云智能化在农业节水灌溉中的应用研究

郭子凤，王永莉

（大同市水利科学研究所，山西 大同 037000）

1 项目概况

项目区位于大同市水泊寺乡东坟村农业园区，属温带半干旱大陆型季风气候，多年平均气温6.6℃，极端最高气温38.4℃，极端最低气温-29.2℃，多年平均降水量393 mm，多年平均水面蒸发量1 197 mm，无霜期125 d，最大冻土深度为1.86 m。项目村现有人口1 039 人，2009 年3 月起先后因安置区、铁一中、得大高速、东客站、万龙滑雪场、市委党校等项目建设部分土地被征用，现余土地10 hm2，人均耕地不足0.01hm2。项目区离御河干渠较近，农业灌溉水源主要为引用地表水。现有水源池1 处，配置潜水泵1 台，高位蓄水池1 座，灌溉面积6.67 hm2。本项目管灌区3.67 hm2，滴灌区3 hm2。

试验区北部有1 座50 m3蓄水池，位于试验区最高处，灌溉作物种植区与蓄水池高差为20 m，利用高差采用自流灌溉的方式，基本可以满足滴灌和管灌需求。

管线铺设依据地形、地块、道路等情况布置管道系统，要求管道系统线路最短，控制面积最大，便于机耕，管道尽可能双向分水。每个阀门为一个独立的灌溉组。管线铺设采用“丰”字型布置，滴管共计分为6 个灌溉组，控制3 hm2的浇灌任务。管灌分5 个灌溉组，控制3.67 hm2的浇灌任务。分别用流量计记录各灌溉组的用水量。滴灌组由6 个电磁阀控制，每个电磁阀控制1 个灌溉组。管灌分5 个灌溉组，由5 个电磁阀控制。

灌水器采用稳流式滴头，额定流量10 L/h，根据实际种植规格，每棵果树根部安装一个滴头，平均间距为2.5 m。

2 智能化灌溉监控系统

2.1 系统建设规模

项目建设智能化节水灌溉技术果园6.67 hm2，智能化节水灌溉项目的灌溉监控系统建设包括以下内容：

移动APP 管理平台。通过租用第三方云服务器，搭建灌区数据汇聚中心；通过定制开发的移动APP 软件管理平台，和配套的移动管理终端，实时掌控灌区灌溉信息，实现灌溉自动化、智能化。

泵站监控系统。项目区现有水源池1 座，配套潜水泵1 台，由潜水泵提水至高位蓄水池，采用空气开关就地控制，可靠性和安全性极低，本次系统设计对水源池泵站进行升级改造，配套软启动柜1 面、泵站监控终端柜1 面、无线通讯模块1 个、液位传感器1 只、管道过滤器1 台。

灌区监控系统。灌区监控系统主要配置DN 100电动阀门2 台、DN 50 电动阀门6 台、DN 100 流量计1 台、DN 50 流量计6 台、墒情监测站1 处、简易气象站1 处。

2.2 系统建设目标

2.2.1 移动APP 管理平台

移动APP 管理平台集中处理系统整体运行情况，负责监控和调度管理各监控系统工作（泵站、阀门），接收各泵站、阀门监控测点的数据并作分析、处理和存储。可对系统整体运行模式进行人工设定、修改，并可远程控制各监控系统监控点设备。

2.2.2 泵站监控系统

泵站监控系统实时监测水源池和高位蓄水池水位值和水泵机组运行状况，根据蓄水池水位情况、自动启停潜水泵向高位蓄水池补充水量来满足灌溉用水的需求。

能够监测现场电源状态、机泵运行状态、蓄水池水位、出口流量，可以通过面板或按钮控制水泵启停，并可以将这些数据上传监控中心，接收其指令，进行远程控泵等动作。

2.2.3 灌区监控系统

灌区监控系统包括管灌区、滴灌区，主要配套智能电动阀门、小气象站、土壤温湿度传感器等，系统可将阀门的开闭状态上传移动APP 管理平台，同时接收移动APP 管理平台发送的控制指令开闭电动阀。

系统可实时采集现地小气象站数据、土壤温湿度数据，并根据这些数据综合分析当前灌溉用水需求量，合理调配电动阀门的开闭，达到调节灌溉用水的目的。

2.3 系统建设的创新点

2.3.1 智能灌溉管理系统的开发创新

智能化灌溉依托强大的信息化，应用软件平台开发和IT 系统集成能力，利用4G 网络，在云计算、物联网等领域的先进技术，从“田间、需求、服务”三个方面，构建一个完整的智能化灌溉平台。

2.3.2 物联网的信息采集系统创新

主要负责完成示范区内相关农业生产信息的收集，获取实时的作物自身要素和环境要素的测量信息。采集的信息分为空气、环境要素信息和作物、农田管理措施信息。

空气、环境要素信息的采集，目的是收集空气温度、湿度等要素，了解作物呼吸与生长必备情况，为调节作物生长条件提供依据；信息内容有空气温度、湿度、降雨量三方面，采集方式为简易气象站测量，其中温度与降雨情况，是决定果树物候期生长的客观条件。

作物、农田管理措施信息的采集目的，是利用采集信息，建设现代化精准农业，指导农业田间管理，通过科学的田间管理措施保障果树科学生长，促进高产、稳产；其中株高、树径枝条生长信息通过人工测量采集，施肥量、浇水量根据田间管理记录录入，病虫害信息根据田间防治记录录入。

3 智能化灌溉系统技术方案

3.1 灌溉监控系统结构

智能化节水灌溉监控系统总体分为3 个部分，分别为移动APP 管理平台、泵站监控系统、灌区监控系统。

3.1.1 移动APP 管理平台

移动APP 管理平台是整个灌溉智能化监控系统的大脑，负责接收、处理、分析、存储及输出各种数据，并下发控制指令，监控整个系统的运行情况。

3.1.2 泵站监控系统

泵站监控系统配置泵站LCU 屏、软启动柜，进行相关电气连接，实现水泵控制。具备手动、自动和远程控制功能，管理员可以随时观察其工作状态。

3.1.3 灌区监控系统

电动阀门接收并执行移动APP 管理平台的开关控制指令，将开关信息反馈至移动APP 管理平台，完成灌区作物灌溉用水的调节控制。管灌区采用出水口控制方式，滴灌区和喷灌区采用控制阀井控制。

3.2 分项控制技术

本灌溉控制系统可分为两大部分，高位蓄水池控制和灌溉阀门控制。动力系统控制采用软启动系统，软启动器具有低压、过压、缺相、漏电、过载等保护功能，通过软启动器控制提水泵，可降低水泵直接启动对电网电压的冲击，有效保护电机。

自控系统采用西门子200 smart PLC 系统，集成了昆仑通态触摸屏1071Gi、4 G 物联网模块。通过触摸屏可监控水塘水位、高位水池水位、提水泵状态、电源电压、各阀门及流量、土壤墒情等，远程可通过4 G物联网模块，将自控系统数据传递至物联网云平台；通过手机、电脑登录特定的云平台账号，可监测和控制现场各设备。

3.2.1 泵站监控系统

泵站控制系统分就地和集控两种，通过泵站LCU屏上的转换开关进行切换。就地状态，提水泵通过软启动柜上的启停按钮启停，自控系统不参与提水泵控制。集控状态，自控系统通过检测电源电压状态、相序等来决定提水泵是否可以启动，当市电缺失、相序故障时，提水泵禁止启动；集控状态又分为手动控制和自动控制。现场可通过触摸屏上的按钮进行切换，默认状态是自动控制。手动状态时，通过触摸屏上的启停按钮进行启停。

自动控制是通过检测水塘水位和高位池水位控制提水泵启停。设置水塘保护水位，可在触屏上设置某一数值，当实时水位低于保护水位时，禁止提水泵启动。

高位蓄水池的水位采样，通过RS 485 通讯，状态可在触屏上观察到，通讯异常时，禁止启动提水泵；通讯正常时，通过设置的水位低限值和高限值，控制提水泵启动和停止。

现场需要使用自动控制时，只需将自控柜切换开关转至集控状态，设置好水塘保护水位、蓄水池低限和高限。通过云平台也可实现自动控制和手动控制的切换。

3.2.2 电动阀门控制系统

高位蓄水池配水口阀门井中，安装1 个总控电动阀门，灌溉支管上安装了6 个分支电动阀门；每个阀门前安装了一个流量传感器。人工判断是否需要灌溉，决定是否打开或关闭阀门。各电动阀门和流量计采样采用RS 485 通讯方式。

从发出开关阀门指令到执行，需要1 min，阀门开关状态反馈需要1 min，一个命令的发出到执行完毕最多需要3 min。流量信号3～5 min 采集一次。

3.2.3 软件平台系统

自动化监控与信息管理平台（以下简称“平台”），分为客户端和移动端（APP）。通过数据采集设备、无线网络设备、智能采集终端、智能水表等在线监测，实时观察工程水位信息、运行模式、运行状态等情况。移动APP 平台下载安装后，可在任何时间、任何地点，实时查看供水工程状态，有效管理供水信息，打破办公时空限制。

移动端使用禹水物联，能够直观地监测工程各设备的运行情况，主要包含工程管理、报警信息、个人中心等功能。工程管理，通过GIS 地图，展示权限范围内各项工程分部情况，移动端信息与PC 端信息同步共享模式。报警信息，点击首页按钮，可查看权限范围内的预警实时提醒，可查看报警信息详情。个人中心，点击首页按钮，可在【个人中心】修改个人电话和手机信息；点击【官方联系】查看技术支持联系方式；【关于我们】可查看公司信息；【系统设置】可查看移动端功能介绍、修改移动端登录密码以及移动端版本信息。

4 树体生育测定成果

通过自动化监测管理测定表明，滴灌比管灌新生枝条长度增长9.1%。管灌条件下树干径的增长率平均为95.5%，滴灌条件下树干径的增长率平均为90.2%。管灌区树干径比滴灌区树干的径增长率平均增加5.9%。