物聯網和云平臺在現代化灌區建設中的應用

李 君，魏幫成，魏 凱

（1.甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州730000；2.蘭州建設投資（控股）集團有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 前言

甘城子揚水灌區年均降水量280 mm，蒸發量高達1200 mm～1600 mm，屬于較嚴重的缺水地區，水資源匱乏及落后的灌溉方式，嚴重制約了當地經濟快速發展。

目前許多灌區已經配備了灌區信息管理軟件平臺，現代化管理程度越來越高[1～3]，由于缺乏統一的規劃和管理，灌區管理軟件開發存在各自為營，缺乏統一的框架、平臺開發質量參差不齊、開發效率低、系統兼容性差等問題，這些制約因素影響了灌區管理軟件向規范化，集群化的方向發展。同時一些灌區基層信息化缺乏專業人才，灌區管理平臺運行維護難以為繼[4～7]。

物聯網與云平臺技術為現代化灌區分布式灌區信息管理系統提供了一種新的方法。灌區用戶可通過購買第三方云服務，通過網絡就可獲取相關計算、存儲等資源[8～9]。本文提出了基于物聯網通信和購買第三方云服務平臺的灌區現代化建設方案，提高灌區管理效率，對于加快少數民族地區發展，增加當地農民收入，健全農業現代化管理體系具有積極作用。

1 灌區信息管理系統架構設計

本次選擇甘城子四泵站滴灌工程東片區，灌溉面積2500畝，開展示范建設。灌區控制系統主要由三部分組成，分別是灌溉云服務平臺、田間控制系統及灌區管理客戶端。

在田間布設的土壤墑情監測站點，利用物聯網技術，將土壤含水量、溫度等信息傳輸至云端管理平臺，通過平臺部署的專家決策系統，對自動監測數據進行分析計算，產生灌溉決策信息。同時，水泵、田間電磁閥將水位、水量信息實時傳輸，實現灌區的動態監控，提高水資源的監控管理能力。

2 第三方云服務平臺功能介紹

第三方云服務平臺主要是通過實時監測管網運行狀態、接收各監測站點數據，按照制定的灌溉計劃，實現遠程控制。管網監控：主要實現對管網水量的實時監控及科學調度，由水量監控系統和水量調度系統組成。

（1）首部控制：主要是監控灌溉首部樞紐的運行情況，實現自動化控制。監控內容主要包括進出水口的壓力狀況、電動閥門的啟閉狀況、水泵運行狀況、管道流量狀況等。主要配備電磁流量計、壓力傳感器。

（2）田間控制：通過物聯網實現對田間土壤濕度信息、田間氣象信息、電磁閥開關信息的監控。由信息收發節點和網關組成，信息收發節點負責采集相關工況信息并對田間電磁閥進行控制，主要通過無線通訊模塊與網關實現數據通訊，組網方式為無線自組網方式。網關通過GPRS/4G 模塊與第三方云平臺互通。

圖1 甘城子灌區系統結構示意圖

圖2 灌區控制系統原理示意圖

3 灌溉控制系統功能設計

灌區管理工作站及第三方云服務平臺是灌區控制系統的大腦。灌區管理工作站通過網絡訪問第三方灌溉云平臺，獲得灌區信息、灌溉方式、運行工況等。也可以通過網橋和4G 網關實現灌溉遠程控制。該系統主要功能如下：（1）監控灌區的干管、支管的運行壓力；（2）監控干管、支管的流量；（3）監控就地控制柜的運行狀況、電機等工作情況；（4）監控水源井的水位，以及沉砂池水位，并進行預警；（5）泵房、水源、水泵運行狀況的監控。

4 灌區管理信息系統設計

灌溉管理信息系統管理信息分為基礎信息管理、實施灌溉監控管理、灌溉計劃管理、設備運行維護管理系統，系統界面見圖3，系統功能具體如下。

圖3 灌溉管理信息系統管理界面示意圖

（1）基礎信息管理。灌溉管理工作需要大量的基礎信息支持，土壤分布及利用信息、作物種植情況、灌溉管網信息、采集監控點基本信息、灌溉制度信息等。對基本信息提供查詢、打印輸出、修改、刪除、數據導入導出（具有數據批量導入導出功能，且支持多種格式的文檔，如xls，doc 等文檔）等功能。

（2）灌溉計劃管理模塊。根據土壤分布類別、作物種植及生長周期、灌溉制度及土壤墑情等信息，按照管網對應灌溉面積生成各個支管、輔管的輪灌計劃。

（3）灌溉監控管理模塊。灌溉計劃制定完成后，系統按照設置好的輪灌模式、輪灌周期進行自動化灌溉控制。同時將灌溉過程中的灌溉量、墑情變化情況、首部電氣運行參數及管網運行參數存入云平臺中。若灌區運行過程中設定的相關參數超過預定值時，就會產生警報，同時關閉首部水泵，確保系統的運行安全。管理模塊同時支持通過手機查詢當前灌區運行狀況，并發布相關信息。灌溉云平臺工作流程見圖4。

圖4 云平臺灌溉控制系統工作流程圖

（4）設備運行維護管理系統利用計算機信息系統對灌溉設施設備生成定期維護計劃，記錄維護情況。系統結合實時灌溉運行參數生成過濾器動態清洗報警，系統根據電機、泵、閥等運行參數生成設備的狀態檢修任務。系統支持設備設施的維護、更換記錄和缺陷統計。系統可以對灌溉用水，設備耗電、維護，材料消耗等進行成本核算，實現精細化灌溉運行管理。

5 主要建設內容

本項目基礎設施建設主要內容如下：φ125～φ280PVC支管（壓力等級0.63 MPa）0.59 km；φ90PVC 分支管（壓力等級1.0 MPa）12.34 km；φ63PE 輔管（壓力等級0.8 MPa）138.38 km，φ16 滴灌毛管110.32 km（壁厚1.0 mm）。

灌區信息化主要建設內容如下：3 年云平臺租用費（灌溉管理系統），變頻柜3 臺，網式過濾器6 套，土壤監測器2 套，田間氣象站1 個，無線水泵控制器2 套，無線采集控制器254 個，管道壓力傳感器32 套，電動閥門246 個，閘門開度傳感器26 套，地埋光纜12 km，電力電纜12.25 km，灌區信息化主要建設內容見表1。

6 系統應用與實踐

本系統現已應用于甘城子灌區，基于物聯網與第三方云服務平臺實現灌區現代化管理，系統內配備了豐富的報表系統、實時數據監測系統和歷史數據分析系統，能夠科學制定灌水方案、優化灌區水資源配置，為灌區節水管理、水資源優化配置等方面提供依據。用戶通過手機、電腦等通過Web 方式登陸系統，減小運行維護壓力，節省了硬件購置方面的費用，具有較大的存儲能力，高效安全的數據傳輸和交換能力。本系統的建成，對于少數民族地區的發展和新農村建設，實現經濟可持續發展提供安全可靠的保障，為現代化灌區建設提供一種可借鑒的模式。

表1 灌區信息化建設主要工程量表