陳 朋 ，申云香 ，馬艷萍

（1.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250014；2.北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081）

傳統(tǒng)水稻灌溉模式為人工漫灌，水肥利用率較低，存在精細(xì)化程度低、管理難度大等問題。同時，水稻種植區(qū)一般水資源較為豐沛，種植戶的節(jié)水意識普遍不高。開展節(jié)水灌溉，從源頭減少田間用水和排水，進(jìn)而降低污染物流失量，構(gòu)建節(jié)水減污型生態(tài)灌區(qū)，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的有效手段，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

本文以安徽省廬江縣巢湖西岸圩區(qū)水稻科研試驗基地為例，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展以節(jié)水減污為目標(biāo)的水稻智能灌溉系統(tǒng)建設(shè)試點，以期為同等條件下稻田節(jié)水灌溉與面源污染防治提供參考。

1 場地現(xiàn)狀

1.1 基地概況

該科研試驗基地距巢湖約15 km，處于國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)。試點區(qū)域地勢平坦，總面積約18.67 hm2，原為農(nóng)戶種植，經(jīng)土地流轉(zhuǎn)，現(xiàn)由某農(nóng)科院統(tǒng)一管理。場地已完成土地平整、田埂硬化及灌排渠系建設(shè)，整體劃分為規(guī)整的50個田塊，單塊長約100 m，寬約30 m。

1.2 種植結(jié)構(gòu)

區(qū)內(nèi)種植結(jié)構(gòu)大多為一稻一麥，兼有部分雙季稻。試點區(qū)域以科研試驗為主，種植結(jié)構(gòu)為單季稻。

1.3 灌排方式

場地西側(cè)為南北向灌排干渠，中部為東西向灌排支渠。由于外河水位較高，灌溉期開啟外河引水口門，河水即自流進(jìn)入干渠、支渠，田間再利用泵站或移動水泵提水灌溉；排澇時，田間排水自流進(jìn)入支渠，再匯入干渠后由末端排澇泵站排入外河。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 設(shè)計思路

農(nóng)田排水是污染物輸送的載體，稻田節(jié)水減污的著力點就在于科學(xué)管控田間排水。設(shè)計依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化、精準(zhǔn)化的優(yōu)勢，在水稻灌溉期和排澇期分別制定控制策略。在灌溉期，針對水稻不同生長期對水分的需求，根據(jù)土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)確定最佳灌水時機(jī)和灌水量，通過精準(zhǔn)灌溉實現(xiàn)節(jié)水，并確保不產(chǎn)生農(nóng)田尾水；在排澇期，根據(jù)天氣預(yù)警、田間余水量、水質(zhì)等確定排水時機(jī)，通過提前排水增加田間蓄澇能力，避免或減少降雨期間氮、磷等污染物的流失，實現(xiàn)減污。

2.2 系統(tǒng)組成

1）信息采集系統(tǒng)。通過布設(shè)在田間的傳感器采集氣象數(shù)據(jù)、田間水位、土壤水分、水質(zhì)等環(huán)境信息，為灌溉和排水決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）信息傳輸系統(tǒng)。借助 ZigBee、GPRS、Wifi、藍(lán)牙等無線或有線網(wǎng)絡(luò)，將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點匯聚來的信息安全可靠地傳輸至數(shù)據(jù)云平臺；同時，將中央控制器下達(dá)的各項指令發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點。

3）數(shù)據(jù)云平臺。負(fù)責(zé)收發(fā)、存儲、管理各項數(shù)據(jù)和指令，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)字模型等對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為實施灌排決策提供建議。數(shù)據(jù)云平臺由一系列軟件、模塊構(gòu)成，可利用智能手機(jī)、PAD、電腦等終端同步使用。

4）中央控制系統(tǒng)。根據(jù)灌溉制度、監(jiān)測數(shù)據(jù)等自動生成或手動輸入控制指令，并發(fā)送至中央控制器，中央控制器將指令發(fā)送至各物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點，實現(xiàn)水泵、閘門等設(shè)施的控制?？刂品绞娇蛇x擇本地手動控制、自動控制、遠(yuǎn)程控制等模式。

5）灌排設(shè)施系統(tǒng)。灌排設(shè)施系統(tǒng)包括構(gòu)成灌排體系的各項設(shè)備和設(shè)施，主要由泵站、管網(wǎng)、渠道、閘門、閥門等組成，一般選用兼容性強(qiáng)、精度高、適合長期在農(nóng)田及惡劣環(huán)境工作的設(shè)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體布局

項目區(qū)田塊整齊，灌排有序，設(shè)計維持已有排灌布局及田塊格局，并充分利用已建設(shè)施。設(shè)計新建灌溉泵站1座，布置在東西向灌排支渠上，自泵站引出灌溉管道2條，分別通至南、北兩側(cè)灌溉農(nóng)渠。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)及灌溉控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備可服務(wù)距離分片布設(shè)。

3.2 灌溉設(shè)施與灌溉制度

新建灌溉泵站1座，泵房建筑面積20 m2，設(shè)置在灌排支渠上；泵房內(nèi)設(shè)水泵1臺，采用潛水泵，設(shè)計揚(yáng)程22 m，流量162 m3/h，配套電機(jī)功率18.5 kW。水泵出水管采用DN150鋼管，埋地敷設(shè)至閥門井，自閥門井引出管道采用DN160 PE管，總長490 m，埋地敷設(shè)至灌排農(nóng)渠渠首（已建成矩形明渠）。

灌溉方式為輪灌，每次灌溉3個格田為一個輪灌組同時工作。

3.3 信息采集與傳輸系統(tǒng)

信息采集與傳輸系統(tǒng)由微型氣象站、水位計、監(jiān)測分機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)微基站等組成。設(shè)計新建微型氣象站1處，監(jiān)測指標(biāo)包括空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等，可實現(xiàn)自動監(jiān)測田間生長環(huán)境并測報未來10天作物生長環(huán)境，包括熱害、冷害、強(qiáng)降雨、露點等。微型氣象站通過線纜直接連接到物聯(lián)網(wǎng)微基站，傳感器采集到數(shù)據(jù)后有線傳輸至物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)。

項目區(qū)共有50個田塊，設(shè)計在每個田塊布設(shè)1臺超聲波水位計，水位計通過線纜有線連接到鄰近的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測分機(jī)，整個區(qū)域共設(shè)置監(jiān)測分機(jī)13臺，由監(jiān)測分機(jī)將數(shù)據(jù)實時傳送到物聯(lián)網(wǎng)微基站。

物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS/GSM公網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)云平臺。用戶通過授權(quán)賬號登陸云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、下載、分析、實時查看等功能，并保證所有數(shù)據(jù)與終端設(shè)備同步。

3.4 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由中央控制器、無線控制節(jié)點、測控一體閘門等組成。在每個田塊安裝1個測控一體閘門進(jìn)行供水，并配備1個無線控制節(jié)點。

在智能模式下，數(shù)據(jù)云平臺通過對田塊水位監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，自動生成控制指令，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令信號發(fā)送至中央控制器，中央控制器通過物聯(lián)網(wǎng)專用頻段將指令無線發(fā)送到各個終端控制節(jié)點，實現(xiàn)水泵、閘門的智能啟閉。

在人工模式下，用戶利用手機(jī)、電腦等終端發(fā)出控制指令，云平臺接收指令后傳送至物聯(lián)網(wǎng)微基站主機(jī)，由中央控制器發(fā)送指令至各個無線控制節(jié)點，實現(xiàn)水泵、閘門啟閉控制。

3.5 云平臺服務(wù)系統(tǒng)

云平臺服務(wù)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的樞紐，是用戶與田間設(shè)施的連通橋梁。該系統(tǒng)大多由物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供，一般包含物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、控制、視頻、網(wǎng)絡(luò)預(yù)警、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理、電子地圖等多個模塊，用戶可根據(jù)需要自行設(shè)置。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過精準(zhǔn)化、智能化控制，大大提高了灌溉效率，避免了傳統(tǒng)大水漫灌方式導(dǎo)致的水肥浪費(fèi)。既降低了灌溉水量和次數(shù)，又削減了污染物排放量，還能節(jié)省人力及維護(hù)費(fèi)用，具有高效、智能、節(jié)水、省工、增產(chǎn)、減污的特點，在推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。