞至物聯(lián)網(wǎng)云平臺；通過手機(jī)、電腦登錄特定的云平臺賬號，可監(jiān)測和控制現(xiàn)場各設(shè)備。

3.2.1 泵站監(jiān)控系統(tǒng)

泵站控制系統(tǒng)分就地和集控兩種，通過泵站LCU屏上的轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。就地狀態(tài)，提水泵通過軟啟動柜上的啟停按鈕啟停，自控系統(tǒng)不參與提水泵控制。集控狀態(tài)，自控系統(tǒng)通過檢測電源電壓狀態(tài)、相序等來決定提水泵是否可以啟動，當(dāng)市電缺失、相序故障時，提水泵禁止啟動；集控狀態(tài)又分為手動控制和自動控制。現(xiàn)場可通過觸摸屏上的按鈕進(jìn)行切換，默認(rèn)狀態(tài)是自動控制。手動狀態(tài)時，通過觸摸屏上的啟停按鈕進(jìn)行啟停。

自動控制是通過檢測水塘水位和高位池水位控制提水泵啟停。設(shè)置水塘保護(hù)水位，可在觸屏上設(shè)置某一數(shù)值，當(dāng)實時水位低于保護(hù)水位時，禁止提水泵啟動。

高位蓄水池的水位采樣，通過RS 485 通訊，狀態(tài)可在觸屏上觀察到，通訊異常時，禁止啟動提水泵；通訊正常時，通過設(shè)置的水位低限值和高限值，控制提水泵啟動和停止。

現(xiàn)場需要使用自動控制時，只需將自控柜切換開關(guān)轉(zhuǎn)至集控狀態(tài)，設(shè)置好水塘保護(hù)水位、蓄水池低限和高限。通過云平臺也可實現(xiàn)自動控制和手動控制的切換。

3.2.2 電動閥門控制系統(tǒng)

高位蓄水池配水口閥門井中，安裝1 個總控電動閥門，灌溉支管上安裝了6 個分支電動閥門；每個閥門前安裝了一個流量傳感器。人工判斷是否需要灌溉，決定是否打開或關(guān)閉閥門。各電動閥門和流量計采樣采用RS 485 通訊方式。

從發(fā)出開關(guān)閥門指令到執(zhí)行，需要1 min，閥門開關(guān)狀態(tài)反饋需要1 min，一個命令的發(fā)出到執(zhí)行完畢最多需要3 min。流量信號3～5 min 采集一次。

3.2.3 軟件平臺系統(tǒng)

自動化監(jiān)控與信息管理平臺（以下簡稱“平臺”），分為客戶端和移動端（APP）。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能采集終端、智能水表等在線監(jiān)測，實時觀察工程水位信息、運行模式、運行狀態(tài)等情況。移動APP 平臺下載安裝后，可在任何時間、任何地點，實時查看供水工程狀態(tài)，有效管理供水信息，打破辦公時空限制。

移動端使用禹水物聯(lián)，能夠直觀地監(jiān)測工程各設(shè)備的運行情況，主要包含工程管理、報警信息、個人中心等功能。工程管理，通過GIS 地圖，展示權(quán)限范圍內(nèi)各項工程分部情況，移動端信息與PC 端信息同步共享模式。報警信息，點擊首頁按鈕，可查看權(quán)限范圍內(nèi)的預(yù)警實時提醒，可查看報警信息詳情。個人中心，點擊首頁按鈕，可在【個人中心】修改個人電話和手機(jī)信息；點擊【官方聯(lián)系】查看技術(shù)支持聯(lián)系方式；【關(guān)于我們】可查看公司信息；【系統(tǒng)設(shè)置】可查看移動端功能介紹、修改移動端登錄密碼以及移動端版本信息。

4 樹體生育測定成果

通過自動化監(jiān)測管理測定表明，滴灌比管灌新生枝條長度增長9.1%。管灌條件下樹干徑的增長率平均為95.5%，滴灌條件下樹干徑的增長率平均為90.2%。管灌區(qū)樹干徑比滴灌區(qū)樹干的徑增長率平均增加5.9%。