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        水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

        2016-12-31 00:00:00邱照寧晏清洪王建忠鄒明忠張新潮
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年25期

        摘 要:文章介紹了水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩大部分,硬件設(shè)備包括遠(yuǎn)程遙控抽排水泵、渠道量控一體化遙控閘門、田間智能灌排閘門以及田間水層遙測(cè)雷達(dá)等設(shè)備;軟件系統(tǒng)采用JAVA開發(fā),包括4個(gè)子系統(tǒng)和五個(gè)功能化模塊。本系統(tǒng)主要是為水稻田的灌排、量控提供服務(wù),一方面可有效支持水稻種植實(shí)行科學(xué)“淺、濕、曬”節(jié)水灌溉;另一方面可實(shí)現(xiàn)計(jì)量供水、總量控制、定額管理以及遙測(cè)、遙控、遙視的自動(dòng)化、信息化管理。

        關(guān)鍵詞:水稻田;節(jié)水灌溉;遠(yuǎn)程控制

        我國(guó)水稻的播種面積僅次于印度,約占世界水稻總面積的1/6,占國(guó)內(nèi)糧食種植面積的26.9%。我國(guó)耕地面積控制在18億畝,水稻種植面積近4.5億畝,農(nóng)業(yè)用水占全社會(huì)用水總量的70%以上[1]。但是,水稻灌溉用水占整個(gè)農(nóng)業(yè)用水量的90%以上,個(gè)別地區(qū)(黑龍江?。┻_(dá)到96%,所以,節(jié)約控制水稻田灌溉用水量,才能有效的、大比例實(shí)現(xiàn)節(jié)水目標(biāo),使節(jié)水增糧行動(dòng)具有比較顯著的、實(shí)際的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。水稻田傳統(tǒng)灌溉方式為淹灌,該灌溉方式不僅耗水量大,水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重,水分利用效率也低,而且容易引起面源污染[2-3]。我國(guó)節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上起步的,首先是在缺水干旱地區(qū)的旱地作物示范應(yīng)用進(jìn)而大面積推廣應(yīng)用,技術(shù)逐步達(dá)到成熟。但在水稻田節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制方面,起步較晚,尤其是田面水層精準(zhǔn)自動(dòng)控制方面研究較少[4-5]。水稻田全自動(dòng)精準(zhǔn)灌排控制裝置是根據(jù)當(dāng)前水稻種植淺、濕、曬科學(xué)控水節(jié)水種植原理,將自動(dòng)化、信息化控制技術(shù)引用到田間,在水稻生長(zhǎng)過程中,用測(cè)量傳感裝置精準(zhǔn)全自動(dòng)控制水稻田灌溉水層,實(shí)現(xiàn)田間無人巡值,自行灌溉管理控制,節(jié)約勞動(dòng)時(shí)間,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約生產(chǎn)成本、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理效率,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[6]。

        1 精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)

        1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

        江蘇省是全國(guó)重點(diǎn)稻作省區(qū)之一,全省水稻田面積穩(wěn)定在3400萬畝左右,稻谷產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的60%以上。為了改變過去不合理的灌溉方式,節(jié)約水資源,我們承擔(dān)了江蘇省某市節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的控制方式采用自動(dòng)、手動(dòng)的聯(lián)合控制方式,硬件設(shè)備采用太陽能驅(qū)動(dòng),軟件應(yīng)用Java設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)水稻田節(jié)水灌溉自動(dòng)化、智能化、信息化、優(yōu)化水資源配置。

        系統(tǒng)整體平面布置如圖1所示,進(jìn)水渠道上下游分別安裝2臺(tái)節(jié)制閘;在6塊條田進(jìn)水口處,安裝有6臺(tái)遠(yuǎn)程遙控進(jìn)水閘板;6塊條田的出水口處,安裝有6臺(tái)全自動(dòng)排水閘板;6條田塊中央位置安裝6臺(tái)田間水位遙測(cè)雷達(dá)。

        手動(dòng)控制過程如下:當(dāng)灌溉季節(jié)到來時(shí),用授權(quán)的手機(jī)向節(jié)制閘1發(fā)送開啟指令,打開節(jié)制閘1,渠道有水流進(jìn)入,此時(shí)節(jié)制閘2仍處于關(guān)閉狀態(tài),將渠道水位擁高;然后利用平板電腦,打開進(jìn)水閘1,渠道中的水進(jìn)入田間進(jìn)行灌溉,當(dāng)一段時(shí)間后利用田間水層遙測(cè)雷達(dá)招測(cè)田間水深,當(dāng)田間水深到達(dá)用戶要求的水深時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閘1,開啟進(jìn)水閘2,進(jìn)行第二個(gè)條田的灌溉,操作過程如條田1,之后依次進(jìn)行下去,即可完成所有條田的灌溉。當(dāng)所有條田灌溉完畢后,利用手機(jī)向節(jié)制閘2發(fā)送指令,打開節(jié)制閘2,讓水流沿著渠道繼續(xù)流向下一灌溉區(qū)域。

        灌溉過程中如果田間水位到達(dá)設(shè)定值時(shí),操作人員忘記關(guān)閉進(jìn)水閘門,或者當(dāng)灌溉完成后突降暴雨使得田間水位超過設(shè)定值時(shí),此時(shí)條田排水渠道設(shè)定的兩根電極接通,排水閘板開啟,條田內(nèi)多余水量排向下游渠道,當(dāng)排水達(dá)到設(shè)定值時(shí),電極斷開,閘門自動(dòng)關(guān)閉。

        1.2 系統(tǒng)功能介紹

        本系統(tǒng)因地制宜探索總結(jié)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用模式,并在項(xiàng)目區(qū)對(duì)基層技術(shù)人員和水稻種植戶集中培訓(xùn)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)水稻田智能精準(zhǔn)節(jié)水灌溉的主要技術(shù)要領(lǐng)[7]。

        研制開發(fā)的灌區(qū)自動(dòng)化控制系統(tǒng),主要是為水稻田灌排水提供服務(wù),它具有以下功能:(1)實(shí)現(xiàn)水稻田種植科學(xué)的“淺、濕、曬”的節(jié)水灌溉模式;(2)實(shí)現(xiàn)泵站電動(dòng)機(jī)、渠系閘門及田間分配水口門的自動(dòng)控制;(3)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、遙測(cè)、遙視;(4)實(shí)現(xiàn)計(jì)量供水、總量控制、定額管理。

        2 系統(tǒng)硬件組成

        本系統(tǒng)主要硬件包括:遠(yuǎn)程遙控抽排水泵、渠道量控一體化閘門、田間全自動(dòng)灌排閘門以及田間水層遙測(cè)雷達(dá)。其中遠(yuǎn)程遙控抽排水泵和田間全自動(dòng)灌排閘門起到控水的作用,田間水層遙測(cè)雷達(dá)具有量測(cè)的功能,而渠道量控一體化閘門既能控水又具有量水的雙重功能。

        2.1 遠(yuǎn)程遙控抽排水泵

        抽排水泵采用手機(jī)或者ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控,主要是將無線智能通訊遙控執(zhí)行終端(設(shè)備手機(jī))與相關(guān)水泵動(dòng)力配電箱相匹配,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收指令、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)運(yùn)行,并將執(zhí)行結(jié)果用短信反饋給設(shè)備管理者。

        水稻種植管理者根據(jù)智能手段掌握的信息,針對(duì)田間水稻生長(zhǎng)期“淺、濕、干”時(shí)段需要用水要求,進(jìn)行灌溉或者排水。

        2.2 渠道量控一體化遠(yuǎn)程遙控閘門

        根據(jù)某一灌溉區(qū)域水稻某一需水季的核定水量開閘放水時(shí),基層水管人員用自己的手機(jī)以短信的形式向閘門通訊及自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送指令,閘門即自行開啟至指定高程,閘門自行執(zhí)行完畢后,自動(dòng)將執(zhí)行結(jié)果以短信的方式回復(fù)給水管人員。

        渠道水位高度通過流速儀形成率定關(guān)系后,同時(shí)與閘門開度形成率定相關(guān)關(guān)系。水管人員根據(jù)水位流量/閘門開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見表1),通過手機(jī)指令閘門開啟相應(yīng)高程,即可實(shí)現(xiàn)量控一體化。

        渠道閘門水流量通過放水時(shí)間核定,一旦時(shí)間到點(diǎn),水管人員通過手機(jī)即刻關(guān)閉此段閘門,按排序進(jìn)行下段控灌管理。

        2.3 田間智能閘門

        田間全自動(dòng)灌排控水閘板是由現(xiàn)代數(shù)字化電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)啟閉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、玻璃鋼或者不銹鋼閘門框架結(jié)構(gòu)、太陽能電源系統(tǒng)組合而成,與簡(jiǎn)易田間水層傳感器(圖2)配合使用,可以達(dá)到在無人條件下全自動(dòng)啟閉運(yùn)行。另外,在田間全自動(dòng)灌排控水閘板的控制系統(tǒng)中增加無線通訊(ZigBee模塊),可以在以計(jì)算機(jī)為中心組成的局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控啟閉。

        2.4 田間水層遙測(cè)雷達(dá)

        田間水層精測(cè)雷達(dá)(圖3)是采用非接觸式(mm級(jí))測(cè)量模式,裝配有無線通訊智能執(zhí)行系統(tǒng),分布安裝在水田中典型位置,水利或者農(nóng)業(yè)種植者采用便攜移動(dòng)式中央服務(wù)器發(fā)出指令,田間無線通訊執(zhí)行終端控制水層雷達(dá)執(zhí)行精準(zhǔn)測(cè)量,并反饋測(cè)量數(shù)據(jù)到平板電腦上。

        本產(chǎn)品將測(cè)量?jī)x器、專制手機(jī)通訊模塊或者ZigBee無線通訊模塊電源集成在箱體內(nèi),簡(jiǎn)單方便地安插在水稻田中使用。利用雷達(dá)測(cè)水位,無盲區(qū),精度高,不受壓力變化、真空、溫度變化、惰性氣體、煙塵、蒸汽等環(huán)境影響,測(cè)量靈敏,刷新速度快,是目前比較精準(zhǔn)的測(cè)量方式。

        產(chǎn)品應(yīng)用一方面可有效支持水稻種植實(shí)行科學(xué)“淺、濕、曬”節(jié)水灌溉;另一方面可采用水田面積乘以水層實(shí)現(xiàn)水量認(rèn)證,實(shí)現(xiàn)科學(xué)總量控制,定額管理。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)管理

        系統(tǒng)管理共分四個(gè)子系統(tǒng):智能灌溉規(guī)則子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、監(jiān)控日志子系統(tǒng)、和系統(tǒng)日志子系統(tǒng)。

        (1)智能灌溉規(guī)則子系統(tǒng)的功能是設(shè)定灌溉制度,合理的進(jìn)行水田的灌溉時(shí)間、灌溉頻率、輪灌制度等的設(shè)置,可為系統(tǒng)全自動(dòng)控制提供服務(wù)。

        (2)設(shè)備管理子系統(tǒng)主要是完成對(duì)水泵,渠道進(jìn)水、退水,渠與田之間進(jìn)、排水,田間水位遙控招測(cè)等的開關(guān)控制。

        (3)監(jiān)控視頻子系統(tǒng)主要是配合田間圖片視頻監(jiān)測(cè)儀,將田間的干旱裂紋情況、水層情況、長(zhǎng)勢(shì)情況、病蟲害情況、灌溉設(shè)施運(yùn)行情況等照片或者視頻傳輸至指令發(fā)出的智能手機(jī)上,并能查詢歷史視頻記錄。

        (4)數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)主要功能是處理各種采集過來的數(shù)據(jù),記錄整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況歷史的,可以進(jìn)行以往操作的查詢和管理,以及調(diào)取數(shù)據(jù)資料等。

        3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)從功能可分為四大子系統(tǒng),包括五個(gè)功能模塊,分別是:自動(dòng)化灌溉規(guī)則模塊、控制設(shè)備模塊、傳感設(shè)備模塊、監(jiān)控視頻模塊以及指令日志模塊。

        3.2.1 自動(dòng)化灌溉規(guī)則模塊

        本模塊可進(jìn)行灌溉規(guī)則的制定,根據(jù)傳統(tǒng)的灌溉經(jīng)驗(yàn),結(jié)合水稻“淺、濕、曬”的現(xiàn)代管理方式,制定科學(xué)合理的自動(dòng)化灌溉規(guī)則,可為系統(tǒng)完全自動(dòng)化灌溉提供支持。

        3.2.2 控制設(shè)備模塊

        本模塊實(shí)現(xiàn)6個(gè)進(jìn)水閘門和一臺(tái)遙控水泵的控制,控制操作方式為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程遙控,需要工作人員通過該系統(tǒng)的圖形界面直接控制泵站的啟閉(其操作過程是以開泵為例說明),操作人員打開平板電腦,連接上局域網(wǎng)絡(luò),開啟ZIGBEE通訊,按鈕先發(fā)送檢測(cè)泵站啟閉狀態(tài)命令,若檢測(cè)到泵站處于閉狀態(tài),然后才真正發(fā)送開泵命令。為保證命令的可靠傳輸,命令以幀格式發(fā)送,帶有糾錯(cuò)、檢錯(cuò)字段保證命令的可靠傳輸,開閘成功后,圖形界面指令日志里反饋設(shè)備是否開啟的指令。

        3.2.3 傳感設(shè)備模塊

        本模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)田塊田間水層的招測(cè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸,根據(jù)招測(cè)的田間水層數(shù)據(jù)人工判斷稻田是否還需要灌水,以此控制閘門的開閉。同時(shí)可根據(jù)招測(cè)到的水層數(shù)據(jù)乘以田塊的面積計(jì)算田塊灌溉的總水量,為科學(xué)的水稻田田間管理和用水定額計(jì)量提供保證。

        3.2.4 監(jiān)控視頻模塊

        本模塊是對(duì)田間視頻監(jiān)控起到管理控制的目的,通過田間的遠(yuǎn)程遙視將田間的干旱裂紋情況、水層情況、長(zhǎng)勢(shì)情況、病蟲害情況、灌溉設(shè)施運(yùn)行情況等照片或者視頻傳輸至指令發(fā)出的智能手機(jī)上,并能查詢歷史視頻記錄,對(duì)田間作物管理和設(shè)備保護(hù)起到非常重要的作用。

        3.2.5 指令日志模塊

        通過指令日志,用戶可以實(shí)時(shí)了解發(fā)送指令的狀態(tài),以及設(shè)備的運(yùn)行情況,為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。

        水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng)是依據(jù)水稻種植過程中各個(gè)階段的不同用水需求及相關(guān)用水調(diào)配的需求而設(shè)計(jì)的,從用戶角度來看,系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)表現(xiàn)于系統(tǒng)的總控按鈕,本系統(tǒng)功能性較強(qiáng),而且界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、美觀,易學(xué)易操作。

        本系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)是:

        (1)采用先進(jìn)的量控一體化設(shè)計(jì)理念,結(jié)合實(shí)際情況,采用普通手機(jī)或平板電腦以及GPRS或ZIGBEE通訊協(xié)議作為通信手段和通訊平臺(tái),以發(fā)短或指令的形式下達(dá)啟閉命令,實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

        (2)動(dòng)力電源既考慮到有市電條件的應(yīng)用,也考慮充分利用由太陽能、蓄電瓶供電系統(tǒng)支持各種功率電動(dòng)機(jī)的閘門運(yùn)行。

        (3)通過超聲波傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)水位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將數(shù)據(jù)以無線或有線方式傳輸?shù)椒?wù)器上進(jìn)行儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)、分析和決策。

        (4)根據(jù)作物的全生長(zhǎng)周期的用水需求,通過控制系統(tǒng),對(duì)各個(gè)閘門設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制,調(diào)節(jié)水環(huán)境,給作物最適宜的生長(zhǎng)條件。

        4 結(jié)束語

        水稻田精準(zhǔn)節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制系統(tǒng),將有效地提高防汛防旱的預(yù)警及處理能力,本系統(tǒng)不僅有實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示功能,同時(shí)也擁有預(yù)測(cè)及處理方案推演及優(yōu)化功能。對(duì)提高水資源管理水平有重要幫助,并對(duì)建立節(jié)能、安全、環(huán)保型社會(huì)有重要意義[8]。

        在農(nóng)村勞動(dòng)力流失,勞動(dòng)力成本大幅上升的大背景下,開展水稻田節(jié)水灌溉全自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用和示范,是推進(jìn)水稻節(jié)水灌溉和節(jié)約型農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容,符合我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的方向,是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大舉措;是提高水資源利用效率和效益,實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的需要;對(duì)推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境都具有重要的作用。

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