上海浦河工程设计有限公司 上海 200333
摘要：农田环境信息监测系统以农业物联网环境传感器为基础，对农田气象信息进行监测，为农田灌溉系统提供监测依据。基于物联网技术，利用信息传感、实时监测和自动控制等科技手段，实现了土壤墒情及灌溉流量等信息的自动采集、数据的远程存储与分析以及灌溉的自动控制，该系统的研究对智能灌溉的发展具有重要意义。
关键词：物联网；灌区监控；农田灌溉；智能灌区
引言
农业用水的矛盾主体是水资源的短缺与农业用水浪费现象严重，解决此矛盾的关键在于发展合理节水灌溉技术。传统灌溉方式是灌溉者凭借经验判断土壤墒情和灌溉水量，这样很容易造成无效灌溉、用水浪费等情况，不能实现按作物的需水特性精确、高效灌溉。节水智能灌溉技术是通过实时监测土壤墒情、土壤吸力等参数，再结合地理环境和农作物不同生长发育阶段的需求规律，由智能仪器控制灌溉装置对农田进行灌溉。当监测设备检测到土壤墒情、土壤吸力等参数已满足植物生长需求时，再反馈给智能仪器，并由其控制灌溉装置停止灌溉。实现优质高产，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益，对缓解农业用水短缺现象具有重要意义。农业物联网就是运用物联网技术、思想和工具来发展农业，通过信息集成、交换，实现农业的产业升级，使农业的发展过程成为一个能全程通过信息来管理、监控和展示的过程。
1系统设计思路
灌区现代化建设以信息化为基础，灌区信息化建设主要体现在灌区实时监测、自动灌溉、智能灌溉的建设。基于智慧灌区发展的实际需要，依托现有信息化基础设施，引进物联网、云存储等先进技术，特别是将灌区信息化建设与物联网技术紧密结合，完善信息感知与监测系统建设，以水利专网、公网、无线网络等多种传输方式为传输网络，将水利信息采集、传输、处理与灌区水利业务管理联系起来形成安徽“灌联网”系统。针对灌区管理的特点进行统一规划，统一标准。建设信息中心，汇总灌排水利数据，形成灌区数据云。一方面为防汛抗旱、水资源调度、灌区管理等职责提供数据支撑，为后期开展数据挖掘、云计算等做好铺垫，另一方面信息中心具有控制平台，可对防汛、抗旱进行控制与管理。以灌区为单位，建设农田灌区分中心，管理本灌区的监测数据并对本灌区的灌溉及排涝进行监测与控制。
2系统框架设计
农田水利自动灌溉监控系统主要由三部分组成：信息感知、物联传输、平台应用。信息感知是灌区物联网的信息来源，主要包括墒情感知、流量感知、闸门开度感知。其中墒情感知通过墒情检测传感装置采集土壤墒情的湿度、温度等基础信息，流量感知是流量计量设备实时采集灌溉用水流量，闸门感知是感知闸门开度等相关信息。物联传输是系统的监测与传输层，利用ＲTU控制器，采集感知数据，通过GPＲS无线传输网络将数据传输至监测控制平台，实现灌区信息的实时监测。平台应用是系统的决策应用中心，系统完成土壤墒情、灌溉流量等数据的接收、显示、分析等工作。根据分析结果，做出是否需要灌溉的决策，并通过GPＲS发送相应的命令远程控制水泵、闸门，实现按需、按量的自动化灌溉。系统中每一组GPＲS都采用一点双发的方式，一是发送到农田灌溉管理中心服务器，另一个是发送到农田水利自动灌溉监测系统。农田、水利等各管理部门可通过VPN方式访问省农田水利自动灌溉监测系统。
2.1土壤墒情监测站
DZN2型自动土壤墒情监测站利用FDR原理，根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物质中的频率变化，通过构建的数学模型，计算出被测土壤的含水量。DZN2型土壤墒情监测站的性能指标如表1所示
表1性能指标
2.2农田小气候观测站
农田小气候对作物的生长、发育和产量有很大影响。通过农田小气候我们可以实时监测怀药的光能分布、空气温湿度、风速风向、土壤温湿度等，通过研究环境数据，可以指导作物种植时的植株密度、株距、行距，行向。同时，通过辐射、温湿度、二氧化碳等要素的变化可以反应出作物的生长发育期，可以对作物生产提供科学管理的依据。
2.3流量监测
农田水利灌溉主要有2种方式：渠道灌溉和管道灌溉，渠道灌溉即明渠引水至灌区农田，而管道灌溉是以水泵提水的方式灌溉，因此，流量监测方式管道流量监测和明渠流量监测。分别安装管道和明渠流量计，由ＲTU控制器采集流量计的数据，并通过无线传输模块将数据反馈发送给自动灌溉决策控制平台。流量监测系统框图如图2。
图2流量监测系统
2.3自动灌溉控制执行系统
执行系统主要包括水泵、电磁阀和闸门的控制，系统采用无线控制的方式实现水泵、电磁阀、闸门的开启和关闭。具体步骤为：自动灌溉决策平台无线发送执行命令，水泵、电磁阀和闸门处安装的无线接收装置接收到命令后，将命令传递给ＲTU控制器，再由ＲTU控制水泵控制器、电磁阀控制器和闸门控制器，从而实现灌溉的自动控制。最后ＲTU再将水泵、电磁阀的开关状态和闸门的开度状态反馈回控制中心。其中水泵、电磁阀的控制可通过水泵控制器和电磁阀控制器实现，闸门的控制则需外置启闭电机，闸门控制器通过控制启闭电机实现对闸门开关的控制。
2.4传输网络
传输网络是物联网系统的桥梁，稳定的传输网络是安徽省智能灌区建设的基本要求。安徽省农田灌溉监控系统平台利用已建水利专网，实现平台间的网络通信。对于分布广散的各取水及墒情监测点，存在数据流量较小的特点，而GPＲS作为稳定的无线传输模式已在安徽省水资源非农业取用水监测、山洪灾害非工程措施建设等诸多水利信息系统中应用，因此，本系统设计也选取公共移动通信GPＲS进行数据无线传输，并以GSM-SMS作为备用信道，确保监测点通信顺畅。GPＲS无线传输网络的组建采用“公网专线”的方式来实现，将采集到的数据通过无线方式传输至监测中心服务器。见图3。
图3灌区监测点无线传输方式
2.5应用平台设计
2.5.1系统硬件设计
应用平台分硬件设备和软件系统两部分，其中硬件设备依据“利用已有、充分共享”的原则，新建灌区监测平台依托于排灌总站已建机房，利用已有的网络设备、安全设备等硬件设备，在此基础上配备数据库服务器、工控机服务器、液晶显示器、UPS后备电源、无线接收设备等，搭建符合智能灌区长期需要的监控平台。
2.5.2系统软件设计
根据农田灌溉监控业务需要，系统软件主要包括信息采集软件、决策控制软件、应用管理软件等。决策系统在全部时段对区域内所测实时土壤含水率、温度、水位等数据信息进行监控，根据对接收数据的分析处理，最终做出决策并完成对自动灌溉执行单元的控制。主要功能实现：对区域内土壤墒情监测站远程监控，土壤墒情等数据进行接收、判错、存储；实时数据的显示、查询、统计、分析、决策；自动灌溉执行单元的远程控制等功能。
结语
节水灌溉是最严格水资源管理的必行之路，利用物联网技术，实时监测墒情、流量等信息，是实现智能灌溉的基础。通过科学分析，实现自动控制灌溉时间和水量，是节水灌溉的技术手段。自动灌溉系统的研究可有效提升灌区灌溉的科技水平，是农田灌溉现代化发展的方向。
参考文献：
[1]杨帆，廖桂平，李锦卫，等.无线传感器网络在农作物环境信息监测中的应用[J].农业网络信息，2008（3）：20-23
[2]吴秋明，缴锡云，潘渝，等．基于物联网的干旱区智能化微灌系统［J］．农业工程学报，2012，28（1）：118－122．
[3]刘海燕，王光谦，魏加华，等．基于物联网与云计算的灌区信息管理系统研究［J］．应用基础与工程科学学报，2013，21（2）：195－202．
[4]谢崇宝，张国华，高虹，等．我国灌区用水管理信息化软件系统研发现状［J］．节水灌溉，2009，（2）：8－10
论文作者:姜哲
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/28
标签：灌区论文; 墒情论文; 土壤论文; 闸门论文; 系统论文; 数据论文; 流量论文; 《基层建设》2018年第8期论文;