物聯(lián)網(wǎng)和云平臺在現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用

李 君，魏幫成，魏 凱

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730000；2.蘭州建設(shè)投資（控股）集團有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 前言

甘城子揚水灌區(qū)年均降水量280 mm，蒸發(fā)量高達1200 mm～1600 mm，屬于較嚴(yán)重的缺水地區(qū)，水資源匱乏及落后的灌溉方式，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟快速發(fā)展。

目前許多灌區(qū)已經(jīng)配備了灌區(qū)信息管理軟件平臺，現(xiàn)代化管理程度越來越高[1～3]，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，灌區(qū)管理軟件開發(fā)存在各自為營，缺乏統(tǒng)一的框架、平臺開發(fā)質(zhì)量參差不齊、開發(fā)效率低、系統(tǒng)兼容性差等問題，這些制約因素影響了灌區(qū)管理軟件向規(guī)范化，集群化的方向發(fā)展。同時一些灌區(qū)基層信息化缺乏專業(yè)人才，灌區(qū)管理平臺運行維護難以為繼[4～7]。

物聯(lián)網(wǎng)與云平臺技術(shù)為現(xiàn)代化灌區(qū)分布式灌區(qū)信息管理系統(tǒng)提供了一種新的方法。灌區(qū)用戶可通過購買第三方云服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)就可獲取相關(guān)計算、存儲等資源[8～9]。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)通信和購買第三方云服務(wù)平臺的灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)方案，提高灌區(qū)管理效率，對于加快少數(shù)民族地區(qū)發(fā)展，增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入，健全農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理體系具有積極作用。

1 灌區(qū)信息管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本次選擇甘城子四泵站滴灌工程東片區(qū)，灌溉面積2500畝，開展示范建設(shè)。灌區(qū)控制系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是灌溉云服務(wù)平臺、田間控制系統(tǒng)及灌區(qū)管理客戶端。

在田間布設(shè)的土壤墑情監(jiān)測站點，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將土壤含水量、溫度等信息傳輸至云端管理平臺，通過平臺部署的專家決策系統(tǒng)，對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析計算，產(chǎn)生灌溉決策信息。同時，水泵、田間電磁閥將水位、水量信息實時傳輸，實現(xiàn)灌區(qū)的動態(tài)監(jiān)控，提高水資源的監(jiān)控管理能力。

2 第三方云服務(wù)平臺功能介紹

第三方云服務(wù)平臺主要是通過實時監(jiān)測管網(wǎng)運行狀態(tài)、接收各監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，按照制定的灌溉計劃，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。管網(wǎng)監(jiān)控：主要實現(xiàn)對管網(wǎng)水量的實時監(jiān)控及科學(xué)調(diào)度，由水量監(jiān)控系統(tǒng)和水量調(diào)度系統(tǒng)組成。

（1）首部控制：主要是監(jiān)控灌溉首部樞紐的運行情況，實現(xiàn)自動化控制。監(jiān)控內(nèi)容主要包括進出水口的壓力狀況、電動閥門的啟閉狀況、水泵運行狀況、管道流量狀況等。主要配備電磁流量計、壓力傳感器。

（2）田間控制：通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對田間土壤濕度信息、田間氣象信息、電磁閥開關(guān)信息的監(jiān)控。由信息收發(fā)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成，信息收發(fā)節(jié)點負(fù)責(zé)采集相關(guān)工況信息并對田間電磁閥進行控制，主要通過無線通訊模塊與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，組網(wǎng)方式為無線自組網(wǎng)方式。網(wǎng)關(guān)通過GPRS/4G 模塊與第三方云平臺互通。

圖1 甘城子灌區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 灌區(qū)控制系統(tǒng)原理示意圖

3 灌溉控制系統(tǒng)功能設(shè)計

灌區(qū)管理工作站及第三方云服務(wù)平臺是灌區(qū)控制系統(tǒng)的大腦。灌區(qū)管理工作站通過網(wǎng)絡(luò)訪問第三方灌溉云平臺，獲得灌區(qū)信息、灌溉方式、運行工況等。也可以通過網(wǎng)橋和4G 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)灌溉遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)主要功能如下：（1）監(jiān)控灌區(qū)的干管、支管的運行壓力；（2）監(jiān)控干管、支管的流量；（3）監(jiān)控就地控制柜的運行狀況、電機等工作情況；（4）監(jiān)控水源井的水位，以及沉砂池水位，并進行預(yù)警；（5）泵房、水源、水泵運行狀況的監(jiān)控。

4 灌區(qū)管理信息系統(tǒng)設(shè)計

灌溉管理信息系統(tǒng)管理信息分為基礎(chǔ)信息管理、實施灌溉監(jiān)控管理、灌溉計劃管理、設(shè)備運行維護管理系統(tǒng)，系統(tǒng)界面見圖3，系統(tǒng)功能具體如下。

圖3 灌溉管理信息系統(tǒng)管理界面示意圖

（1）基礎(chǔ)信息管理。灌溉管理工作需要大量的基礎(chǔ)信息支持，土壤分布及利用信息、作物種植情況、灌溉管網(wǎng)信息、采集監(jiān)控點基本信息、灌溉制度信息等。對基本信息提供查詢、打印輸出、修改、刪除、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出（具有數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入導(dǎo)出功能，且支持多種格式的文檔，如xls，doc 等文檔）等功能。

（2）灌溉計劃管理模塊。根據(jù)土壤分布類別、作物種植及生長周期、灌溉制度及土壤墑情等信息，按照管網(wǎng)對應(yīng)灌溉面積生成各個支管、輔管的輪灌計劃。

（3）灌溉監(jiān)控管理模塊。灌溉計劃制定完成后，系統(tǒng)按照設(shè)置好的輪灌模式、輪灌周期進行自動化灌溉控制。同時將灌溉過程中的灌溉量、墑情變化情況、首部電氣運行參數(shù)及管網(wǎng)運行參數(shù)存入云平臺中。若灌區(qū)運行過程中設(shè)定的相關(guān)參數(shù)超過預(yù)定值時，就會產(chǎn)生警報，同時關(guān)閉首部水泵，確保系統(tǒng)的運行安全。管理模塊同時支持通過手機查詢當(dāng)前灌區(qū)運行狀況，并發(fā)布相關(guān)信息。灌溉云平臺工作流程見圖4。

圖4 云平臺灌溉控制系統(tǒng)工作流程圖

（4）設(shè)備運行維護管理系統(tǒng)利用計算機信息系統(tǒng)對灌溉設(shè)施設(shè)備生成定期維護計劃，記錄維護情況。系統(tǒng)結(jié)合實時灌溉運行參數(shù)生成過濾器動態(tài)清洗報警，系統(tǒng)根據(jù)電機、泵、閥等運行參數(shù)生成設(shè)備的狀態(tài)檢修任務(wù)。系統(tǒng)支持設(shè)備設(shè)施的維護、更換記錄和缺陷統(tǒng)計。系統(tǒng)可以對灌溉用水，設(shè)備耗電、維護，材料消耗等進行成本核算，實現(xiàn)精細(xì)化灌溉運行管理。

5 主要建設(shè)內(nèi)容

本項目基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要內(nèi)容如下：φ125～φ280PVC支管（壓力等級0.63 MPa）0.59 km；φ90PVC 分支管（壓力等級1.0 MPa）12.34 km；φ63PE 輔管（壓力等級0.8 MPa）138.38 km，φ16 滴灌毛管110.32 km（壁厚1.0 mm）。

灌區(qū)信息化主要建設(shè)內(nèi)容如下：3 年云平臺租用費（灌溉管理系統(tǒng)），變頻柜3 臺，網(wǎng)式過濾器6 套，土壤監(jiān)測器2 套，田間氣象站1 個，無線水泵控制器2 套，無線采集控制器254 個，管道壓力傳感器32 套，電動閥門246 個，閘門開度傳感器26 套，地埋光纜12 km，電力電纜12.25 km，灌區(qū)信息化主要建設(shè)內(nèi)容見表1。

6 系統(tǒng)應(yīng)用與實踐

本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于甘城子灌區(qū)，基于物聯(lián)網(wǎng)與第三方云服務(wù)平臺實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，系統(tǒng)內(nèi)配備了豐富的報表系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，能夠科學(xué)制定灌水方案、優(yōu)化灌區(qū)水資源配置，為灌區(qū)節(jié)水管理、水資源優(yōu)化配置等方面提供依據(jù)。用戶通過手機、電腦等通過Web 方式登陸系統(tǒng)，減小運行維護壓力，節(jié)省了硬件購置方面的費用，具有較大的存儲能力，高效安全的數(shù)據(jù)傳輸和交換能力。本系統(tǒng)的建成，對于少數(shù)民族地區(qū)的發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)，實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供安全可靠的保障，為現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)提供一種可借鑒的模式。

表1 灌區(qū)信息化建設(shè)主要工程量表