高效节水灌溉自动监控及信息化系统设计与应用

2017-03-22金永奎

中国农村水利水电 2017年1期

金永奎，李强，袁圆

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014； 2.南京理工大学，南京 210094；3.南京市水利局，南京 210036)

0 引言

随着农业种植结构的调整和农业现代化的发展，高效节水灌溉得到了越来越多的应用，至2013年底，我国高效节水灌溉面积约1 500多万hm2，其中管灌750多万hm2，喷灌350多万hm2，微灌400多万hm2,且增长速度迅速[1]。目前高效节水灌溉应用较多的是滴灌、喷灌和管灌等形式，相配套的灌溉监控技术也得到了一定的应用，监控设备主要有小型控制器、自动化/智能化控制系统、变频恒压设备、各种传感器、小型气象站、电磁阀等，一般以一个泵站为一个控制单元，控制面积6～30 hm2，泵站之间是相互独立的，不能进行统一调度和管理。目前各泵站管理采用人工/半自动控制方式，设备运行维护需要安排专人负责，运行维护成本较高且管理效率偏低，造成一部分人力、财力资源不合理利用，已不能适应新时期发展的需要[2-5]。

目前国外为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技术、计算机技术、网络技术等高新技术的应用，大多采用自动控制运行方式，特别是对大型系统多采用智能化中央自动监控方式。在大大降低工程造价费用的同时，既满足了用户的需求，又提高了灌溉系统的运行性能与效率。我国目前节水灌溉自动控制系统虽然从简易型到中央计算机型均有产品并得到应用，但与国外产品相比，在技术上还比较落后，主要针对单个小型灌溉系统的自动控制，没有充分利用先进的物联网技术，智能化、信息化程度低，有些方面设计还不太合理，仍需进一步完善[6]。利用计算机智能化控制、网络通信技术，实现信息共享、远程控制，逐步提高管理与应用水平，是当前高效节水灌溉建设中的迫切需要。

1 系统结构设计

高效节水灌溉自动监控及信息化系统结合灌溉基础理论和应用技术，实现田间环境、设备运行状态的监测和灌溉系统智能化、信息化控制及管理；系统通过相关硬件设备、软件系统和高效节水灌溉系统，将参数自动监测、水肥一体化、灌溉智能化、物联网、信息化等技术进行组合集成，探索和建立高效节水灌溉信息化监控技术体系，建成一个集信息智能采集、传输、管理、应用与指挥决策于一体的高集成化、高实用性和可扩展的信息化应用系统。

系统由监控中心控制和展示系统、视频监控系统、系统管理信息系统、田间智能灌溉控制系统、无线数据传输和高效节水灌溉网站等部分组成。图1为系统架构图，图2为系统拓扑结构图。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture diagram

图2 系统拓扑结构图Fig.2 System topological structure diagram

1.1 监控中心控制和展示系统

监控中心是系统的核心部分，它汇集系统各田间泵站的信息，并进行储存和分析处理，进行决策控制。监视各泵站实时状态，远程查看泵站各运行图表、远程控制泵及辅机设备的启动、停止等。监控中心有固定IP地址，由宽带线路与互联网连接，数据保存在数据服务器中，用户或工作站通过互联网访问WEB及数据服务器，并展现数据。主要设备包括WEB及数据服务器、视频服务器、计算机显示器、监控显示器、拼接屏控制机、拼接显示大屏、LED字幕显示屏、路由器、防火墙、音响和4 G终端等硬件设备。图3为监控中心架构图。

图3 监控中心架构图Fig.3 Monitoring center architecture diagram

1.2 视频监视系统

视频监控系统实时将现场视频显示在监控屏上，同时视频监控系统监视泵站内设备状态，以验证计算机监控指令的执行。在每个泵站控制的地块范围内配置若干台摄像机及硬盘录像机，硬盘录像机用于存储现地视频图像，与现地一体化控制设备相连，通过4G无线通信模块将数据信息传输至监控中心服务器，通过服务器与现场拼接大屏相连进行数据、图像展示。图4为视频监视系统架构图。

图4 视频监视系统架构图Fig.4 Video monitoring system architecture diagram

1.3 田间泵站监控系统

田间泵站监控系统是高效节水灌溉信息化系统最基础部分，通过它实现了系统的各项功能。田间控制器从传感器采集田间土壤墒情、电导率、温湿度等信息，然后将采集的数据通过自建的无线网络传送至泵站控制器，再由泵站控制器通过无线网络传送给监控制中心。系统在接收到相关信息后，结合天气情况和灌溉数据库，制定灌溉决策，并形成灌溉控制指令通过控制系统发送给灌溉控制执行机构，依托节水灌溉恒压供水系统，控制由太阳能系统供电的低功耗电磁阀，实现作物的自动灌溉、施肥等功能。其中土壤墒情的采集和传输以及灌溉控制指令的传输均通过无线网络实现。田间部分主要包括传感器、电磁阀、无线传输设备、太阳能供电系统、田间控制器和恒压变频节水灌溉系统。图5为田间泵站系统架构图。

图5 田间泵站系统架构图Fig.5 Field pumping station system architecture diagram

2 系统关键技术

2.1 参数数据采集技术

参数数据是信息化系统最基本资料，只有获取了这些数据，才能进行分析处理和决策，更好对系统进行控制和管理。本系统采用各种传感器对各项参数进行采集，分布在田间的传感器采用太阳能供电和无线传输方式实现。

2.1.1 土壤水分

土壤水分是灌溉系统最关键的一个指标，对信息化系统决策何时灌溉起决定性影响。测定土壤水分需要考虑到土壤类型、作物种类等因素，还需要根据作物相应生育期的最佳灌水上限与最佳灌水量，来确定传感器的布置点数、位置和埋设深度，从而正确合理地反映管理操作单元内土壤水分实际状况[7]。选用的传感器采用FDR频域法原理，测量范围0～100%，工作电压：5～24 V，工作电流：25～35 mA，输出信号：电压型DC 0～2 V，标定后精度可达1%。将采集的信息数字化，并转换成4～20 mA的标准输出，通过无线传感器网络的采集节点采集并传输至田间控制器。

2.1.2 设备运行参数

设备运行参数包括电压、电流、压力、流量、水位、电磁阀开关状态等，通过这些参数可以了解设备的运行状态，便于控制、调整和监测设备。采用高精度、高灵敏的传感器以测量实际实时的变化。

2.1.3 环境参数

安装高精度、高灵敏的小型气象观测站以测量环境实际实时的变化(温度、湿度、光照、雨量、气压、风向、风速)，在温室大棚内安装光照、温湿度和二氧化碳浓度传感器。

2.2 数据传输技术

本系统的数据采集及控制分为两部分：一是对土壤墒情、环境参数、视频等农作物生长环境信息的采集和监测，二是对设备进行自动化控制，例如启、停恒压供水系统和电磁阀等，包括对远端设备进行日常设置的工作。在本系统中，大部分数据的采集和传输主要通过无线方式实现，对于一个泵站控制范围内分散在田间的各个田间控制器，由于传输距离短、信息量小，采用自建无线网络(Zigbee协议)的方式。Zigbee网络基于IEEE802.15.4系列标准，工作在2.4 GHz频段，具有低功耗、低成本和高可靠性等特点，这种方式建网后无使用费用，节约了使用成本，而对于泵站和监控中心间的数据传输由于距离远、数据传输量大、视频所需带宽大，采用目前速度最快的4 G网络进行传输[8-10]。具体传输过程为：各传感器采集的数据经Zigbee无线网传输至田间控制器，田间控制器再经Zigbee无线网传输至泵站控制器，泵站控制器经4 G网络传输至监控中心，决策系统进行分析后，形成灌溉控制指令，再通过无线网络，反馈到现场执行系统，通过太阳能供电系统提供的电力，来驱动低功耗电磁阀的开启或者关闭，借助已建成的恒压灌溉供水系统和水肥一体化设备，实现远程智能化灌溉。数据传输具体参数指标为：田间智能控制器控制响应时间≤1 s；无线网数据传输距离>1 000 m，传输误码率δ≤0.01%。

2.3 灌溉控制决策技术

灌溉控制决策系统是基于作物需水量与需水规律，以信息技术为手段，把计算机技术、自动控制技术、信息技术、智能控制技术综合运用来提高灌溉管理水平，为管理人员提供决策依据和参照。

系统根据对不同节水灌溉条件、气候条件下主要作物的需水指标和需水量建立估算模型，同时以农业模型库、方法库为支撑，对所收集和存储的数据进行分析，处理成具有实际意义的物理量并逐步把处理结果储存到相关数据库中，形成符合本地实际的决策模型[7]。系统运行时将采集的农业现场环境信息由决策支持系统计算、分析后，给出作物的精确灌溉时间和最佳灌水量，灌溉工作则由信息化监控系统根据决策支持系统的指令自动完成灌溉、施肥等工作。

2.4 视频监控及数据流量控制技术

视频数据量很大，通过无线网络传输时一方面需要很大的带宽，从而硬件设备的投入会增大，另一方面在使用过程中数据流量费用也很高，所以必须对视频数据进行处理，既能满足使用要求，又能合理节省投入和使用成本。本系统先把视频信号存储在硬盘录像机中，再编制处理软件，可以通过软件设定视频传输的时间段、分辨率和帧数，从而大大减少了传输流量，节省了费用。

2.5 监控中心展示技术

系统的所有功能、操作和成果需要利用展现部分通过图像形式展示出来。展现部分由图像显示工作站、监视器、视频服务器、大屏显示装置等组成。图像显示工作站将各站点(摄像头)传到管理中心的图像在监视器上显示，每个工作站最多可以安装4块显示解码卡，输出16路信号，为16台监视器输出信号。每个监视器可以分割成4幅图像，即每个工作站可以输出64个站点(摄像头)的信号。视频服务器运行应用程序，监视各站点视频设备运行状态、信息，发出指令控制各站点的运行等。监视器可同时显示多个站点的图像，大屏幕显示器与操作工作站显示器同步显示工作画面。

2.6 泵站安防技术

为了满足田间泵站无人值守的安全防范需要，设计了一套集视频监控和红外感应的远程安防报警系统，在每个泵站安装一套。管理人员正常出入时，通过随身遥控器设置或解除报警，在报警被启动后，当红外感应侦测到非法闯入时，启动视频监控系统并以报警方式显示在监控屏上，对应管理人员的手机终端上也会收到相应的报警信息，同时泵站内触发启动高分贝报警器，进行警告和威慑．吓阻闯入人员的进一步行动。该技术视频红外监控距离可达150 m，入侵检测误报率β≤0.1%。

3 系统软件设计

系统软件主要包括管理系统、节水灌溉监控系统、视频管理系统等部分，基于Windows Server 2012平台，有良好的兼容性、准确性和可靠性。系统是完全开放的系统，支持各种软件工业标准如：DDE、OLE 、ODBC 、TCT/IP、OPC 等，作为共享的基础，提供一组进行二次开发的工具和手段，以便生成完全满足要求的监控系统。

本系统采用C/S与B/S模式相结合的方式，使得监控系统能够提供数据在网络上的全面集成和共享，提高性能，降低成本。除了提供一组包括实时/ 历史趋势、报警、画面编辑、报表、关系数据库直接组态登录的基本功能以外，还有服务器冗余、WEB服务、历史数据分析、多种通信驱动程序等多种可选项。

上位机监控软件采用当前可靠、先进的技术，系统的配置和画面的组态具有方便性，通过策略和画面组态，在上位机上实现对现场控制系统的监测与控制，具有动态画面、事件触发、报警、趋势、报表输出、历史数据存储等功能。系统采用图形用户界面为操作人员和系统开发人员提供监控环境，在这个环境中可以实现数据采集、数据处理、状态监视、远程控制、报警、趋势、数据登录和生成报表等基本功能[11-13]。本系统建有具有域名的网站，终端用户可通过Internet网络访问，查看各项参数及发布的信息，授权用户可对系统设备进行操作。

针对移动终端开发了Android和iOS两种系统的APP，用户下载安装后经过授权即可实现查询和操作功能。图6～图10为软件的运行界面。

图6 系统软件界面Fig.6 System software interface

图7 泵站信息显示Fig.7 Information display of pumping station

图8 视频监控和运行数据显示Fig.8 Video monitoring and running data display

图9 手机APP软件界面Fig.9 Mobile APP software interface

图10 泵站监控软件界面Fig.10 Monitoring software interface of pumping station

4 系统应用

本系统在南京市江宁区汤山街道进行了实际应用。汤山街道属于丘陵地区，水资源较为紧缺，为了解决灌溉问题，依托水利部高效节水灌溉重点县项目，从2013年起推广以变频恒压供水系统为主体的高效节水灌溉工程，主要作物为水稻、茶叶、苗木、果树和蔬菜等，灌溉形式为管灌、喷灌和微灌，已建成46套灌溉系统，覆盖面积800 hm2，为农业增效、农民增收起到了很好的作用。但这些灌溉系统由街道水利站负责管理和维护，面临着人员短缺、成本高昂等问题，同时现有的灌溉系统还是人工控制和凭经验操作，不能充分发挥已建节水灌溉系统的效能，急需一套集中统一的自动监控及信息化管理系统。

针对汤山街道高效节水灌溉现状，在水利站建了一个占地160 m2的监控中心，监控中心内配置了服务器、操作计算机、显示大屏、视频监视器、管理系统软件等软硬件设备，在田间泵站安装了泵站控制器、田间控制器、各种传感器、摄像机、节水灌溉设备、无线网络及控制软件等设备。图11为监控中心。设备安装调试好后，交由水利站负责运行管理，目前只需要1个专职工作人员即可完成整个系统和泵站的管理维护任务。系统每天自动运行，对各泵站的运行状况、各参数自动记录并处理成报表，有故障立即提示发生的地点，能及时排除和维修，保证了整个灌溉系统的完好运行，取得了良好的效果。