基于物联网的水稻灌溉系统设计方法

陈 朋 ，申云香 ，马艳萍

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2.北京科百宏业科技有限公司，北京 100081）

传统水稻灌溉模式为人工漫灌，水肥利用率较低，存在精细化程度低、管理难度大等问题。同时，水稻种植区一般水资源较为丰沛，种植户的节水意识普遍不高。开展节水灌溉，从源头减少田间用水和排水，进而降低污染物流失量，构建节水减污型生态灌区，是控制农业面源污染的有效手段，也是现代农业的发展方向。

本文以安徽省庐江县巢湖西岸圩区水稻科研试验基地为例，利用物联网技术，开展以节水减污为目标的水稻智能灌溉系统建设试点，以期为同等条件下稻田节水灌溉与面源污染防治提供参考。

1 场地现状

1.1 基地概况

该科研试验基地距巢湖约15 km，处于国家级现代农业示范区内。试点区域地势平坦，总面积约18.67 hm2，原为农户种植，经土地流转，现由某农科院统一管理。场地已完成土地平整、田埂硬化及灌排渠系建设，整体划分为规整的50个田块，单块长约100 m，宽约30 m。

1.2 种植结构

区内种植结构大多为一稻一麦，兼有部分双季稻。试点区域以科研试验为主，种植结构为单季稻。

1.3 灌排方式

场地西侧为南北向灌排干渠，中部为东西向灌排支渠。由于外河水位较高，灌溉期开启外河引水口门，河水即自流进入干渠、支渠，田间再利用泵站或移动水泵提水灌溉；排涝时，田间排水自流进入支渠，再汇入干渠后由末端排涝泵站排入外河。

2 系统架构

2.1 设计思路

农田排水是污染物输送的载体，稻田节水减污的着力点就在于科学管控田间排水。设计依托物联网技术智能化、精准化的优势，在水稻灌溉期和排涝期分别制定控制策略。在灌溉期，针对水稻不同生长期对水分的需求，根据土壤水分监测数据确定最佳灌水时机和灌水量，通过精准灌溉实现节水，并确保不产生农田尾水；在排涝期，根据天气预警、田间余水量、水质等确定排水时机，通过提前排水增加田间蓄涝能力，避免或减少降雨期间氮、磷等污染物的流失，实现减污。

2.2 系统组成

1）信息采集系统。通过布设在田间的传感器采集气象数据、田间水位、土壤水分、水质等环境信息，为灌溉和排水决策提供基础数据。

2）信息传输系统。借助 ZigBee、GPRS、Wifi、蓝牙等无线或有线网络，将各个数据采集节点汇聚来的信息安全可靠地传输至数据云平台；同时，将中央控制器下达的各项指令发送至物联网终端节点。

3）数据云平台。负责收发、存储、管理各项数据和指令，并运用大数据、数字模型等对数据进行分析，为实施灌排决策提供建议。数据云平台由一系列软件、模块构成，可利用智能手机、PAD、电脑等终端同步使用。

4）中央控制系统。根据灌溉制度、监测数据等自动生成或手动输入控制指令，并发送至中央控制器，中央控制器将指令发送至各物联网终端节点，实现水泵、闸门等设施的控制。控制方式可选择本地手动控制、自动控制、远程控制等模式。

5）灌排设施系统。灌排设施系统包括构成灌排体系的各项设备和设施，主要由泵站、管网、渠道、闸门、阀门等组成，一般选用兼容性强、精度高、适合长期在农田及恶劣环境工作的设备。

3 系统设计

3.1 总体布局

项目区田块整齐，灌排有序，设计维持已有排灌布局及田块格局，并充分利用已建设施。设计新建灌溉泵站1座，布置在东西向灌排支渠上，自泵站引出灌溉管道2条，分别通至南、北两侧灌溉农渠。物联网监测系统及灌溉控制系统根据设备可服务距离分片布设。

3.2 灌溉设施与灌溉制度

新建灌溉泵站1座，泵房建筑面积20 m2，设置在灌排支渠上；泵房内设水泵1台，采用潜水泵，设计扬程22 m，流量162 m3/h，配套电机功率18.5 kW。水泵出水管采用DN150钢管，埋地敷设至阀门井，自阀门井引出管道采用DN160 PE管，总长490 m，埋地敷设至灌排农渠渠首（已建成矩形明渠）。

灌溉方式为轮灌，每次灌溉3个格田为一个轮灌组同时工作。

3.3 信息采集与传输系统

信息采集与传输系统由微型气象站、水位计、监测分机、物联网微基站等组成。设计新建微型气象站1处，监测指标包括空气温度、空气相对湿度、风速、风向等，可实现自动监测田间生长环境并测报未来10天作物生长环境，包括热害、冷害、强降雨、露点等。微型气象站通过线缆直接连接到物联网微基站，传感器采集到数据后有线传输至物联网微基站主机。

项目区共有50个田块，设计在每个田块布设1台超声波水位计，水位计通过线缆有线连接到邻近的物联网监测分机，整个区域共设置监测分机13台，由监测分机将数据实时传送到物联网微基站。

物联网微基站主机将所有监测数据通过GPRS/GSM公网发送到数据云平台。用户通过授权账号登陆云平台，实现数据接收、处理、下载、分析、实时查看等功能，并保证所有数据与终端设备同步。

3.4 智能控制系统

智能控制系统由中央控制器、无线控制节点、测控一体闸门等组成。在每个田块安装1个测控一体闸门进行供水，并配备1个无线控制节点。

在智能模式下，数据云平台通过对田块水位监测数据的实时分析，根据设定的参数，自动生成控制指令，并利用GPRS网络将指令信号发送至中央控制器，中央控制器通过物联网专用频段将指令无线发送到各个终端控制节点，实现水泵、闸门的智能启闭。

在人工模式下，用户利用手机、电脑等终端发出控制指令，云平台接收指令后传送至物联网微基站主机，由中央控制器发送指令至各个无线控制节点，实现水泵、闸门启闭控制。

3.5 云平台服务系统

云平台服务系统是物联网的枢纽，是用户与田间设施的连通桥梁。该系统大多由物联网企业提供，一般包含物联网监测、控制、视频、网络预警、数据分析、系统管理、电子地图等多个模块，用户可根据需要自行设置。

4 结语

物联网节水灌溉系统通过精准化、智能化控制，大大提高了灌溉效率，避免了传统大水漫灌方式导致的水肥浪费。既降低了灌溉水量和次数，又削减了污染物排放量，还能节省人力及维护费用，具有高效、智能、节水、省工、增产、减污的特点，在推进农业现代化的进程中具有广阔的应用前景。