高效節水灌溉自動監控及信息化系統設計與應用

金永奎，李 強，袁 圓

(1.農業部南京農業機械化研究所，南京 210014； 2.南京理工大學，南京 210094；3.南京市水利局，南京 210036)

0 引 言

隨著農業種植結構的調整和農業現代化的發展，高效節水灌溉得到了越來越多的應用，至2013年底，我國高效節水灌溉面積約1 500多萬hm2，其中管灌750多萬hm2，噴灌350多萬hm2，微灌400多萬hm2,且增長速度迅速[1]。目前高效節水灌溉應用較多的是滴灌、噴灌和管灌等形式，相配套的灌溉監控技術也得到了一定的應用，監控設備主要有小型控制器、自動化/智能化控制系統、變頻恒壓設備、各種傳感器、小型氣象站、電磁閥等，一般以一個泵站為一個控制單元，控制面積6～30 hm2，泵站之間是相互獨立的，不能進行統一調度和管理。目前各泵站管理采用人工/半自動控制方式，設備運行維護需要安排專人負責，運行維護成本較高且管理效率偏低，造成一部分人力、財力資源不合理利用，已不能適應新時期發展的需要[2-5]。

目前國外為滿足對灌溉系統管理的靈活、準確、快捷的要求，非常重視空間信息技術、計算機技術、網絡技術等高新技術的應用，大多采用自動控制運行方式，特別是對大型系統多采用智能化中央自動監控方式。在大大降低工程造價費用的同時，既滿足了用戶的需求，又提高了灌溉系統的運行性能與效率。我國目前節水灌溉自動控制系統雖然從簡易型到中央計算機型均有產品并得到應用，但與國外產品相比，在技術上還比較落后，主要針對單個小型灌溉系統的自動控制，沒有充分利用先進的物聯網技術，智能化、信息化程度低，有些方面設計還不太合理，仍需進一步完善[6]。利用計算機智能化控制、網絡通信技術，實現信息共享、遠程控制，逐步提高管理與應用水平，是當前高效節水灌溉建設中的迫切需要。

1 系統結構設計

高效節水灌溉自動監控及信息化系統結合灌溉基礎理論和應用技術，實現田間環境、設備運行狀態的監測和灌溉系統智能化、信息化控制及管理；系統通過相關硬件設備、軟件系統和高效節水灌溉系統，將參數自動監測、水肥一體化、灌溉智能化、物聯網、信息化等技術進行組合集成，探索和建立高效節水灌溉信息化監控技術體系，建成一個集信息智能采集、傳輸、管理、應用與指揮決策于一體的高集成化、高實用性和可擴展的信息化應用系統。

系統由監控中心控制和展示系統、視頻監控系統、系統管理信息系統、田間智能灌溉控制系統、無線數據傳輸和高效節水灌溉網站等部分組成。圖1為系統架構圖，圖2為系統拓撲結構圖。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture diagram

圖2 系統拓撲結構圖Fig.2 System topological structure diagram

1.1 監控中心控制和展示系統

監控中心是系統的核心部分，它匯集系統各田間泵站的信息，并進行儲存和分析處理，進行決策控制。監視各泵站實時狀態，遠程查看泵站各運行圖表、遠程控制泵及輔機設備的啟動、停止等。監控中心有固定IP地址，由寬帶線路與互聯網連接，數據保存在數據服務器中，用戶或工作站通過互聯網訪問WEB及數據服務器，并展現數據。主要設備包括WEB及數據服務器、視頻服務器、計算機顯示器、監控顯示器、拼接屏控制機、拼接顯示大屏、LED字幕顯示屏、路由器、防火墻、音響和4 G終端等硬件設備。圖3為監控中心架構圖。

圖3 監控中心架構圖Fig.3 Monitoring center architecture diagram

1.2 視頻監視系統

視頻監控系統實時將現場視頻顯示在監控屏上，同時視頻監控系統監視泵站內設備狀態，以驗證計算機監控指令的執行。在每個泵站控制的地塊范圍內配置若干臺攝像機及硬盤錄像機，硬盤錄像機用于存儲現地視頻圖像，與現地一體化控制設備相連，通過4G無線通信模塊將數據信息傳輸至監控中心服務器，通過服務器與現場拼接大屏相連進行數據、圖像展示。圖4為視頻監視系統架構圖。

圖4 視頻監視系統架構圖Fig.4 Video monitoring system architecture diagram

1.3 田間泵站監控系統

田間泵站監控系統是高效節水灌溉信息化系統最基礎部分，通過它實現了系統的各項功能。田間控制器從傳感器采集田間土壤墑情、電導率、溫濕度等信息，然后將采集的數據通過自建的無線網絡傳送至泵站控制器，再由泵站控制器通過無線網絡傳送給監控制中心。系統在接收到相關信息后，結合天氣情況和灌溉數據庫，制定灌溉決策，并形成灌溉控制指令通過控制系統發送給灌溉控制執行機構，依托節水灌溉恒壓供水系統，控制由太陽能系統供電的低功耗電磁閥，實現作物的自動灌溉、施肥等功能。其中土壤墑情的采集和傳輸以及灌溉控制指令的傳輸均通過無線網絡實現。田間部分主要包括傳感器、電磁閥、無線傳輸設備、太陽能供電系統、田間控制器和恒壓變頻節水灌溉系統。圖5為田間泵站系統架構圖。

圖5 田間泵站系統架構圖Fig.5 Field pumping station system architecture diagram

2 系統關鍵技術

2.1 參數數據采集技術

參數數據是信息化系統最基本資料，只有獲取了這些數據，才能進行分析處理和決策，更好對系統進行控制和管理。本系統采用各種傳感器對各項參數進行采集，分布在田間的傳感器采用太陽能供電和無線傳輸方式實現。

2.1.1 土壤水分

土壤水分是灌溉系統最關鍵的一個指標，對信息化系統決策何時灌溉起決定性影響。測定土壤水分需要考慮到土壤類型、作物種類等因素，還需要根據作物相應生育期的最佳灌水上限與最佳灌水量，來確定傳感器的布置點數、位置和埋設深度，從而正確合理地反映管理操作單元內土壤水分實際狀況[7]。選用的傳感器采用FDR頻域法原理，測量范圍0～100%，工作電壓：5～24 V，工作電流：25～35 mA，輸出信號：電壓型DC 0～2 V，標定后精度可達1%。將采集的信息數字化，并轉換成4～20 mA的標準輸出，通過無線傳感器網絡的采集節點采集并傳輸至田間控制器。

2.1.2 設備運行參數

設備運行參數包括電壓、電流、壓力、流量、水位、電磁閥開關狀態等，通過這些參數可以了解設備的運行狀態，便于控制、調整和監測設備。采用高精度、高靈敏的傳感器以測量實際實時的變化。

2.1.3 環境參數

安裝高精度、高靈敏的小型氣象觀測站以測量環境實際實時的變化(溫度、濕度、光照、雨量、氣壓、風向、風速)，在溫室大棚內安裝光照、溫濕度和二氧化碳濃度傳感器。

2.2 數據傳輸技術

本系統的數據采集及控制分為兩部分：一是對土壤墑情、環境參數、視頻等農作物生長環境信息的采集和監測，二是對設備進行自動化控制，例如啟、停恒壓供水系統和電磁閥等，包括對遠端設備進行日常設置的工作。在本系統中，大部分數據的采集和傳輸主要通過無線方式實現，對于一個泵站控制范圍內分散在田間的各個田間控制器，由于傳輸距離短、信息量小，采用自建無線網絡(Zigbee協議)的方式。Zigbee網絡基于IEEE802.15.4系列標準，工作在2.4 GHz頻段，具有低功耗、低成本和高可靠性等特點，這種方式建網后無使用費用，節約了使用成本，而對于泵站和監控中心間的數據傳輸由于距離遠、數據傳輸量大、視頻所需帶寬大，采用目前速度最快的4 G網絡進行傳輸[8-10]。具體傳輸過程為：各傳感器采集的數據經Zigbee無線網傳輸至田間控制器，田間控制器再經Zigbee無線網傳輸至泵站控制器，泵站控制器經4 G網絡傳輸至監控中心，決策系統進行分析后，形成灌溉控制指令，再通過無線網絡，反饋到現場執行系統，通過太陽能供電系統提供的電力，來驅動低功耗電磁閥的開啟或者關閉，借助已建成的恒壓灌溉供水系統和水肥一體化設備，實現遠程智能化灌溉。數據傳輸具體參數指標為：田間智能控制器控制響應時間≤1 s；無線網數據傳輸距離>1 000 m，傳輸誤碼率δ≤0.01%。

2.3 灌溉控制決策技術

灌溉控制決策系統是基于作物需水量與需水規律，以信息技術為手段，把計算機技術、自動控制技術、信息技術、智能控制技術綜合運用來提高灌溉管理水平，為管理人員提供決策依據和參照。

系統根據對不同節水灌溉條件、氣候條件下主要作物的需水指標和需水量建立估算模型，同時以農業模型庫、方法庫為支撐，對所收集和存儲的數據進行分析，處理成具有實際意義的物理量并逐步把處理結果儲存到相關數據庫中，形成符合本地實際的決策模型[7]。系統運行時將采集的農業現場環境信息由決策支持系統計算、分析后，給出作物的精確灌溉時間和最佳灌水量，灌溉工作則由信息化監控系統根據決策支持系統的指令自動完成灌溉、施肥等工作。

2.4 視頻監控及數據流量控制技術

視頻數據量很大，通過無線網絡傳輸時一方面需要很大的帶寬，從而硬件設備的投入會增大，另一方面在使用過程中數據流量費用也很高，所以必須對視頻數據進行處理，既能滿足使用要求，又能合理節省投入和使用成本。本系統先把視頻信號存儲在硬盤錄像機中，再編制處理軟件，可以通過軟件設定視頻傳輸的時間段、分辨率和幀數，從而大大減少了傳輸流量，節省了費用。

2.5 監控中心展示技術

系統的所有功能、操作和成果需要利用展現部分通過圖像形式展示出來。展現部分由圖像顯示工作站、監視器、視頻服務器、大屏顯示裝置等組成。圖像顯示工作站將各站點(攝像頭)傳到管理中心的圖像在監視器上顯示，每個工作站最多可以安裝4塊顯示解碼卡，輸出16路信號，為16臺監視器輸出信號。每個監視器可以分割成4幅圖像，即每個工作站可以輸出64個站點(攝像頭)的信號。視頻服務器運行應用程序，監視各站點視頻設備運行狀態、信息，發出指令控制各站點的運行等。監視器可同時顯示多個站點的圖像，大屏幕顯示器與操作工作站顯示器同步顯示工作畫面。

2.6 泵站安防技術

為了滿足田間泵站無人值守的安全防范需要，設計了一套集視頻監控和紅外感應的遠程安防報警系統，在每個泵站安裝一套。管理人員正常出入時，通過隨身遙控器設置或解除報警，在報警被啟動后，當紅外感應偵測到非法闖入時，啟動視頻監控系統并以報警方式顯示在監控屏上，對應管理人員的手機終端上也會收到相應的報警信息，同時泵站內觸發啟動高分貝報警器，進行警告和威懾．嚇阻闖入人員的進一步行動。該技術視頻紅外監控距離可達150 m，入侵檢測誤報率β≤0.1%。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括管理系統、節水灌溉監控系統、視頻管理系統等部分，基于Windows Server 2012平臺，有良好的兼容性、準確性和可靠性。系統是完全開放的系統，支持各種軟件工業標準如：DDE、OLE 、ODBC 、TCT/IP、OPC 等，作為共享的基礎，提供一組進行二次開發的工具和手段，以便生成完全滿足要求的監控系統。

本系統采用C/S與B/S模式相結合的方式，使得監控系統能夠提供數據在網絡上的全面集成和共享，提高性能，降低成本。除了提供一組包括實時/ 歷史趨勢、報警、畫面編輯、報表、關系數據庫直接組態登錄的基本功能以外，還有服務器冗余、WEB服務、歷史數據分析、多種通信驅動程序等多種可選項。

上位機監控軟件采用當前可靠、先進的技術，系統的配置和畫面的組態具有方便性，通過策略和畫面組態，在上位機上實現對現場控制系統的監測與控制，具有動態畫面、事件觸發、報警、趨勢、報表輸出、歷史數據存儲等功能。系統采用圖形用戶界面為操作人員和系統開發人員提供監控環境，在這個環境中可以實現數據采集、數據處理、狀態監視、遠程控制、報警、趨勢、數據登錄和生成報表等基本功能[11-13]。本系統建有具有域名的網站，終端用戶可通過Internet網絡訪問，查看各項參數及發布的信息，授權用戶可對系統設備進行操作。

針對移動終端開發了Android和iOS兩種系統的APP，用戶下載安裝后經過授權即可實現查詢和操作功能。圖6～圖10為軟件的運行界面。

圖6 系統軟件界面Fig.6 System software interface

圖7 泵站信息顯示Fig.7 Information display of pumping station

圖8 視頻監控和運行數據顯示Fig.8 Video monitoring and running data display

圖9 手機APP軟件界面Fig.9 Mobile APP software interface

圖10 泵站監控軟件界面Fig.10 Monitoring software interface of pumping station

4 系統應用

本系統在南京市江寧區湯山街道進行了實際應用。湯山街道屬于丘陵地區，水資源較為緊缺，為了解決灌溉問題，依托水利部高效節水灌溉重點縣項目，從2013年起推廣以變頻恒壓供水系統為主體的高效節水灌溉工程，主要作物為水稻、茶葉、苗木、果樹和蔬菜等，灌溉形式為管灌、噴灌和微灌，已建成46套灌溉系統，覆蓋面積800 hm2，為農業增效、農民增收起到了很好的作用。但這些灌溉系統由街道水利站負責管理和維護，面臨著人員短缺、成本高昂等問題，同時現有的灌溉系統還是人工控制和憑經驗操作，不能充分發揮已建節水灌溉系統的效能，急需一套集中統一的自動監控及信息化管理系統。

針對湯山街道高效節水灌溉現狀，在水利站建了一個占地160 m2的監控中心，監控中心內配置了服務器、操作計算機、顯示大屏、視頻監視器、管理系統軟件等軟硬件設備，在田間泵站安裝了泵站控制器、田間控制器、各種傳感器、攝像機、節水灌溉設備、無線網絡及控制軟件等設備。圖11為監控中心。設備安裝調試好后，交由水利站負責運行管理，目前只需要1個專職工作人員即可完成整個系統和泵站的管理維護任務。系統每天自動運行，對各泵站的運行狀況、各參數自動記錄并處理成報表，有故障立即提示發生的地點，能及時排除和維修，保證了整個灌溉系統的完好運行，取得了良好的效果。

圖11 監控中心Fig.11 Monitoring center

5 結 語

通過多種技術的融合、集成，建立了先進適用的自動監控及信息化系統，經實際應用表明，本系統設計配置合理，運行穩定可靠，實現了無線遠程智能監控和信息化管理。在系統投入使用前，46座泵站需10人左右負責日常運行維護管理，現在只需1人，大大提高了管理效率和技術水平。通

過高效節水灌溉信息化監控系統，把分散的泵站集中統一管理，提高了管理水平，有效地解決了管理人員短缺、維護成本高的問題，同時有力地保證了高效節水灌溉系統的使用效率和可靠性，具有較好的實用價值和應用前景。

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