淺談上海農(nóng)場大田智能灌溉管理系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用

李 峰 （鹽城市沿海水利工程有限公司，江蘇省鹽城市 224153）

光明食品集團上海農(nóng)場有限公司地處蘇北濱海沖積平原，毗鄰國家級丹頂鶴自然保護區(qū)和麋鹿自然保護區(qū)，位置優(yōu)越、交通便捷、生態(tài)良好，擁有發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)得天獨厚的自然條件。上海農(nóng)場作為上海市域外最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，長期以來，8萬座田間進、排水閘門都需人力手工操作，每年不僅要在人工、管理上花費大量資金，田間水層管理也難以做到精準節(jié)約。而目前，我國智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)還處于研制和試用階段。在此背景下，筆者針對上海農(nóng)場傳統(tǒng)的灌溉方式，研發(fā)了一套大田智能灌溉管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集云平臺、泵房智能控制柜、LoRa集控器、智能灌溉控制器、配套傳感器及配套工程小程序、android應(yīng)用客戶端、公眾號服務(wù)等于一體，經(jīng)應(yīng)用，節(jié)水效果顯著。現(xiàn)筆者擬對該系統(tǒng)的構(gòu)成和應(yīng)用情況進行總結(jié)介紹，以供類似農(nóng)場參考借鑒。

1 大田智能灌溉管理系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 構(gòu) 成

結(jié)合實際生產(chǎn)管理的需要，大田智能灌溉管理系統(tǒng)利用計算機通用化和模塊化的設(shè)計程序，對匯集的各類大田中采集的數(shù)據(jù)進行分析，對大田中的監(jiān)測對象和控制對象進行生產(chǎn)適應(yīng)性和操作適應(yīng)性簡易配置，并根據(jù)組織架構(gòu)對系統(tǒng)權(quán)限結(jié)構(gòu)進行快速配置，實現(xiàn)了對大田灌溉的智能控制（也可人為進行手動控制），從而將農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)應(yīng)用到大田實際生產(chǎn)中。大田智能灌溉管理系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1。

主要控制器包括：（1）泵房智能控制柜，由柜體、邊緣計算器、16口PoE交換機等組成，預(yù)留8路網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機安裝位置，邊緣計算器內(nèi)置專用軟件，支持水位傳感器監(jiān)測、氣象站監(jiān)測、智能灌溉控制器監(jiān)控、NVR監(jiān)控、LoRa網(wǎng)關(guān)監(jiān)控等功能。泵房智能控制柜分為手動控制和自動控制，其中，自動控制水泵操作、水泵工況查看、干渠支渠灌溉操作、排渠操作、組控操作及檢修模式等，都可通過智能控制柜中的邊緣計算器進行現(xiàn)場控制。（2）LoRa智能網(wǎng)關(guān)，支持以太網(wǎng)、4G、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)；支持節(jié)點主動上報、喚醒輪詢、服務(wù)器下發(fā)等工作模式；多模式應(yīng)用領(lǐng)域廣，時分復(fù)用干擾??；支持MQTT/Socket協(xié)議等。（3）智能灌溉控制器，SNGK系列智能灌溉控制器是一款用于水稻田水渠閘門控制與運行工況監(jiān)測的產(chǎn)品，適合惡劣的野外環(huán)境使用。

1.2 智能控制管理

1.2.1 揚水站水泵管理

揚水站水泵管理是指根據(jù)揚水站實際情況增減多臺水泵，并對每一臺水泵的電流、電壓、運行時長和溫度運行情況進行實時監(jiān)控，當監(jiān)測到有異常情況發(fā)生時，可在10 s內(nèi)對水泵進行過壓保護、欠壓保護、過載保護、欠載保護、漏電保護和過溫保護等操作，確保每臺水泵在最佳的工作環(huán)境下進行運行，且一旦發(fā)生故障，立即會把設(shè)備的故障第一時間予以顯示通知。同時，水泵還可實時監(jiān)測信息是否到達設(shè)定閾值，從而自動進行開閉操作，且當干/支渠啟用灌溉時，系統(tǒng)可自行判斷當前水位，在用水不足的情況下，系統(tǒng)將自行啟動運行水泵，確保用水需求。此外，使用者可在百度GIS地圖中展示設(shè)定的GPS位置信息，以利于快速了解該區(qū)域的灌溉信息。

1.2.2 智能干渠灌溉

智能干渠灌溉采用Lora和藍牙5.0兩種通訊模式，便于使用者遠程、近場使用，從而實現(xiàn)干渠的“增、刪、改、查”功能。同時，可利用組控模式將相關(guān)聯(lián)的干渠進行分組，分組后可通過全開或全閉的方式，對組內(nèi)的所有設(shè)備進行統(tǒng)一操作。此外，可采用輪灌、間歇灌溉的方式對干渠進行定時、定量灌溉，還可根據(jù)實際需要對閘門進行開啟比例的調(diào)整（從0～100%分為十檔選擇），從而達到節(jié)水減排的效果。

1.2.3 智能支渠灌溉

智能支渠灌溉同樣采用Lora和藍牙5.0兩種通訊模式來實現(xiàn)支渠的“增、刪、改、查”功能，且同樣利用組控模式將相關(guān)聯(lián)的支渠進行分組，分組后可通過全開或全閉的方式對組內(nèi)的所有設(shè)備進行統(tǒng)一操作。同時，當支渠提交用水請求時，干渠將自行啟動，且能根據(jù)水位模型判斷是否需要啟動水泵來確保用水。此外，同樣可采用輪灌、間歇灌溉的方式，根據(jù)實際需要對閘門進行開啟比例的調(diào)整（從0～100%分為十檔選擇），以進行定時、定量灌溉，從而達到節(jié)水減排的效果。

1.2.4 智能排渠

智能排渠的部分功能類似于智能干渠灌溉及智能支渠灌溉，如“增、刪、改、查”、分組等。與之不同的是，當水位傳感器監(jiān)測到水位接近或達到設(shè)定閾值時，排渠會自動啟動排水功能，且會根據(jù)現(xiàn)場微型氣象站提供的雨量信息進行實時啟動，以避免滿渠、溢渠事故的發(fā)生，在保障用水的同時，也確保了用水安全。此外，智能排渠采用輪排、間歇排水的方式，根據(jù)實際需要對閘門進行開啟比例的調(diào)整（從0～100%分為十檔選擇），以進行定時、定量排水，從而達到節(jié)水減排的效果。

1.2.5 智能灌溉監(jiān)測

智能灌溉監(jiān)測是指通過現(xiàn)場部署的微型氣象站，實時監(jiān)測現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)，包含PM2.5、PM10、二氧化碳、光輻射、雨量、溫度、濕度和氣壓等，并通過渠道中的水位傳感器，進行水位實時監(jiān)測，所有數(shù)據(jù)均能實時上報。

2 大田智能灌溉管理系統(tǒng)的應(yīng)用

上海農(nóng)場將大田智能灌溉管理系統(tǒng)應(yīng)用到兩塊規(guī)模較大的試驗區(qū)，分別為上農(nóng)種植業(yè)國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)高標準農(nóng)田“占一補一”項目慶豐七隊部分地塊（總面積113.27 hm2，耕地面積78.67 hm2）和川東種植業(yè)有機肥廠東側(cè)七隊部分地塊（總面積100.00 hm2，耕地面積91.20 hm2）。

經(jīng)過一年的應(yīng)用、觀察、統(tǒng)計、分析，大田智能灌溉管理系統(tǒng)的應(yīng)用取得了顯著的效果。具體為：（1）節(jié)水效果較理想。人均灌溉管水面積從20.00 hm2增至66.67 hm2，水資源利用率提高20%。（2）節(jié)約了人工成本。原試驗區(qū)域內(nèi)約需管水員20人，現(xiàn)只需輔助工1人；原揚水站3座，白班夜班共需專業(yè)人員3人，現(xiàn)僅需管理員1人。（3）節(jié)約了用電。每667 m2節(jié)約用電7.2 kW·h，試驗區(qū)域內(nèi)用電量大幅降低。（4）水稻獲得了一定的增產(chǎn)增收。（5）減少了對環(huán)境的污染，避免了周邊水體環(huán)境的富營養(yǎng)化，有效保護了周邊的水體環(huán)境。

3 結(jié) 語

綜上所述，上海農(nóng)場在傳統(tǒng)灌溉方式的基礎(chǔ)上，對揚水站、干渠、支渠、排渠等進行了智能化技術(shù)改造，在不改變傳統(tǒng)控制柜的基礎(chǔ)上，通過增加水泵智能控制柜，改用推桿＋伸縮桿連接的方式代替蝶閥、電磁閥對閘門進行改造，實現(xiàn)了“滴水不漏”。同時，實現(xiàn)了遠程控制，不僅操作簡單方便，還可隨時監(jiān)測現(xiàn)場情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保了生產(chǎn)環(huán)境及人員安全，實現(xiàn)了從一人管百畝到一人管千畝的轉(zhuǎn)變，大幅降低了人工成本，改善了周邊水體質(zhì)量，提高了水資源利用率，實現(xiàn)了大田灌溉工作的精準化管理。