基于物聯網的水稻灌溉系統設計方法

陳 朋 ，申云香 ，馬艷萍

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.北京科百宏業科技有限公司，北京 100081）

傳統水稻灌溉模式為人工漫灌，水肥利用率較低，存在精細化程度低、管理難度大等問題。同時，水稻種植區一般水資源較為豐沛，種植戶的節水意識普遍不高。開展節水灌溉，從源頭減少田間用水和排水，進而降低污染物流失量，構建節水減污型生態灌區，是控制農業面源污染的有效手段，也是現代農業的發展方向。

本文以安徽省廬江縣巢湖西岸圩區水稻科研試驗基地為例，利用物聯網技術，開展以節水減污為目標的水稻智能灌溉系統建設試點，以期為同等條件下稻田節水灌溉與面源污染防治提供參考。

1 場地現狀

1.1 基地概況

該科研試驗基地距巢湖約15 km，處于國家級現代農業示范區內。試點區域地勢平坦，總面積約18.67 hm2，原為農戶種植，經土地流轉，現由某農科院統一管理。場地已完成土地平整、田埂硬化及灌排渠系建設，整體劃分為規整的50個田塊，單塊長約100 m，寬約30 m。

1.2 種植結構

區內種植結構大多為一稻一麥，兼有部分雙季稻。試點區域以科研試驗為主，種植結構為單季稻。

1.3 灌排方式

場地西側為南北向灌排干渠，中部為東西向灌排支渠。由于外河水位較高，灌溉期開啟外河引水口門，河水即自流進入干渠、支渠，田間再利用泵站或移動水泵提水灌溉；排澇時，田間排水自流進入支渠，再匯入干渠后由末端排澇泵站排入外河。

2 系統架構

2.1 設計思路

農田排水是污染物輸送的載體，稻田節水減污的著力點就在于科學管控田間排水。設計依托物聯網技術智能化、精準化的優勢，在水稻灌溉期和排澇期分別制定控制策略。在灌溉期，針對水稻不同生長期對水分的需求，根據土壤水分監測數據確定最佳灌水時機和灌水量，通過精準灌溉實現節水，并確保不產生農田尾水；在排澇期，根據天氣預警、田間余水量、水質等確定排水時機，通過提前排水增加田間蓄澇能力，避免或減少降雨期間氮、磷等污染物的流失，實現減污。

2.2 系統組成

1）信息采集系統。通過布設在田間的傳感器采集氣象數據、田間水位、土壤水分、水質等環境信息，為灌溉和排水決策提供基礎數據。

2）信息傳輸系統。借助 ZigBee、GPRS、Wifi、藍牙等無線或有線網絡，將各個數據采集節點匯聚來的信息安全可靠地傳輸至數據云平臺；同時，將中央控制器下達的各項指令發送至物聯網終端節點。

3）數據云平臺。負責收發、存儲、管理各項數據和指令，并運用大數據、數字模型等對數據進行分析，為實施灌排決策提供建議。數據云平臺由一系列軟件、模塊構成，可利用智能手機、PAD、電腦等終端同步使用。

4）中央控制系統。根據灌溉制度、監測數據等自動生成或手動輸入控制指令，并發送至中央控制器，中央控制器將指令發送至各物聯網終端節點，實現水泵、閘門等設施的控制。控制方式可選擇本地手動控制、自動控制、遠程控制等模式。

5）灌排設施系統。灌排設施系統包括構成灌排體系的各項設備和設施，主要由泵站、管網、渠道、閘門、閥門等組成，一般選用兼容性強、精度高、適合長期在農田及惡劣環境工作的設備。

3 系統設計

3.1 總體布局

項目區田塊整齊，灌排有序，設計維持已有排灌布局及田塊格局，并充分利用已建設施。設計新建灌溉泵站1座，布置在東西向灌排支渠上，自泵站引出灌溉管道2條，分別通至南、北兩側灌溉農渠。物聯網監測系統及灌溉控制系統根據設備可服務距離分片布設。

3.2 灌溉設施與灌溉制度

新建灌溉泵站1座，泵房建筑面積20 m2，設置在灌排支渠上；泵房內設水泵1臺，采用潛水泵，設計揚程22 m，流量162 m3/h，配套電機功率18.5 kW。水泵出水管采用DN150鋼管，埋地敷設至閥門井，自閥門井引出管道采用DN160 PE管，總長490 m，埋地敷設至灌排農渠渠首（已建成矩形明渠）。

灌溉方式為輪灌，每次灌溉3個格田為一個輪灌組同時工作。

3.3 信息采集與傳輸系統

信息采集與傳輸系統由微型氣象站、水位計、監測分機、物聯網微基站等組成。設計新建微型氣象站1處，監測指標包括空氣溫度、空氣相對濕度、風速、風向等，可實現自動監測田間生長環境并測報未來10天作物生長環境，包括熱害、冷害、強降雨、露點等。微型氣象站通過線纜直接連接到物聯網微基站，傳感器采集到數據后有線傳輸至物聯網微基站主機。

項目區共有50個田塊，設計在每個田塊布設1臺超聲波水位計，水位計通過線纜有線連接到鄰近的物聯網監測分機，整個區域共設置監測分機13臺，由監測分機將數據實時傳送到物聯網微基站。

物聯網微基站主機將所有監測數據通過GPRS/GSM公網發送到數據云平臺。用戶通過授權賬號登陸云平臺，實現數據接收、處理、下載、分析、實時查看等功能，并保證所有數據與終端設備同步。

3.4 智能控制系統

智能控制系統由中央控制器、無線控制節點、測控一體閘門等組成。在每個田塊安裝1個測控一體閘門進行供水，并配備1個無線控制節點。

在智能模式下，數據云平臺通過對田塊水位監測數據的實時分析，根據設定的參數，自動生成控制指令，并利用GPRS網絡將指令信號發送至中央控制器，中央控制器通過物聯網專用頻段將指令無線發送到各個終端控制節點，實現水泵、閘門的智能啟閉。

在人工模式下，用戶利用手機、電腦等終端發出控制指令，云平臺接收指令后傳送至物聯網微基站主機，由中央控制器發送指令至各個無線控制節點，實現水泵、閘門啟閉控制。

3.5 云平臺服務系統

云平臺服務系統是物聯網的樞紐，是用戶與田間設施的連通橋梁。該系統大多由物聯網企業提供，一般包含物聯網監測、控制、視頻、網絡預警、數據分析、系統管理、電子地圖等多個模塊，用戶可根據需要自行設置。

4 結語

物聯網節水灌溉系統通過精準化、智能化控制，大大提高了灌溉效率，避免了傳統大水漫灌方式導致的水肥浪費。既降低了灌溉水量和次數，又削減了污染物排放量，還能節省人力及維護費用，具有高效、智能、節水、省工、增產、減污的特點，在推進農業現代化的進程中具有廣闊的應用前景。