农业节水灌溉智能控制系统设计

李晓花

农业节水灌溉智能控制系统设计

李晓花

(新疆巴州水利水电勘测设计院 新疆库尔勒 841000)

新疆地处内陆干旱区，具有“绿洲经济、灌溉农业”的特征，农田水利与农业生产、粮食安全和农牧民脱贫致富紧密相关，节水是新疆农业健康发展的永恒主题。本文以某农业节水灌溉示范园智能控制系统为例，介绍了系统的结构、功能与组成，以期为新疆农业节水灌溉工作的开展起到良好的示范和推动作用。

农业节水 智能控制系统 设计 干旱区

前言

新疆水资源总量832亿m3，单位面积产水量仅为5.3万m3/km2，排名全国倒数第三。全疆万元GDP用水量984m3，是全国平均水平的3.5倍；单方水的GDP产出量为10元，仅相当于全国平均水平的23%。资源型缺水和用水效益低下问题并存。发展农业节水旨在降低农业用水比例，既为农业可持续发展打下基础，也为工业化发展提供更多的水资源保障，从而提高水资源的利用效率，更好地为各族人民服务。

近年来，自治区人民政府把大力推广先进适用的高效节水灌溉技术、普及标准沟畦灌，实现干、支、斗三级渠道全防渗等基础性工程建设作为农田水利基本建设的重点工程来抓。自治区相继出台了《关于加强水利抗旱工作的若干意见》、《关于加强自治区农业高效节水工作意见》、《新疆维吾尔自治区农业高效节水灌溉工程标准化、规范化建设及运行管理办法》等文件，采取了财政补助、先干后补、以奖代补等一系列政策、措施，鼓励、引导农民合作组织、经济实体和农民积极投入农业高效节水建设。截至2011年底，全疆“供水到户”面积占农田灌溉面积的85%，亩均节水30m3以上，农业年均减少用水近10亿m3左右。通过多年的农田水利建设，大幅降低了农作物的灌溉定额，提高了作物灌溉保证率，粮食单产显著提高，农民收入日益增加。

以滴灌为主的农业高效节水灌溉优势十分明显，主要表现在以下五个方面：（1）实现了适时适量按作物需求给水；（2）按照作物需求适时适量施肥，节肥；（3）改善作物生长环境，可有效调控水肥、水热和水气环境，进而提高产量；（4）节省劳力，较常规管理模式节省劳力40%以上；（5）通过根层局部湿润灌溉，避免了大水漫灌造成的深层渗漏，有效控制了地下水位上升，进而防止土壤次生盐碱化。

新疆地处内陆干旱区，具有“绿洲经济、灌溉农业”的特征，农田水利与农业生产、粮食安全和农牧民脱贫致富紧密相关，农田水利是新疆农业健康发展的重要基础支撑。为应对新疆缺水形势和满足严格水资源管理的需要，解决农业灌溉用水量偏大、灌溉水利用效率低等问题，本文对新疆南疆某农业节水灌溉示范园智能控制系统进行介绍，以期为新疆农业节水灌溉工作展开起到良好的示范和推动作用。

1 系统结构28

该农业节水灌溉示范园智能控制系统采用全无线控制方式，通过双频中继器将分布在示范园内的无线控制站、井房监控站与监控中心连接，并在各灌溉区域内安装土壤墒情、气象等传感器，实现基于土壤墒情和气象信息的全自动灌溉控制。

该灌溉智能控制系统由无线控制站、井房监控站、双频中继站、远程气象站、手持遥控器和监控中心六部分组成。其中，无线控制站点由无线直流灌溉控制器、土壤水分传感器、直流电磁阀等组成，控制站使用太阳能供电，通过无线信号与双频中继器通信，具有土壤水分信息采集、灌溉自动控制等功能；井房监控站由ASE无线采集控制器、脉冲水表、远传压力表、交流电磁阀等组成，实时采集灌溉用水信息、管道压力等信息，并可以根据监控中心命令切换灌溉水源（地下水与地表水）；双频中继器负责转发监控中心和无线控制站点间的通信数据，且各中继器具有自动转发功能，可以极大的扩展无线灌溉控制系统的覆盖范围；监控中心主要包括监控服务器和控制软件，通过无线信号控制整个示范园的灌溉系统的运行。节水灌溉自动控制工程包括具有基于环境和土壤信息全园灌溉自动控制功能。

2 系统功能

灌溉智能控制系统总体功能是监控中心通过无线电台与灌溉控制中继站通信，由后者将信息发送给分布在园区内的无线控制站，并由控制站控制直流电磁阀，实现灌溉的自动控制。实现的具体功能包括：

2.1灌溉自动控制

系统具有自动控制、定时控制、手动控制三种灌溉控制方式。其中，自动灌溉是指系统依据土壤水分及气象条件，自动启动或停止灌溉；定时灌溉是指按照用户设定的灌溉开始时间和灌溉时长，自动启动和停止灌溉；手动灌溉是指根据需要，用户在软件上直接控制灌溉启动和停止。

2.2系统远程监控

系统具有遥控器、短信两种远程控制方式，用户可以在园区内使用遥控器进行灌溉控制操作，也可以在任意地方通过手机短信进行灌溉控制和信息查看。

2.3灌溉供水监控

系统实时监测灌溉供水井房内的8路管道压力、4路脉冲水表用水量信息等，控制器根据设定的供水策略自动进行灌溉水源切换，并具有管道压力、流量异常自动报警功能。

2.4数据监测

通过示范园内安装的土壤水分传感器和气象传感器，实时监测土壤墒情与气象环境因子，为灌溉提供决策依据。

3 系统组成

3.1无线控制站点

无线控制站点主要完成区域灌溉控制和土壤墒情信息采集。每个无线控制站点内部包括1套太阳能供电系统、1个EIC无线直流灌溉控制器、1个土壤水分传感器。

其中EIC无线直流灌溉控制器是无线控制站点的核心，该无线直流灌溉控制器是一款具有4路直流电磁阀、1路土壤水分测量能力的超低功耗小型灌溉控制器，该控制器可以控制4个直流阀门，用户可以对4个阀门独立控制。作物灌溉可以通过定时、传感器数值等方式启动。同时，控制器集成了无线数据传输功能，支持MODBUS协议，可以根据控制中心的命令对作物进行灌溉控制。

3.2双频中继站

系统双频中继站用来完成监控中心与无线控制站点间的通信。双频中继站由1套12V直流电源、1台无线电台、1台中继控制器、1台微功率无线模块组成。双频中继站具有针对监控中心和无线控制站点的两个通信频率，可以设置多达255个通信节点，可以在两个频率链路上传输数据，也可以转发中继站信息，实现通信区域的扩展。通过中继站，可以实现通信距离延长1km。

3.3井房监控站

系统的井房监控站由ASE采集控制器、无线电台、电源等组成，用来监控井房内6条供水管道压力、流量、水量信息和地表水源信息，并根据地表水源信息启动循环泵在地下水、地表水之间进行灌溉水源自动切换。

井房监控站的控制核心为ASE采集控制器，该控制器具有7寸真彩触摸屏，可以控制8路电磁阀、采集16路模拟信号，具有智能、定时等多种自动控制功能。

3.4远程气象站

远程气象站用来监测灌溉园区内的气象数据，包括空气温湿度、风速风向、降雨量、太阳辐射，可通过无线模块、短信、GPRS发送测量数据，具有LCD显示屏。可存储10万条历史数据，并可通过U盘读取历史数据。

3.5手持遥控器

手持遥控器基于PDA开发，图形操作界面，操作简单，具有灌溉方式设置、灌溉参数设置、灌溉控制、数据监测等操作功能，可以实现手动灌溉、报警查询等多种功能。

3.6监控中心

监控中心包括服务器、无线电台、短信模块、操作台、液晶显示屏等硬件设备及中央灌溉控制软件。其中，服务器用来运行中央监控软件，该软件是示范园灌溉控制中心，控制整个园区的灌溉运行；无线电台用来与各中继器通信，从而实现对无线控制站点的控制。

中央灌溉控制软件是一个集水源调度、用水计量、灌溉控制于一体的综合示范园灌溉控制系统，该系统基于地理信息系统，包括数据通信、数据存储、数据分析、智能控制等功能，可以通过无线信号实时监控灌区内所有墒情、气象、水量等信息，并可以根据土壤墒情与气象信息，自动生成灌溉策略，并控制灌溉控制系统运行。

4 结束语

本文设计的节水灌溉智能控制系统，通过先进的监测系统、通信系统、数据处理系统和控制系统，对该农业节水灌溉示范园进行准确测量和远距离遥控，实现了园区灌溉作业的自动化和系统化，在最大程度上达到节水目的，使作物的灌溉定额有了一定的下降，同时提高了水利用系数，将园区灌溉水利用系数提高到0.90以上，提高了水利用率，显示出巨大的社会效益和经济效益，具有推广应用价值。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.028

TP3

B

1672-2469（2014）03-0079-03

李晓花(1980年— )，女,工程师。