信息技術在果園節水灌溉中的應用

鄒躍 邱鳳翔 柏大團

摘要：節水灌溉系統主要由水源地水位、水質監測，取水控制、供水控制、供水計量，土壤墑情監測、氣象監測，視頻監控等組成。通過自動化控制，以實現自動取水、供水、水質監測、土壤水分控制，對水資源實施精確計量，為節水灌溉提供依據。在此基礎上，通過視頻監控、無線傳導、集中管理，加強控制，按時按需供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的。通過對取、供水，水質監測、土壤墑情采集，大數據處理，平臺綜合應用等一系列操作，實現了節水灌溉技術的自動化控制。

關鍵詞：信息化;自動控制;節水灌溉;大數據處理

我國水資源短缺，水資源人均占有量僅為世界人均水量的1/4，加上南北時空分布很不均勻，造成我國水旱災害頻繁。由于我國是農業大國，農業生產嚴重依賴水資源，農業用水量約為總用水量的80%;幾千年的農業生產習慣，造成農業用水普遍存在效率低下、用水浪費等問題。目前全國灌溉水利用率約為43%，約為發達國家灌溉水利用率（70%～80%）水平的一半。因此，盡快改進灌溉措施，提高水資源的利用率，是目前急需解決的問題。

通過改造，用現代節水灌溉技術替代傳統灌溉，在灌溉系統合理地推廣自動化控制，實現適時適量的“精細灌溉”， 不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本，對于現代農業有著重要的現實意義和深遠的歷史意義。以黑林鎮富林村獼猴桃特色水果種植產業園{連云港市水利局關于贛榆區黑林鎮富林村整村推進二期工程初步設計的批復（連水移民[2018]152號）}為例，探討自動化控制等信息技術在生態農業中的應用。

1? ? 園區概況

連云港市贛榆區黑林鎮地處兩省（江蘇、山東）三縣（贛榆、莒南、臨沭）交界處，位于贛榆區飲用水源——小塔山水庫的上游，屬丘陵山區，地面起伏較大，有青口河、旦頭河、汪子頭河三條河流，全鎮80%以上的地表積水直接流入或通過以上三條河流注入塔山水庫，是全區飲用水源重點保護地區。黑林鎮屬暖溫帶半濕潤海洋季風氣候，光熱和水資源十分豐富，日照充足，四季分明。

近年來，為響應國家可持續的生態發展戰略，贛榆區政府結合當地丘陵山區的實際情況，在黑林鎮全境和厲莊鎮北部地區，規劃建設特色水果產業園。特色水果產業園涉及總面積1.14×104? ?hm2，其中核心區4.7×103? hm2。先后建設以大吳山、二龍山片區為核心的特色水果主題產業園、以謝湖片區為核心的大櫻桃產業園、以河西片區為核心的獼猴桃產業園、以吳山北片區為核心的藍莓產業園等4個水果產業園。

以吳山北片區為核心的環大吳山現代農業示范區規劃面積約1 333 hm2，主要包括萬畝獼猴桃、33.3 hm2藍莓、33.3 hm2中藥材、666.7 hm2雜果四大基地。本項目以區域內的15 hm2藍莓種植園為基礎，結合植物生長需水模型與土壤含水、大氣環境的實時監測，實現“智慧灌溉、精準灌溉”，完成后將提高灌溉效率，提高種植物產量及品質，為有效解決大面積監控的難點和自動化控制管理灌溉難等問題起到示范作用。

黑林鎮富林村獼猴桃種植基地灌溉面積共80 hm2，種植作物為獼猴桃，灌溉形式為小管出流灌溉。項目區共分為3個片區，片區1灌溉面積36 hm2，灌溉水源為西陡嶺水庫，利用擬新建的西陡嶺水庫1號泵站進行提水灌溉;片區2灌溉面積24 hm2，灌溉水源為馬旦頭水庫，利用現有的馬旦頭水庫3號泵站進行提水灌溉;片區3灌溉面積20 hm2，灌溉水源為陳旦頭水庫，利用擬新建的陳旦頭水庫泵站進行提水灌溉。

規劃將片區3定位獼猴桃種植基地，通過傳感、通信、網絡、控制及計算機硬件和軟件、水管理科學和決策支持、農業水利工程等技術的綜合利用，建設集節水優先、智能化監測、自動化控制、可視化展示等特點為一體的智能化節水灌溉系統。

2? ? 規劃設計與布局

黑林鎮富林村獼猴桃種植基地位于黑林鎮富林村，建設面積共計約20 hm2。項目區內的工程布置根據本身特色，按水系特征、地形地貌、外部環境、區內現有基礎設施等情況進行綜合布置。

本項目包括水源地水位、水質監測，取水控制、供水控制、供水計量，土壤墑情監測、氣象監測、視頻監控，以及監控中心等。

2.1? ?項目規劃設計定位

（1）智能化灌溉示范區。智能化灌溉示范區的實踐實質上是探索自動化控制系統在現代農業、特別是高效節水灌溉方面的實際應用。這一技術的應用，實現實時水壓調節，遠程監控并控制閥門、電機啟停，滿足用戶對灌溉過程中監控、灌溉質量分析和灌溉工藝改進的需求，從而達到灌溉、分析等過程的自動化運作，實現社會效益和經濟效益的雙豐收，優越性十分顯著。項目結合地區農業從業人口大量減少，人力資源費用增加的現狀，擬采用智能化控制灌溉技術，探索適宜于長三角地區勞動力現狀的節水省工灌溉模式，將項目區建設成為大面積推廣智能化灌溉的示范樣本。

（2）高效節水灌溉示范區。選擇布置水表測算流量，同時項目區布設氣象、土壤墑情監測點，監測水分利用效率，提高項目實施的節水效率。

（3）高新農業示范區。開展節水節肥新技術、灌溉水質監測技術等新裝備的引進、試驗、示范和推廣，展示現代農業高科技研究成果，通過技術示范、輻射，帶動現代農業的發展，把示范區建設成為一流的高科技節水農業創新展示區。

2.2? ?項目規劃布局需求

為滿足項目需求，合理解決勞動力分配不均、效率低下等問題。必須著眼于以“無人值班、少人值守以及遠端實時監測控制”為目的，本著設備安全、可靠、經濟、實用、功能完善、技術先進的原則，設計一套完整的水利自動化控制系統解決方案，從而增加水利的科技含量、降低水利的資源消耗、最大程度的提高水利的經濟效益。同時，對水資源統一配置、統一調度、統一管理，確保整套系統在正常和異常情況下安全、穩定、高效運行的調度計劃和自動運行。

人工操作采集不同深度土壤墑情、經緯度位置和土壤深度等信息，可通過GSM方式（或Rs232，USB口將數據導入計算機）發到地市水情分中心（也可由監測站點直接傳送到省水情中心），實時入庫存儲，并由水情分中心通過防汛計算機網絡（NFCnet）上報到省水情中心。

移動土壤墑情監測站采集信息主要有站點ID、測量時間、土壤含水量、經緯度、土壤類型和測量深度;同時，根據抗旱監測需要，也可進行作物生長狀況、干旱程度等農情信息的采集。

3.5? ?氣象監測系統

本項目建設五要素氣象監測站1處，實現空氣溫度、相對濕度、大氣壓力、風向、風速等要素的定時自動采集、計算、處理、存儲和通訊，[4]為本地區獼猴桃供水模型提供必要氣象參數。自動氣象站由傳感器、數據采集器、通信模塊、防雷保護裝置、系統電源、密封機箱和支撐桿等附屬件組成。

自然環境氣象狀況的變化，引起各氣象要素傳感器變化，使得相應的傳感器輸出的電信號發生變化。溫度、濕度、氣壓、風向、風速和雨量諸要素的傳感器所感應的不同的物理量經過相應的電路， 轉換成標準的電壓模擬量和數字量，然后由數據采集器 CPU 按時序采集、計算、存儲，得出各個氣象要素的實時值， 整點數據存盤 。同時以統一規格的數據形式進行顯示、存儲、打印。這就是地面氣象綜合有線遙測儀的簡單工作原理和工作過程（如圖1）。

3.6? ?視頻監控系統

視頻監控系統作為灌區信息化系統的輔助系統，具有非常重要的意義。它能將被監控現場的實時圖像和數據等信息準確、清晰、快速地傳送到控制室，控制室通過視頻監控系統，能夠實時、直接地了解和掌握各個被監控現場的當前實際情況，監控中心值班人員能夠直接根據被監控現場發生的情況做出相應的反應和處理，更加實時有效地管理閘站。現場圖像通過視頻信號線接入視頻服務器，變為數字信號上網，提供遠程查詢服務。為保證取供水的安全、全面，項目區分別于有取水供水控制的地方、關鍵管理點、重要水利工程等處設置視頻監視點10處。

監控系統由前端子系統、傳輸子系統、控制子系統、顯示子系統四個子系統組成，系統結構見圖2。

3.7? ?網絡通訊系統

目前，遠程監控系統中采用的數據通信可分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM 短信/GPRS 通信等。

本項目考慮到項目綜合投資和現場條件，采用無線通信方式。

電動閥與電磁流量計實時監測信息及控制信號，通過就近接入無線網橋，傳輸至中心站數據中心。

取水泵站自動化系統建議采用無線網橋進行通信。

氣象與墑情信息監測系統通過GPRS方式進行信息的實時傳輸。

關鍵點視頻監控系統通過無線網橋進行傳輸，也可與就近的RTU進行合并后一起傳輸。在中心站完成數據的集中存儲與管理，硬盤錄像機再將接收的視頻監控數據包解壓，還原成動態視頻圖像送至監視器和電視墻上，主控中心便可監視到前端視頻監控的圖像。

3.8? ?監控中心

監控中心是本項目的核心部分，所有監測數據匯總指向的中心，數據交互共享的樞紐，充分利用示范區中心站將本系統中心站功能進行集成。

本系統中心站建設主要為三大部分，第一是硬件運行環境的搭建，保障系統的正常運轉;第二部分為數據層的搭建和數據共享服務的建設，確保數據能夠迅捷的傳輸至其他部門;第三部分為管理系統的搭建，主要是軟件平臺部分的建設，方便本部門的應急處置管理。

中心站主要實現網絡互聯，為灌溉信息化系統、農業信息化系統、農機信息化系統提供管理平臺。中心硬件設備配置主要是接收設備，包括：短信模塊（SMS模塊）、采集工作站、數據庫服務器、打印機、固定IP（CDMA使用）不間斷電源及其避雷器、顯示屏等。

由于現有傳感器普遍的技術問題，經常會有干擾信號，模塊功能在應用層將通過軟件的方式設置一定的邊界條件，用以剔除一些因干擾產生的錯誤數據，同時對一些異常數據則進行實時監測，通過人機交互手段第一時間告知用戶，方便用戶進行人為判斷和修正。

當出現水位超警戒時（如通訊事件、故障事件、水質超標或水量超限事件等）進行信息提示，提示內容包括通信站點編號、超標數值，超標時間等信息。報警分超標報警、故障報警和趨勢報警三類。

信息管理系統的建設也包含兩個部分，一個處于數據層，第二部分為應用層的開發。系統中心站依托示范區中心站進行配套。

計算機以分布式局域網方式配置，系統采用客戶機/服務器結構。服務器、工作站均選用國際知名品牌機型。中心站申請固定IP通過以太網口連接到數據采集工作站上采集數據。網絡互聯采用工業標準TCP/IP協議，運行Windows操作系統。中心站采集及發布軟件是在Windows下開發的一個開放式實時應用系統，實現全部的數據處理工作。

（1）高度自動化。自動采集機房環境參數和運行狀況，在統一的平臺下展現給用戶，通過聲光結合手機短信、電話語音警等多種手段，實現故障的自動預警、警告和必要的故障處理;同時對采集到的數據能夠進行分析和整理，并以圖表等方式提供給用戶，為機房管理決策提供可靠依據。

（2）高可靠性。系統設備必須有良好的電磁兼容性和電氣隔離性能;能在惡劣的機房環境下（包括機房出現故障的情況下）365 d[×]24 h連續工作，平均無故障時間大于1.5×105 h;必須有足夠的靈敏度和抗干擾能力，做到不漏報不誤報;系統的局部故障不影響整個監控系統的正常工作。

（3）高擴展性和技術先進性。系統必須考慮到現有的監測點及今后可能需要不斷擴充的需求，具有較大的容量、較低的擴展成本且不受監測點的限制;系統除與本廠家的現場監控單元連接外，還應提供開放性接口，供不同廠家設備連接;系統應預留多種對外接口，能向上級集中監控平臺提供監控軟件的所有監控數據及報警信息，其中數據接口包括數據庫接口、TCP/IP接口及SNMP協議接口等。

（4）高兼容性。監控系統必須符合國際工業監控與開放式的設計標準，必須保證能與所有的機房環境設備相兼容;軟件硬件均應采用模塊化結構。能同時向上和向下兼容。

（5）實時性。監控系統所有設備的通訊間隔控制在3 s之內，敏感設備數據刷新能力在1 s以內，每個監控單元均可實時處理和存儲監控數據。

（6）充分利用現有設備資源。監控系統必須能夠充分利用現有機房監控設備的資源，保護現有監控設備的投資。

（7）易維護性和易操作性。監控系統應具有良好的免維護性，系統運行不應需要人工干預，提供給用戶的界面要簡單友好。

（8）安全性。多用戶、密碼控制，能為不同的用戶設置不同的管理和查看權限。

中心站是將信息化建設內容所采集到的相關數據進行整合并加以分析的數據中心;信息中心的數控中心是整個示范區信息化建設的核心部分。它將各個信息監測點所采集到的水情信息、氣象信息、視頻信息、土壤信息進行匯總，便于管理站對整個示范區進行統一管理。數控中心建設既是信息化建設的核心部分同時也是信息化建設的基礎部分。

數據資源是任何實際運行的大系統的核心和基礎，因而數據的安全是整個系統安全的核心和重點。概括來講，涉及綜合數據庫的信息安全技術應該包括五方面的含義，即保密性、完整性、可用性、真實性和有效性。確保數據庫系統安全性的具體設計內容主要包括。

（1）數據庫鏡像。鏡像技術是保證計算機系統安全、可靠的有效方式。數據庫服務器的鏡像技術是指為存放數據的Chunk（數據庫服務器中最小的存儲分配單元）建立一個與之配對的Chunk，分別成為主Chunk和鏡像Chunk，使得每一個對主Chunk的寫操作都同時對鏡像Chunk做同樣的寫操作。這樣在主Chunk出現故障時，系統可以從鏡像Chunk讀取數據，直到主Chunk被恢復為止，而不需要中斷用戶的訪問。鏡像技術是以增加開銷為代價的，數據庫系統在對主Chunk進行操作的同時，必須對鏡像Chunk進行同樣的操作，系統采用雙機熱備的方式實現。

（2）數據備份與恢復。容災設計是一種保證任何對存儲設施的破壞都不至于導致數據完全不可恢復的預防措施，容災設計完全是針對偶然事故的預防計劃，常采用備份制度。對數據庫進行備份時，應采取定期備份和實時備份相結合的手段。①定期備份。對數據庫服務器應該進行定期停機維護，此時可以對整個數據庫進行一次靜態備份。其目的是當數據庫遭到破壞時，可以縮短恢復所需時間。②實時備份。數據庫應支持實時備份進程，將數據庫所發生的所有操作備份到文檔中，這些歸檔文件也可以轉儲到磁帶上。精心進行實時備份的目的是保證數據庫遭到破壞時可以恢復到破壞的前一刻。

4? ? 自動控制效果驗證

選取一定階段對獼猴桃園自動控制效果進行驗證，通過自動管理系統對土壤水分進行監測，測得的數據如表2所示。

根據獼猴桃生長習性與生長環境，土壤水分低于70%，獼猴桃生長萎靡不振，枝葉出現卷縮現象;土壤水分高于90%，植株出現澇黃現象。水分在70%～90%之間，植株生長旺盛，枝葉強壯。因此，上下限分別設為90%與70%。從表2中可以看到，在9：00--17：00之間，系統采集到的土壤水分數據，土壤水分在70%到90%之間，最大和最小值均沒有超出預設范圍。這表明，該系統能夠自動地對土壤水分進行智能調節，且測得的數據準確可靠。

5? ? 結語

本系統通過自動化控制，基本實現了節水灌溉，取得相對準確可信的成果。后續可以將此管理系統在整個園區內展開，一方面通過自動化控制，以實現自動取水、供水、水質監測、土壤水分控制，對水資源實施精確計量，為節水灌溉提供依據，促進用水觀念更新。另外，本系統可以根據不同的作物、不同的季節、不同的地域，制定不同的控制策略，集中管理、加強控制、按時按需供水，嚴格控制灌溉用水量，達到節水用水目的。尤其在干旱缺水地區可以大范圍推廣，實現科學種植。

參考文獻：

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