貴州山區(qū)現(xiàn)代水利自動化與信息化建設模式研究

[摘 要] 本文結合貴州省實際，提出適合貴州地區(qū)的實用性較強的集采集監(jiān)測、微噴和滴灌自動控制、遠程視頻等多種要素為一體的自動化與信息化建設模式，以期能夠為貴州省現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

[關鍵詞] 現(xiàn)代農業(yè)；水利自動化與信息化；水肥一體化；系統(tǒng)軟件；硬件配置

[中圖分類號] S274 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）12-91-3

隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化農業(yè)得到了快速發(fā)展。例如，當今現(xiàn)代化農業(yè)生產中應用比較廣泛的無線遠程農作物管理系統(tǒng)，能夠通過無線網(wǎng)絡對農作物生產的環(huán)境、需要的水分和養(yǎng)分等進行自動監(jiān)測，結合數(shù)據(jù)分析為農作物的生長提供必要的水分、養(yǎng)分供給，達到節(jié)約用水，降低環(huán)境污染的目的，提高生產效率。

1 建設內容和目標

1.1 試點區(qū)建設內容和目標

①管網(wǎng)中的干管和分干管都具備自動對流量和壓力進行監(jiān)測的功能，對管網(wǎng)的使用性能進行優(yōu)化，根據(jù)農田的需要進行灌溉，降低水資源的浪費，減少對環(huán)境的污染。在設備設計的過程中要優(yōu)先考慮設備的耗能，為減少能源的消耗可優(yōu)先采用綠色太陽能供電，通過電量的儲存減少設備的能耗，即使在光照條件不好的時段也能保證設備的正常運行，提高設備運行的穩(wěn)定性。

②為了提高農田水利工程的管控效果，一般采用三級管控方式，分別是現(xiàn)場的手動控制、展示廳群控、計算機網(wǎng)絡遠程控制[1]，根據(jù)不同的需要采用不同的控制方法和手段，便利于農田水利工程管理。在管理模式上也采用三級管理模式，即園區(qū)日常管理、園區(qū)管委會管理、水庫管理局管理。

1.2 精品區(qū)建設內容和目標

①園區(qū)日常灌溉管理宗旨是實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水，在農田日常管理過程中主要以土壤的墑情為管控指標，根據(jù)灌溉的需要對管道內的流量和壓力進行監(jiān)測，按照設定的要求對灌溉的水量進行控制，做到定時、定量灌溉，滿足農作物的灌溉需要[2]。同時，要根據(jù)其生長需要對進水量和出水量進行有效的控制，實現(xiàn)園區(qū)灌溉的自動化管理，節(jié)約水資源的利用。②在日常管理過程中要根據(jù)需要對相關的數(shù)據(jù)進行收集和分析，為園區(qū)的管理提供數(shù)據(jù)支撐。③在自動化灌溉的過程中要做到水肥一體化管理，通過自動化手段對土壤的墑情、養(yǎng)分進行監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析，為農作物的施肥和灌溉提供準確數(shù)據(jù)，實現(xiàn)農作物水肥的精準化管理，避免因過度施肥造成園區(qū)的污染和資源的浪費。④在現(xiàn)代化水利工程建設過程中要對水池的水位進行有效管控，在水泵開啟的過程中能根據(jù)出水量和進水量進行調節(jié)，自動調節(jié)閥門的開度，實現(xiàn)水泵房的自動化管控。⑤在展廳內通過無線網(wǎng)絡的控制對數(shù)據(jù)進行查詢，對種植現(xiàn)場的設備進行有效的控制。⑥通過自動化對周圍環(huán)境的氣候條件進行傳輸，結合農作物生產的需要對灌溉流量和時間進行預判，制定合理的灌溉管理計劃。

2 水肥一體化灌溉控制系統(tǒng)

在農作物生產過程中，根據(jù)土壤墑情預測出對水肥的需求量，在灌溉的過程中對水肥進行精準化供給，實現(xiàn)水肥一體化管理。即通過對土壤檢測傳感器檢測的數(shù)據(jù)分析，確定農作物需要的養(yǎng)分的數(shù)量，通過預設定對水肥進行精準的控制，實現(xiàn)量化灌溉和量化施肥，減少水肥的浪費，通過自動化技術對水肥進行精細化管控。

在現(xiàn)代化水利工程管理的過程中，現(xiàn)場的控制系統(tǒng)是重要的核心部位，核心的主要控制部位是閘閥的啟停，一般安裝在支管分水的位置；在閘閥工作的過程中可以根據(jù)需要調整閘閥的開口度，對農田進行定時、定量灌溉，為了便利灌溉的進行，在管理過程中設計成為分級管理，根據(jù)需要可實現(xiàn)多種組合的管理方式，提高灌溉的靈活性；也可以根據(jù)農作物的需要，采用滴管和噴灌相結合的方式進行灌溉，提高灌溉效率。為保證灌溉的安全，灌溉使用的電壓均采用安全電壓[3]。

3 系統(tǒng)軟件的設計

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005，在設計數(shù)據(jù)庫的過程中，首先要充分考慮不同模塊的功能需求，接下來詳細設計各種模塊的數(shù)據(jù)流程，最后應用數(shù)據(jù)流分析完成數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)項的設計。灌溉計劃可以自行設置、修改和刪除。灌溉計劃完成后，灌溉歷史表的灌溉狀況和相關信息應自動更新。

3.2 管理（上位機）軟件設計

系統(tǒng)應用程序開發(fā)語言為C#，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2015集成開發(fā)環(huán)境[4]，分別建立以下線程：當前狀態(tài)的線程私有System.Threading.Thread CurrentStateThread；自動灌裝線程私有系統(tǒng).Thread.Thread PureThread；自動灌溉后臺運行線程PureThread. IsBackground = true；定義自動灌裝線程優(yōu)先級為PureThread. Priority = System.Threading. ThreadPriority.Lowest；自動灌裝線程有效性定義PureFunValid；定義自動灌裝Threads掛系統(tǒng).Thread.Thread.Sleep（100）。通過線程間的相互通信、任務輪換，并行工作完成一系列任務，提高系統(tǒng)的效率。

3.3 無線通信的設計與實現(xiàn)

基于當前通信協(xié)議在無線通信領域的比較，通信驗證方法采用CRC和驗證。通信格式的起始字節(jié)是幀起始字節(jié)，用于識別通信是否是同一個組，幀長度字節(jié)是通信幀長度的和，奇偶校驗位1是第一次和檢查字節(jié)，器件編號字節(jié)對于地址字節(jié)的低位，相關命令的命令字字節(jié)。2字節(jié)的長度是填充字節(jié)的額外長度，校驗和字節(jié)是第二個字節(jié)和檢查字節(jié)，以確保正確的通信。

4 系統(tǒng)硬件配置

4.1 土壤濕度傳感器的選擇

在農業(yè)生產中，土壤監(jiān)測是十分重要的，對農作物的種植和施肥有著重要意義。在土壤檢測過程中，水分是一項十分重要的參數(shù)，可以通過介電常數(shù)的分析來準確測量土壤中的水分含量，由此可以為灌溉提供詳細的參考數(shù)據(jù)。由此，介電常數(shù)測量儀器尤為重要，其直接關系到測量數(shù)據(jù)的準確性。

4.2 水肥一體化

水肥一體化，是指在農田灌溉的過程中通過管道和自動化設計將水和肥進行準確控制，精準地供應到農田。主要原理是在農田灌溉的支管上安裝一個肥料控制系統(tǒng)，在灌溉過程中通過電磁閥的啟停將相應的肥料準確地灌注到主管網(wǎng)中，在水肥灌溉的過程中要通過相關的數(shù)據(jù)分析來確定需要的水肥數(shù)量，進行有目的的準確灌溉。在使用過程中，可以根據(jù)需要在現(xiàn)場通過計算機和鍵盤表對灌溉系統(tǒng)進行控制；也可以遠程對灌溉系統(tǒng)進行控制。通過傳感器來準確地對周圍的環(huán)境進行監(jiān)測，獲得土壤的墑情、水量蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，通過相關數(shù)據(jù)的分析制定水肥供應參數(shù)，進行準確的供給，保證農作物生長所需[5]。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 無線遠傳視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于一般農業(yè)作業(yè)面積較大，種植過程中信息傳遞效果較差，在現(xiàn)代化水利自動化建設過程中需要通過無線遠傳技術對示范園進行高效管理。要滿足示范園的管理，需要解決四項主要問題：①示范園的現(xiàn)代化管理使用的人工數(shù)量比較少，在管理過程中需要對各種生產設備、日常使用的肥料進行監(jiān)控，對人工操作標準化進行管理，避免生產物資被盜和工人的不標準化操作；②隨著園區(qū)種植面積的不斷增加，人工管理難度也在不斷增加，隨著新農作物和新設備的引進，園區(qū)內運行任務將會不斷增加；③隨著園區(qū)規(guī)模的不斷增加，隨之而來的消費者、示范園的觀光者也將不斷增加，需要對園區(qū)內的人員和設備進行有序的管理；④對農作物的生產情況進行全程跟蹤，從農作物的種植、施肥、灌溉到采摘進行全程追蹤，保證農產品的食用安全，實現(xiàn)可視化的管理和銷售。

5.2 泵房水池自適應控制系統(tǒng)

泵房水池控制系統(tǒng)主要是在灌溉過程中對水池內的水位進行調節(jié)，主要由液位傳感器和水泵控制器兩部分組成，通過對臨界水位的預警進行設定，通過液位傳感器對水池內的水位進行監(jiān)測，如果超出臨界水位則水泵停止轉動，若低于臨界水位則水泵將自動開啟，這樣就能實現(xiàn)水池內的水位自動控制。同時，可以根據(jù)進出水量的控制來對水池內的水位進行控制，達到水池無人化管理。

5.3 遠程網(wǎng)絡氣象監(jiān)測站

在農業(yè)生產過程中，氣候對農作物的生長有著十分重要的影響，農業(yè)氣象是對異常天氣的總稱，一旦發(fā)生異常氣候，必然會對農業(yè)生產帶來十分嚴重的影響，發(fā)生氣象災害會造成農業(yè)減產，嚴重的會造成絕收。使用遠程網(wǎng)絡對當?shù)氐臍夂驐l件進行監(jiān)測，對異常氣候進行有效的評估，根據(jù)需要對災難的等級進行劃分，可以為防災、救災提供基礎依據(jù)。

6 系統(tǒng)功能

①根據(jù)示范園內農作物生產的要求，根據(jù)設定的參數(shù)對農作物實現(xiàn)定量、定時灌溉；實現(xiàn)現(xiàn)場管理數(shù)據(jù)的實時傳輸，遠程就能對歷史數(shù)據(jù)和實施數(shù)據(jù)進行準確的查詢，根據(jù)相關數(shù)據(jù)的分析結果制作各項參數(shù)控制的上限、下限趨勢圖；②通過傳感器對農作物周圍的土壤墑情、土壤水分進行實施監(jiān)測，根據(jù)農作物的施肥要求設定相關的參數(shù)，實現(xiàn)水肥管理一體化；③通過遠程管理手段，依托視頻監(jiān)控技術對農作物的生長、園區(qū)的關鍵設備、工人的標準化操作等情況進行管理；④通過液位傳感器對水池內的水位進行監(jiān)測，如果超出臨界水位則水泵停止轉動，若低于臨界水位則水泵將自動開啟，這樣就能實現(xiàn)水池內的水位自動控制，同時也可以根據(jù)進出水量的控制來對水池內的水位進行控制，達到水池無人化管理；⑤在農作物生長的過程中測量相關的參數(shù)，對相關的數(shù)據(jù)進行儲存和分析，制定出農作物生長的關鍵參數(shù)，形成專家?guī)熘笇こ套詣踊芸兀瑢崿F(xiàn)示范園區(qū)的科學化管理。

7 結語

水利工程自動化技術的應用，必將帶動農業(yè)產業(yè)的變革，改變傳統(tǒng)的農業(yè)種植方法，向高效、環(huán)保、生態(tài)現(xiàn)代化農業(yè)轉變。通過自動化、信息化技術的應用，提升了現(xiàn)代化農業(yè)水利工程智能化管理水平，推動了農業(yè)信息化發(fā)展的速度，隨著示范園區(qū)種植面積的不斷增加，必然會帶動當前經(jīng)濟的發(fā)展。

參考文獻

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[5]李永華，徐枋同，徐華中.模糊控制中的非線性問題[J].信息與控制，1992（5）：317-319.