基于物联网的安徽省农田灌溉实时监测及自动灌溉系统研究

王铭铭，徐 浩

(安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院，合肥 230094)

0 引 言

安徽是一个农业大省，，辖区内灌区众多。目前，安徽省建有淠史杭、驷马山、茨淮新河、花凉亭等9处大型灌区，重点中型灌区97处、一般中型灌区427处。全省6.04 亿hm2有效灌溉面积中，大中型灌区有效灌溉面积超过4.5 亿hm2。随着农业生产和农村经济发展进程的加快，安徽省一些灌区原有的水利设施已经不适应灌区发展的需要，直接影响了灌溉效益的发挥。为加快节水高效农业的发展，不仅能有效缓解水资源短缺现状，实现水资源高效利用，同时也是保障粮食安全、生态安全和水资源安全，推动农业和农村经济可持续发展的重要战略。

安徽省农业用水的矛盾主体是水资源的短缺与农业用水浪费现象严重，解决此矛盾的关键在于发展合理节水灌溉技术。传统灌溉方式是灌溉者凭借经验判断土壤墒情和灌溉水量，这样很容易造成无效灌溉、用水浪费等情况，不能实现按作物的需水特性精确、高效灌溉。节水智能灌溉技术是通过实时监测土壤墒情、土壤吸力等参数，再结合地理环境和农作物不同生长发育阶段的需求规律，由智能仪器控制灌溉装置对农田进行灌溉。当监测设备检测到土壤墒情、土壤吸力等参数已满足植物生长需求时，再反馈给智能仪器，并由其控制灌溉装置停止灌溉。实现优质高产，具有很好的经济效益、生态效益和社会效益，对缓解我省农业用水短缺现象具有重要意义。

1 系统设计思路

灌区现代化建设以信息化为基础，灌区信息化建设主要体现在灌区实时监测、自动灌溉、智能灌溉的建设。基于安徽省智慧灌区发展的实际需要，依托现有信息化基础设施，引进物联网、云存储等先进技术，特别是将安徽省灌区信息化建设与物联网技术紧密结合，完善信息感知与监测系统建设，以水利专网、公网、无线网络等多种传输方式为传输网络，将水利信息采集、传输、处理与灌区水利业务管理联系起来形成安徽“灌联网”系统。

针对安徽灌区管理的特点进行统一规划，统一标准。建设省级信息中心，汇总省灌排水利数据，形成安徽省灌区数据云。一方面为安徽省防汛抗旱、水资源调度、灌区管理等职责提供数据支撑，为后期开展数据挖掘、云计算等做好铺垫，另一方面省级信息中心具有控制平台，可对全省防汛、抗旱进行控制与管理。以灌区为单位，建设农田灌区分中心，管理本灌区的监测数据并对本灌区的灌溉及排涝进行监测与控制。

根据安徽省实际情况，系统建设分3个阶段建设，第一阶段选取5处中型灌区作为省级试点建设，实现省级监测系统搭建，积累相关建设经验。第二阶段拓展建设范围，逐步开展省内重点大中型灌区自动灌溉系统的建设；第三阶段根据需要，推广至一般中型灌区。

2 系统框架设计

农田水利自动灌溉监控系统主要由三部分组成：信息感知、物联传输、平台应用。信息感知是灌区物联网的信息来源，主要包括墒情感知、流量感知、闸门开度感知。其中墒情感知通过墒情检测传感装置采集土壤墒情的湿度、温度等基础信息，流量感知是流量计量设备实时采集灌溉用水流量，闸门感知是感知闸门开度等相关信息。物联传输是系统的监测与传输层，利用RTU控制器，采集感知数据，通过GPRS无线传输网络将数据传输至监测控制平台，实现灌区信息的实时监测。平台应用是系统的决策应用中心，系统完成土壤墒情、灌溉流量等数据的接收、显示、分析等工作。根据分析结果，做出是否需要灌溉的决策，并通过GPRS发送相应的命令远程控制水泵、闸门，实现按需、按量的自动化灌溉。系统中每一组GPRS都采用一点双发的方式，一是发送到农田灌溉管理中心服务器，另一个是发送到省农田水利自动灌溉监测系统。农田、水利等各管理部门可通过VPN方式访问省农田水利自动灌溉监测系统。系统架构方案见图1。

图1 安徽省实时监测自动灌溉系统架构方案

2.1 信息感知层

2.1.1 土壤墒情监测

土壤墒情监测子系统由土壤湿度传感器、温度传感器、水位传感器、RTU、GPRS、太阳能供电系统以及安装支架等设备组成，温湿度传感器用于采集土壤墒情，是判断灌溉与否的主要参数。水位传感器安装于田间净水池，用于探测田间灌溉水位，与温湿度一起作为控制灌溉时间的数据。此外，遥测RTU负责读取并存储各传感器的测量数据，GPRS模块将数据发送到自动灌溉决策控制系统的服务器。考虑到田间取电较为困难，因此采用太阳能供电方式为系统提供电源。土壤墒情监测系统框图详见图2。

图2 土壤墒情监测系统

2.1.2 流量监测

农田水利灌溉主要有2种方式：渠道灌溉和管道灌溉，渠道灌溉即明渠引水至灌区农田，而管道灌溉是以水泵提水的方式灌溉，因此，流量监测方式管道流量监测和明渠流量监测。分别安装管道和明渠流量计，由RTU控制器采集流量计的数据，并通过无线传输模块将数据反馈发送给自动灌溉决策控制平台。流量监测系统框图如图3。

图3 流量监测系统

2.1.3 自动灌溉控制执行系统

执行系统主要包括水泵、电磁阀和闸门的控制，系统采用无线控制的方式实现水泵、电磁阀、闸门的开启和关闭。具体步骤为：自动灌溉决策平台无线发送执行命令，水泵、电磁阀和闸门处安装的无线接收装置接收到命令后，将命令传递给RTU控制器，再由RTU控制水泵控制器、电磁阀控制器和闸门控制器，从而实现灌溉的自动控制。最后RTU再将水泵、电磁阀的开关状态和闸门的开度状态反馈回控制中心。其中水泵、电磁阀的控制可通过水泵控制器和电磁阀控制器实现，闸门的控制则需外置启闭电机，闸门控制器通过控制启闭电机实现对闸门开关的控制。自动灌溉控制执行系统框图见图4。

图4 自动灌溉控制执行系统

2.2 传输网络

传输网络是物联网系统的桥梁，稳定的传输网络是安徽省智能灌区建设的基本要求。安徽省农田灌溉监控系统平台利用已建水利专网，实现平台间的网络通信。对于分布广散的各取水及墒情监测点，存在数据流量较小的特点，而GPRS作为稳定的无线传输模式已在安徽省水资源非农业取用水监测、山洪灾害非工程措施建设等诸多水利信息系统中应用，因此，本系统设计也选取公共移动通信GPRS进行数据无线传输，并以GSM-SMS作为备用信道，确保监测点通信顺畅。GPRS无线传输网络的组建采用“公网专线”的方式来实现，将采集到的数据通过无线方式传输至监测中心服务器。见图5。

图5 安徽省灌区监测点无线传输方式

2.3 应用平台设计

2.3.1 系统硬件设计

应用平台分硬件设备和软件系统两部分，其中硬件设备依据“利用已有、充分共享”的原则，新建省级灌区监测平台依托于省排灌总站已建机房，利用已有的网络设备、安全设备等硬件设备，在此基础上配备数据库服务器、工控机服务器、液晶显示器、UPS后备电源、无线接收设备等，搭建符合安徽省智能灌区长期需要的监控平台。

2.3.2 系统软件设计

根据安徽省农田灌溉监控业务需要，系统软件主要包括信息采集软件、决策控制软件、应用管理软件等。决策系统在全部时段对区域内所测实时土壤含水率、温度、水位等数据信息进行监控，根据对接收数据的分析处理，最终做出决策并完成对自动灌溉执行单元的控制。主要功能实现：对区域内土壤墒情监测站远程监控，土壤墒情等数据进行接收、判错、存储；实时数据的显示、查询、统计、分析、决策；自动灌溉执行单元的远程控制等功能。详细软件建设见图6。

图6 自动灌溉系统决策控制系统软件

3 结 语

节水灌溉是最严格水资源管理的必行之路，利用物联网技术，实时监测墒情、流量等信息，是实现智能灌溉的基础。通过科学分析，实现自动控制灌溉时间和水量，是节水灌溉的技术手段。自动灌溉系统的研究可有效提升安徽省灌区灌溉的科技水平，是安徽省农田灌溉现代化发展的方向。

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