信息技术在果园节水灌溉中的应用

邹跃 邱凤翔 柏大团

摘要：节水灌溉系统主要由水源地水位、水质监测，取水控制、供水控制、供水计量，土壤墒情监测、气象监测，视频监控等组成。通过自动化控制，以实现自动取水、供水、水质监测、土壤水分控制，对水资源实施精确计量，为节水灌溉提供依据。在此基础上，通过视频监控、无线传导、集中管理，加强控制，按时按需供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的。通过对取、供水，水质监测、土壤墒情采集，大数据处理，平台综合应用等一系列操作，实现了节水灌溉技术的自动化控制。

关键词：信息化;自动控制;节水灌溉;大数据处理

我国水资源短缺，水资源人均占有量仅为世界人均水量的1/4，加上南北时空分布很不均匀，造成我国水旱灾害频繁。由于我国是农业大国，农业生产严重依赖水资源，农业用水量约为总用水量的80%;几千年的农业生产习惯，造成农业用水普遍存在效率低下、用水浪费等问题。目前全国灌溉水利用率约为43%，约为发达国家灌溉水利用率（70%～80%）水平的一半。因此，尽快改进灌溉措施，提高水资源的利用率，是目前急需解决的问题。

通过改造，用现代节水灌溉技术替代传统灌溉，在灌溉系统合理地推广自动化控制，实现适时适量的“精细灌溉”， 不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本，对于现代农业有着重要的现实意义和深远的历史意义。以黑林镇富林村猕猴桃特色水果种植产业园{连云港市水利局关于赣榆区黑林镇富林村整村推进二期工程初步设计的批复（连水移民[2018]152号）}为例，探讨自动化控制等信息技术在生态农业中的应用。

1    园区概况

连云港市赣榆区黑林镇地处两省（江苏、山东）三县（赣榆、莒南、临沭）交界处，位于赣榆区饮用水源——小塔山水库的上游，属丘陵山区，地面起伏较大，有青口河、旦头河、汪子头河三条河流，全镇80%以上的地表积水直接流入或通过以上三条河流注入塔山水库，是全区饮用水源重点保护地区。黑林镇属暖温带半湿润海洋季风气候，光热和水资源十分丰富，日照充足，四季分明。

近年来，为响应国家可持续的生态发展战略，赣榆区政府结合当地丘陵山区的实际情况，在黑林镇全境和厉庄镇北部地区，规划建设特色水果产业园。特色水果产业园涉及总面积1.14×104   hm2，其中核心区4.7×103  hm2。先后建设以大吴山、二龙山片区为核心的特色水果主题产业园、以谢湖片区为核心的大樱桃产业园、以河西片区为核心的猕猴桃产业园、以吴山北片区为核心的蓝莓产业园等4个水果产业园。

以吴山北片区为核心的环大吴山现代农业示范区规划面积约1 333 hm2，主要包括万亩猕猴桃、33.3 hm2蓝莓、33.3 hm2中药材、666.7 hm2杂果四大基地。本项目以区域内的15 hm2蓝莓种植园为基础，结合植物生长需水模型与土壤含水、大气环境的实时监测，实现“智慧灌溉、精准灌溉”，完成后将提高灌溉效率，提高种植物产量及品质，为有效解决大面积监控的难点和自动化控制管理灌溉难等问题起到示范作用。

黑林镇富林村猕猴桃种植基地灌溉面积共80 hm2，种植作物为猕猴桃，灌溉形式为小管出流灌溉。项目区共分为3个片区，片区1灌溉面积36 hm2，灌溉水源为西陡岭水库，利用拟新建的西陡岭水库1号泵站进行提水灌溉;片区2灌溉面积24 hm2，灌溉水源为马旦头水库，利用现有的马旦头水库3号泵站进行提水灌溉;片区3灌溉面积20 hm2，灌溉水源为陈旦头水库，利用拟新建的陈旦头水库泵站进行提水灌溉。

规划将片区3定位猕猴桃种植基地，通过传感、通信、网络、控制及计算机硬件和软件、水管理科学和决策支持、农业水利工程等技术的综合利用，建设集节水优先、智能化监测、自动化控制、可视化展示等特点为一体的智能化节水灌溉系统。

2    规划设计与布局

黑林镇富林村猕猴桃种植基地位于黑林镇富林村，建设面积共计约20 hm2。项目区内的工程布置根据本身特色，按水系特征、地形地貌、外部环境、区内现有基础设施等情况进行综合布置。

本项目包括水源地水位、水质监测，取水控制、供水控制、供水计量，土壤墒情监测、气象监测、视频监控，以及监控中心等。

2.1   项目规划设计定位

（1）智能化灌溉示范区。智能化灌溉示范区的实践实质上是探索自动化控制系统在现代农业、特别是高效节水灌溉方面的实际应用。这一技术的应用，实现实时水压调节，远程监控并控制阀门、电机启停，满足用户对灌溉过程中监控、灌溉质量分析和灌溉工艺改进的需求，从而达到灌溉、分析等过程的自动化运作，实现社会效益和经济效益的双丰收，优越性十分显著。项目结合地区农业从业人口大量减少，人力资源费用增加的现状，拟采用智能化控制灌溉技术，探索适宜于长三角地区劳动力现状的节水省工灌溉模式，将项目区建设成为大面积推广智能化灌溉的示范样本。

（2）高效节水灌溉示范区。选择布置水表测算流量，同时项目区布设气象、土壤墒情监测点，监测水分利用效率，提高项目实施的节水效率。

（3）高新農业示范区。开展节水节肥新技术、灌溉水质监测技术等新装备的引进、试验、示范和推广，展示现代农业高科技研究成果，通过技术示范、辐射，带动现代农业的发展，把示范区建设成为一流的高科技节水农业创新展示区。

2.2   项目规划布局需求

为满足项目需求，合理解决劳动力分配不均、效率低下等问题。必须着眼于以“无人值班、少人值守以及远端实时监测控制”为目的，本着设备安全、可靠、经济、实用、功能完善、技术先进的原则，设计一套完整的水利自动化控制系统解决方案，从而增加水利的科技含量、降低水利的资源消耗、最大程度的提高水利的经济效益。同时，对水资源统一配置、统一调度、统一管理，确保整套系统在正常和异常情况下安全、稳定、高效运行的调度计划和自动运行。

人工操作采集不同深度土壤墒情、经纬度位置和土壤深度等信息，可通过GSM方式（或Rs232，USB口将数据导入计算机）发到地市水情分中心（也可由监测站点直接传送到省水情中心），实时入库存储，并由水情分中心通过防汛计算机网络（NFCnet）上报到省水情中心。

移动土壤墒情监测站采集信息主要有站点ID、测量时间、土壤含水量、经纬度、土壤类型和测量深度;同时，根据抗旱监测需要，也可进行作物生长状况、干旱程度等农情信息的采集。

3.5   气象监测系统

本项目建设五要素气象监测站1处，实现空气温度、相对湿度、大气压力、风向、风速等要素的定时自动采集、计算、处理、存储和通讯，[4]为本地区猕猴桃供水模型提供必要气象参数。自动气象站由传感器、数据采集器、通信模块、防雷保护装置、系统电源、密封机箱和支撑杆等附属件组成。

自然环境气象状况的变化，引起各气象要素传感器变化，使得相应的传感器输出的电信号发生变化。温度、湿度、气压、风向、风速和雨量诸要素的传感器所感应的不同的物理量经过相应的电路， 转换成标准的电压模拟量和数字量，然后由数据采集器 CPU 按时序采集、计算、存储，得出各个气象要素的实时值， 整点数据存盘 。同时以统一规格的数据形式进行显示、存储、打印。这就是地面气象综合有线遥测仪的简单工作原理和工作过程（如图1）。

3.6   视频监控系统

视频监控系统作为灌区信息化系统的辅助系统，具有非常重要的意义。它能将被监控现场的实时图像和数据等信息准确、清晰、快速地传送到控制室，控制室通过视频监控系统，能够实时、直接地了解和掌握各个被监控现场的当前实际情况，监控中心值班人员能够直接根据被监控现场发生的情况做出相应的反应和处理，更加实时有效地管理闸站。现场图像通过视频信号线接入视频服务器，变为数字信号上网，提供远程查询服务。为保证取供水的安全、全面，项目区分别于有取水供水控制的地方、关键管理点、重要水利工程等处设置视频监视点10处。

监控系统由前端子系统、传输子系统、控制子系统、显示子系统四个子系统组成，系统结构见图2。

3.7   网络通讯系统

目前，远程监控系统中采用的数据通信可分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、X.25、DDN、ADSL等，而无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM 短信/GPRS 通信等。

本项目考虑到项目综合投资和现场条件，采用无线通信方式。

电动阀与电磁流量计实时监测信息及控制信号，通过就近接入无线网桥，传输至中心站数据中心。

取水泵站自动化系统建议采用无线网桥进行通信。

气象与墒情信息监测系统通过GPRS方式进行信息的实时传输。

关键点视频监控系统通过无线网桥进行传输，也可与就近的RTU进行合并后一起传输。在中心站完成数据的集中存储与管理，硬盘录像机再将接收的视频监控数据包解压，还原成动态视频图像送至监视器和电视墙上，主控中心便可监视到前端视频监控的图像。

3.8   监控中心

监控中心是本项目的核心部分，所有监测数据汇总指向的中心，数据交互共享的枢纽，充分利用示范区中心站将本系统中心站功能进行集成。

本系统中心站建设主要为三大部分，第一是硬件运行环境的搭建，保障系统的正常运转;第二部分为数据层的搭建和数据共享服务的建设，确保数据能够迅捷的传输至其他部门;第三部分为管理系统的搭建，主要是软件平台部分的建设，方便本部门的应急处置管理。

中心站主要实现网络互联，为灌溉信息化系统、农业信息化系统、农机信息化系统提供管理平台。中心硬件设备配置主要是接收设备，包括：短信模块（SMS模块）、采集工作站、数据库服务器、打印机、固定IP（CDMA使用）不间断电源及其避雷器、显示屏等。

由于现有传感器普遍的技术问题，经常会有干扰信号，模块功能在应用層将通过软件的方式设置一定的边界条件，用以剔除一些因干扰产生的错误数据，同时对一些异常数据则进行实时监测，通过人机交互手段第一时间告知用户，方便用户进行人为判断和修正。

当出现水位超警戒时（如通讯事件、故障事件、水质超标或水量超限事件等）进行信息提示，提示内容包括通信站点编号、超标数值，超标时间等信息。报警分超标报警、故障报警和趋势报警三类。

信息管理系统的建设也包含两个部分，一个处于数据层，第二部分为应用层的开发。系统中心站依托示范区中心站进行配套。

计算机以分布式局域网方式配置，系统采用客户机/服务器结构。服务器、工作站均选用国际知名品牌机型。中心站申请固定IP通过以太网口连接到数据采集工作站上采集数据。网络互联采用工业标准TCP/IP协议，运行Windows操作系统。中心站采集及发布软件是在Windows下开发的一个开放式实时应用系统，实现全部的数据处理工作。

（1）高度自动化。自动采集机房环境参数和运行状况，在统一的平台下展现给用户，通过声光结合手机短信、电话语音警等多种手段，实现故障的自动预警、警告和必要的故障处理;同时对采集到的数据能够进行分析和整理，并以图表等方式提供给用户，为机房管理决策提供可靠依据。

（2）高可靠性。系统设备必须有良好的电磁兼容性和电气隔离性能;能在恶劣的机房环境下（包括机房出现故障的情况下）365 d[×]24 h连续工作，平均无故障时间大于1.5×105 h;必须有足够的灵敏度和抗干扰能力，做到不漏报不误报;系统的局部故障不影响整个监控系统的正常工作。

（3）高扩展性和技术先进性。系统必须考虑到现有的监测点及今后可能需要不断扩充的需求，具有较大的容量、较低的扩展成本且不受监测点的限制;系统除与本厂家的现场监控单元连接外，还应提供开放性接口，供不同厂家设备连接;系统应预留多种对外接口，能向上级集中监控平台提供监控软件的所有监控数据及报警信息，其中数据接口包括数据库接口、TCP/IP接口及SNMP协议接口等。

（4）高兼容性。监控系统必须符合国际工业监控与开放式的设计标准，必须保证能与所有的机房环境设备相兼容;软件硬件均应采用模块化结构。能同时向上和向下兼容。

（5）实时性。监控系统所有设备的通讯间隔控制在3 s之内，敏感设备数据刷新能力在1 s以内，每个监控单元均可实时处理和存储监控数据。

（6）充分利用现有设备资源。监控系统必须能够充分利用现有机房监控设备的资源，保护现有监控设备的投资。

（7）易维护性和易操作性。监控系统应具有良好的免维护性，系统运行不应需要人工干预，提供给用户的界面要简单友好。

（8）安全性。多用户、密码控制，能为不同的用户设置不同的管理和查看权限。

中心站是将信息化建设内容所采集到的相关数据进行整合并加以分析的数据中心;信息中心的数控中心是整个示范区信息化建设的核心部分。它将各个信息监测点所采集到的水情信息、气象信息、视频信息、土壤信息进行汇总，便于管理站对整个示范区进行统一管理。数控中心建设既是信息化建设的核心部分同时也是信息化建设的基础部分。

数据资源是任何实际运行的大系统的核心和基础，因而数据的安全是整个系统安全的核心和重点。概括来讲，涉及综合数据库的信息安全技术应该包括五方面的含义，即保密性、完整性、可用性、真实性和有效性。确保数据库系统安全性的具体设计内容主要包括。

（1）数据库镜像。镜像技术是保证计算机系统安全、可靠的有效方式。数据库服务器的镜像技术是指为存放数据的Chunk（数据库服务器中最小的存储分配单元）建立一个与之配对的Chunk，分别成为主Chunk和镜像Chunk，使得每一个对主Chunk的写操作都同时对镜像Chunk做同样的写操作。这样在主Chunk出现故障时，系统可以从镜像Chunk读取数据，直到主Chunk被恢复为止，而不需要中断用户的访问。镜像技术是以增加开销为代价的，数据库系统在对主Chunk进行操作的同时，必须对镜像Chunk进行同样的操作，系统采用双机热备的方式实现。

（2）数据备份与恢复。容灾设计是一种保证任何对存储设施的破坏都不至于导致数据完全不可恢复的预防措施，容災设计完全是针对偶然事故的预防计划，常采用备份制度。对数据库进行备份时，应采取定期备份和实时备份相结合的手段。①定期备份。对数据库服务器应该进行定期停机维护，此时可以对整个数据库进行一次静态备份。其目的是当数据库遭到破坏时，可以缩短恢复所需时间。②实时备份。数据库应支持实时备份进程，将数据库所发生的所有操作备份到文档中，这些归档文件也可以转储到磁带上。精心进行实时备份的目的是保证数据库遭到破坏时可以恢复到破坏的前一刻。

4    自动控制效果验证

选取一定阶段对猕猴桃园自动控制效果进行验证，通过自动管理系统对土壤水分进行监测，测得的数据如表2所示。

根据猕猴桃生长习性与生长环境，土壤水分低于70%，猕猴桃生长萎靡不振，枝叶出现卷缩现象;土壤水分高于90%，植株出现涝黄现象。水分在70%～90%之间，植株生长旺盛，枝叶强壮。因此，上下限分别设为90%与70%。从表2中可以看到，在9：00--17：00之间，系统采集到的土壤水分数据，土壤水分在70%到90%之间，最大和最小值均没有超出预设范围。这表明，该系统能够自动地对土壤水分进行智能调节，且测得的数据准确可靠。

5    结语

本系统通过自动化控制，基本实现了节水灌溉，取得相对准确可信的成果。后续可以将此管理系统在整个园区内展开，一方面通过自动化控制，以实现自动取水、供水、水质监测、土壤水分控制，对水资源实施精确计量，为节水灌溉提供依据，促进用水观念更新。另外，本系统可以根据不同的作物、不同的季节、不同的地域，制定不同的控制策略，集中管理、加强控制、按时按需供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的。尤其在干旱缺水地区可以大范围推广，实现科学种植。

参考文献：

[1] 王阳，陈军宁，柯导明，等.湿度传感器的分类及研究[C].全国第16届计算机科学与技术应用（CACIS）：2004.

[2] 彭高丰.温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究[J].计算机测量与控制，2012（10）：70-71.

[3] 陈勇，张景兰.日光温室自动喷灌系统的电路设计[J].内蒙古民族大学学报，2006（6）：84-85.

[4] 徐晓.基于AT89C51的土壤湿度数据采集与调节系统设计[J].科学技术与工程，2009（4）：220-222.