贵州山区现代水利信息化及自动化建设探索

周禄琴

贵州山区现代水利信息化及自动化建设探索

周禄琴

（贵州省水文水资源局， 贵州 贵阳 550002）

设计的水利自动化与信息化实施方案拟形成适合园区的集采集监测、灌溉的自动控制、远程视频监控、泵房水池（调节池）、二维码火龙果质量安全追溯（物流）系统、水肥一体化等多种要素为一体的综合系统，达到节水与节肥的双重目的，同时，减少由于过量施肥导致的农田面源污染问题，对环境进行有效的保护。

系统解决方案；节水节肥；现代水利

一、总体设计

方案设计以罗甸火龙果农业科技示范园区为建设平台，在与园区各相关规划紧密衔接的前提下，以园区产业规划为基础，以解决园区水资源短缺和水利设施配套不完善、自动化程度低等问题为抓手，以体现“高效农业+现代水利+管理体制创新”为目标，将园区建设成为在贵州省起到以点推面、示范带动作用的试点区。运行管护机制依托省水利厅的小型水利工程建管养用一体化方案，形成工程良好的运行管理机制，使其长期发挥效益。

设计继续秉承现代水利在农业科技示范园区发挥重要的引领作用，打造自动化和信息化等技术为核心的现代水利，以水利的现代化推动农业示范园区的现代化，提升示范园区的科技含量，加速贵州省现代农业产业发展步伐。拟以罗甸火龙果示范园区为应用示范平台，成功应用后向全省乃至全国类似的农业示范园区推广。此举意义重大，示范作用突出，经济和社会效益显著。

二、建设内容与目标

1.建设内容

（1）试点区主要干管、分干管集成自动测流、测压及自动输配水功能于一体。试点区干管、分干管等重要管网分水处均自动测流、监测压力。实现优化管网系统使用及运行性能，科学指导农业灌溉，系统供电采用太阳能及园区市电结合，达到节水节肥、环境污染小等目的。（2）便捷的控制和管理方式。控制分现场点控、展示厅（管理房）群控、远程网络片控三级进行，用户可自由选择任何一种控制方式，还可采用手机短信的方式实现控制。管理模式也采用三级模式：精品打造区归园区日常管理及展示；试点区归园区管委会管理；精品打造区、核心试点区及重要管网系统自动化归用水户协会管理。权限由低到高，水利主管部门具有最高权限。（3）以土壤墒情为重要的灌溉指标，自动灌溉，节能节水。同时兼具测流、自动测压及超限报警功能。能按预设需水量的限值要求定时、定量、按计划进行灌溉。并能根据作物不同生长阶段的需水量要求，实现无人值守的智能灌溉，节水30%以上。（4）实现水肥一体化：能实时监测土壤肥料、养分情况，并根据预设的作物施肥配方指导作物施肥，实现水肥一体化。（5）水泵水池自适应控制：系统综合完成水位自动检测、临界水位报警、水泵自动启停、水泵转速（自动调节进、出水量），实现水泵根据水池水位变化自动启停、根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理。（6）数据信息与视频信息实时显示。（7）二维码火龙果质量追溯系统。（8）自动化展示厅集中控制和管理。（9）气象站实现旱情预报预警。

2.建设目标

水利自动化与信息化建设由水利墒情监测及水肥一体化灌溉控制系统、智能视频监控系统、泵房水池自适应控制系统、远程网络气象监测系统、二维码火龙果质量安全追溯系统等几部分组成，集远程数据采集、远程视频传输、远程监测控制、压力调节、流量调节为一体的综合控制系统。

探寻试点区光照条件下的太阳能供电系统的长期稳定运行问题，系统低功耗、裁剪性良好，可根据灌溉规模、成本、及作物种类满足不同农户的个性化需求，无需布线且长期运行成本低，具有广阔的应用前景。

系统集传感器技术、GPRS无线通信技术、TCP/IP网络通信技术、计算机技术、嵌入式技术、多线程序设计于一体，形成多通道灌溉信息采集和灌溉预报与决策功能，具有大大优于普通人工控制灌溉以及传统的其它灌溉方式。同时该系统具有大惯性、非线性与时滞特点，采用双闭环控制结构，控制难度大。

系统完成后，除服务于示范园区日常的管理运行外，还可用于开展定期及长时水利科学实验，如作物灌溉试验、灌溉水利用系数的自动测算等。

3.系统框架设计

（1）自动化展示厅（管理房）与现场分站通过GPRS实现无线数据传输及控制；（2）试点区分站安装与现场一级支管处（编号为：1-15），共设置15个闸阀井分站，根据喷灌和滴灌要求的不同，分别安装大电磁阀，共需45大电磁阀，每个闸阀井分站共控制约75亩，实行分片控制，分级管理，科学合理；（3）采集一级支管处流量、压力、土壤温度、土壤湿度、土壤养分，并执行自动灌溉；（4）泵房自适应分站与高位水池（调节池）分站协同实现水泵自动启停、自动调节管网压力；（5）远程网络气象分站采集雨量、风速风向、空气温湿度、辐射、气压、蒸发，并全部无线传输至展示厅，实时显示及存储；（6）远程网络视频分站共设置3路，2路安装在园区进出口、1路安装在泵房，实时监控作物长势情况、水泵运行情况及辅助园区日常管理工作；（7）二维码火龙果质量安全追溯系统，设置5套。

三、灌溉远程控制系统

墒情监测与自动控制系统，包括土壤墒情监测、灌溉自动控制等内容，现场闸阀井控制单元是自动化灌溉控制系统的核心部分，可根据现场进行模块的配置及扩展。该系统拟采用贵州省水利科学研究院自主研制产品，具有自主知识产权和计算机软件著作权。管理信息系统开发时，应采用统一的数据接口和数据库结构，符合《土壤墒情监测规范》（SL364-2006）监测规范要求，并提供源代码，方便业主后期的维护和软件功能的扩展，软件的安装调试应充分考虑二次开发的要求，突破不同企业间的技术门槛，建议采用通用编程软件开发。

1.灌溉控制系统设计

（1）灌溉系统说明

①现场控制级以闸阀井为核心，安装在支管分水处。共设置45个闸阀井分站，1个主站设置在自动化展示厅，用于中心控制。②采用监控管理级（主站PC+ internet+网关）、灌溉区现场控制级（分站+扩展模块）多级的分布式控制（DCS）方案。③监控管理级设在自动化展示厅内，灌溉区现场控制级分布在灌溉区，水泵房控制级设在水泵房内。④分别控制灌溉区现场45个不同尺寸的大电磁阀独立工作，实现按照不同灌溉方式的自动灌溉。⑤现代农业同时二维码火龙果质量安全追溯系统，依托火龙果质量监测部门，实现火龙果质量安全的实时、动态和追溯系统，打造区域火龙果品牌，维护市场健康发展，保障公民的健康。⑥灌溉区域所有电源均采用24V安全电压，并具有良好的接地保护。

（2）系统软件的设计

①系统数据库设计

灌溉对象信息表，包含的数据项有作物名称（char）、湿度下限（float）、湿度上限（float）、环境温度（float）等；灌溉区域信息表，包含的数据项有浇灌区域 ID（int）、浇灌面积（float）、作物名称（char）、浇灌方式（char）；灌溉计划信息表，包含的数据项有灌溉区域 ID（int）、浇灌时间（datetime）、灌水量（float）等；灌溉状态信息表，包含的数据项有灌溉区域ID（int）、设备通信状态（bool）、温度采集状态（bool）、湿度采集状态（bool）、温度值（float）、湿度值（float）；灌溉历史信息表，包括的数据项有灌溉区域ID（int）、灌溉时间（datetime）、灌溉水量（float）、灌前湿度（float）、灌后湿度（float）等。

图1 数据库框架图

②管理（上位机)软件设计

系统的应用程序开发语言为C#，开发环境为VS2008集成开发环境，分别建立以下线程：当前状态的线程private System.Threading.Thread CurrentStateThread;自动灌溉线程private System.Threading.Thread PureThread；自动灌溉后台运行线程PureThread.IsBackground=true;定义自动灌溉线程的优先级PureThread. Priority=System.Threading.ThreadPriority.Lowest；定义自动灌溉线程有效性PureFunValid;定义自动灌溉线程挂起 System.Threading.Thread.Sleep(100)；通过线程之间的相互通信、任务轮换，并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率[4]。

③系统采集软件设计

现场级接通电源后，系统进入启动初始化，开始扫描单片机的各个中断，完成中断请求后，进入顺序扫描各任务，处理完任务后，进入发送/接收数据，当从上位机接收的数据，并进行校验，当校验正确后，发送/接收应答帧，并执行相关命令。当下位机超过半小时未接收到从上位机发送的命令时，转入下位机自动控制。并将存储的湿度下限值与当前土壤湿度比较，当超过限制时，打开电磁阀，完成灌溉动作。

系统共分为1个主任务和6个子任务。主任务主要完成与上位机之间的通信，通过不断的校验，接收上位机的指令，完成相关任务。子任务主要完成土壤含水率的采集与存储、作物需水量限值设定、温湿度数据的传输、开关电磁阀、灌溉计划时间设置以及看门狗等，通过任务间的轮换综合完成下位机的总体功能。

（3）模糊控制算法

①模糊控制策略

本文的控制策略为模糊控制，它模拟人脑决策过程，通过引入模糊决策模块FLC，实现智能控制。它适用于大惯性、非线性与时滞系统以及准确数学模型无法描述的控制系统。传统的PID控制方法，对灌溉过程不适用。有学者研究，将模糊数学用于灌溉过程非常合适，效果较为明显。

由于作物全生育期包含多环境变量，无法准确全面地进行考虑，而土壤含水率作为作物生长的重要环境变量，也是节水灌溉控制系统中常用的控制参数。故本文的控制系统中将土壤含水率的差值和差值变化率分别作为二维模糊控制器的输入，传感器采集土壤含水率并处理后，由有经验的操作者或者专家的经验定出模糊控制规则，并进行模糊推理，最后得出模糊隶属函数，得到合适的灌溉时间作为输出量，完成灌溉系统模糊控制。

②SIMULINK仿真

利用SIMULINK进行系统仿真的步骤是：启动SIMULINK，打开SIMULINK模块库和模型窗口；在SIMULINK模型窗口下，创建系统框图模型并调整模块参数；设置仿真参数，进行仿真；输出仿真结果。

图2 系统任务图

图3 模糊控制器的SIMULINK仿真结构图

设定测试土壤含水率为35%，初始土壤含水率为30%。图中折线为土壤含水率对灌溉量的响应曲线，斜线代表当前土壤含水率。由此得湿度阶跃信号响应仿真图，如图8所示。由仿真图可以看出，响应曲线的超调量不大，稳态响应迅速，瞬态响应所需时间短，约为30S。最后得到土壤含水率与设定的测试土壤含水率之间的误差在6%左右，误差较小，可以满足现代农业实际应用的要求。

（4）无线通信的设计与实现

在比较目前无线通信领域通信协议的基础上，本设计设定的通信格式如表所示，通信校验方式采用CRC和校验。通信格式中起始字节为帧开始字节，用于辨别是否为同组通信，帧长度字节为通信帧长度总和，校验位1为第一次和校验字节，设备号字节为各下位机的地址字节，命令字字节为相关命令，具体细节见表2。长度2字节为填补多余的长度字节，校验和字节为第二次和校验字节，确保正确通信。

表1 通信格式

表2 命令对照表

设计中，串口速率(Series Rate)为9600bps，串口校验(Series Parity)为Disable,收发频率（RF Frequency）为 434MHZ，空中速率（Series Rate）为9600bps，输出功率（RF Power）为 20mw，NETID为12345，NODE ID为 123456789012，PC Series为COM3。模块与终端设备连接，EN为电源使能端，RXD、TXD为URAT的输入口，TTL电平。SET参数设置，低电平有效。

四、二维码火龙果质量安全追溯系统（火龙果“电子身份证”）

该系统充分利用现代信息技术与物联网手段，结合火龙果的产销特点，由生产经营者从产品播种开始，对播种信息、施肥信息、打药信息、灌溉信息、采收信息、农残检测信息、销售信息等生产过程信息进行全程记录。

从而构建统一的追溯平台，实现对企业的安全生产管理和对消费者提供追溯。本系统平台由三大子系统构成：

1.生产基地综合管理系统平台：（集成，实时视频监控，检测管理，投入品管理，销售管理；2.政府监管总控平台（基地各项数据挖掘，包含中央视频监控）；3.多终端火龙果追溯查询平台（兼容多终端设备）。

本系统运用现代农业园区具有以下几大特色：

（1）本系统是国内少数考虑农业信息化“顶层设计”原则的产品。从而保证无论是涉农政府、生产基地、合作组织等每个使用者的事务处理都遵循开放性、兼容性以及可拓展性等特性。（2）使政府部门以后便于与其它“孤岛系统”很容易地兼容进来，便于政务处理的互通互换，协作处理。使基层数据沉淀难以沉淀，便于大数据的形成，为政府决策提供可靠保障。（3）使农业经营组织（家庭农场、生产基地、合作组织）通过生产基地管理系统提高生产效率，提升火龙果的附加值。可拓展性的借口设计，让商超零售终端很容易接入终端系统。（4）目前，国内涉农信息化方案提供商，具有多年的农业行业实施经验。经过产品多年的运行和根据不同层次客户的要求和涉农政府的建议，系统更加完善和高效，解决了目前本系统运行费用较高的尴尬情形，c/s和B/S结构的系统混合架构模式，使系统运行更加稳定，易于升级也维护。

五、管理房中心管理系统

主站PC软件采用Visual studio 2008进行开发，能综合查看并动态显示各控制级（灌溉区现场控制级+水泵房控制级）的流量、压力、PH值、风速、土壤湿度、空气湿度、温度、辐射、高位水池（调节池）液位实时数据。灌溉阀门开度根据灌溉量（湿度差）、时间自动计算和开度调节及压力调节、报警等功能。

监控管理级能对各控制级进行远程控制，能设置报警和控制参数。各控制级上传的数据将存入数据库，数据库具有查询、修改、增删等功能。能（点控现、群控）现场级的电磁阀和调节阀，能按预设的要求定时定量地进行灌溉。并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图；并能完成水位自动检测、临界水位报警、水泵启停、水泵转速（调节进、出水量），实现水泵根据水池水位变化自动启停、根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理。

主站PC数据库采用SQL SEVER 2005，并具有单位标识、标志。除主站PC（DELL PC22英寸）机显示监控组态画面外，并采用4个55寸屏幕，拼接至2X2同步显示监控组态画面，便于观测，达到界面友好、人性化的特点，同时监控管理级设有主站PC用于数据的监测。

六、小结

1.能按预设的要求定时、定量地进行灌溉，并能显示现场的实时数据和查看历史数据和趋势，设置报警和控制的上下限值和趋势图。2.能实时监测土壤肥料、养分情况，并根据预设的作物施肥配方指导作物施肥，实现水肥一体化。3.远程视频监控能反映出作物的生长阶段、状况及园区关键区域、设备的运行情况，辅助园区的中心管理工作。4.根据需水量的要求自动调节进出水量，进而达到水泵房的无人化及自动化的管理。5.灌溉控制算法采用模糊控制算法，系统集成多种类型数据库，科学指导农业生产，达到节水节肥、环境污染小等目的。

图4 系统自动控制界面

[1]王印松,岑炜,李涛永,刘鸿达.基于 Matlab/Simulink电力系统仿真工具箱的拓展[J].电力系统保护与控制，2009(10):85-88.

[2]刘叶飞,陈志刚.节水自动灌溉模糊控制系统设计[J].排灌机械，1999(3):51-53.

[3]苏林,袁寿其,张兵等.基于ARM 7的智能灌溉模糊控制系统[J].中国农村水利水电,2007(12):28-31.

[4]曾光奇,胡均安,王东等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[5]胡新华,戴素江,王志明.城市绿地节水灌溉模糊控制系统的研究[J].农机化研究,2008(5):93-94.

[6]李永华,徐枋同,徐华中.模糊控制中的非线性问题[J].信息与控制,1992(5):317-319.

Exp loration of Guizhou Mountain Modern Water Information and Automation Technology

ZhOU Lu-qin
（Hydrology and Water Resources Bureau of Guizhou Province,Guiyang550002，China）

Luodian dragon agricultural technology demonstration park Water Conservancy automation and implementation of information technology solutions for the park to be formed set of practical,strong acquisition and monitoring,automatic irrigation control,remote video monitoring,pump tanks(regulation pool),two-dimensional code Pitaya various elements of quality and safety traceability(logistics)systems,water and fertilizer,such as one integrated system technology solutions to achieve the dual purpose of saving water and fertilizer at the same time,reduce theagricultural non-point source pollution problems caused by excessive fertilization,theenvironment effective protection.On behalf of the province aswell as the development direction of modern water technology in modern agriculture.

System Solutions;Saving Water and Fertilizer;Modern Water

1009—0673（2015）02—0104—06

F426.91

A

2015—03—17

周禄琴（1975— ），女，贵州开阳人，贵州省水文水资源局助理工程师，研究方向：水生态监测。

责任编辑：李珏