水稻田精准节水灌溉全自动控制系统研究

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摘 要：文章介绍了水稻田精准节水灌溉全自动控制系统。系统主要包括硬件设备和软件系统两大部分，硬件设备包括远程遥控抽排水泵、渠道量控一体化遥控闸门、田间智能灌排闸门以及田间水层遥测雷达等设备；软件系统采用JAVA开发，包括4个子系统和五个功能化模块。本系统主要是为水稻田的灌排、量控提供服务，一方面可有效支持水稻种植实行科学“浅、湿、晒”节水灌溉；另一方面可实现计量供水、总量控制、定额管理以及遥测、遥控、遥视的自动化、信息化管理。

关键词：水稻田；节水灌溉；远程控制

我国水稻的播种面积仅次于印度，约占世界水稻总面积的1/6，占国内粮食种植面积的26.9%。我国耕地面积控制在18亿亩，水稻种植面积近4.5亿亩，农业用水占全社会用水总量的70%以上[1]。但是，水稻灌溉用水占整个农业用水量的90%以上，个别地区（黑龙江省）达到96%，所以，节约控制水稻田灌溉用水量，才能有效的、大比例实现节水目标，使节水增粮行动具有比较显著的、实际的现实价值。水稻田传统灌溉方式为淹灌，该灌溉方式不仅耗水量大，水资源浪费十分严重，水分利用效率也低，而且容易引起面源污染[2-3]。我国节水灌溉自动化控制技术应用在引进国外技术的基础上起步的，首先是在缺水干旱地区的旱地作物示范应用进而大面积推广应用，技术逐步达到成熟。但在水稻田节水灌溉自动化控制方面，起步较晚，尤其是田面水层精准自动控制方面研究较少[4-5]。水稻田全自动精准灌排控制装置是根据当前水稻种植浅、湿、晒科学控水节水种植原理，将自动化、信息化控制技术引用到田间，在水稻生长过程中，用测量传感装置精准全自动控制水稻田灌溉水层，实现田间无人巡值，自行灌溉管理控制，节约劳动时间，降低劳动强度，节约生产成本、提高农业生产管理效率，实现农业现代化[6]。

1 精准节水灌溉全自动控制系统

1.1 项目区概况

江苏省是全国重点稻作省区之一，全省水稻田面积稳定在3400万亩左右，稻谷产量占全省粮食产量的60%以上。为了改变过去不合理的灌溉方式，节约水资源，我们承担了江苏省某市节水灌溉自动化系统的设计。本系统的控制方式采用自动、手动的联合控制方式，硬件设备采用太阳能驱动，软件应用Java设计，实现水稻田节水灌溉自动化、智能化、信息化、优化水资源配置。

系统整体平面布置如图1所示，进水渠道上下游分别安装2台节制闸；在6块条田进水口处，安装有6台远程遥控进水闸板；6块条田的出水口处，安装有6台全自动排水闸板；6条田块中央位置安装6台田间水位遥测雷达。

手动控制过程如下：当灌溉季节到来时，用授权的手机向节制闸1发送开启指令，打开节制闸1，渠道有水流进入，此时节制闸2仍处于关闭状态，将渠道水位拥高；然后利用平板电脑，打开进水闸1，渠道中的水进入田间进行灌溉，当一段时间后利用田间水层遥测雷达招测田间水深，当田间水深到达用户要求的水深时关闭进水闸1，开启进水闸2，进行第二个条田的灌溉，操作过程如条田1，之后依次进行下去，即可完成所有条田的灌溉。当所有条田灌溉完毕后，利用手机向节制闸2发送指令，打开节制闸2，让水流沿着渠道继续流向下一灌溉区域。

灌溉过程中如果田间水位到达设定值时，操作人员忘记关闭进水闸门，或者当灌溉完成后突降暴雨使得田间水位超过设定值时，此时条田排水渠道设定的两根电极接通，排水闸板开启，条田内多余水量排向下游渠道，当排水达到设定值时，电极断开，闸门自动关闭。

1.2 系统功能介绍

本系统因地制宜探索总结水稻田智能精准节水灌溉全自动控制技术应用模式，并在项目区对基层技术人员和水稻种植户集中培训水稻田智能精准节水灌溉全自动控制技术，现场指导水稻田智能精准节水灌溉的主要技术要领[7]。

研制开发的灌区自动化控制系统，主要是为水稻田灌排水提供服务，它具有以下功能：（1）实现水稻田种植科学的“浅、湿、晒”的节水灌溉模式；（2）实现泵站电动机、渠系闸门及田间分配水口门的自动控制；（3）实现远程遥控、遥测、遥视；（4）实现计量供水、总量控制、定额管理。

2 系统硬件组成

本系统主要硬件包括：远程遥控抽排水泵、渠道量控一体化闸门、田间全自动灌排闸门以及田间水层遥测雷达。其中远程遥控抽排水泵和田间全自动灌排闸门起到控水的作用，田间水层遥测雷达具有量测的功能，而渠道量控一体化闸门既能控水又具有量水的双重功能。

2.1 远程遥控抽排水泵

抽排水泵采用手机或者ZigBee模块实现远程无线遥控，主要是将无线智能通讯遥控执行终端（设备手机）与相关水泵动力配电箱相匹配，实现自动接收指令、自动识别、自动运行，并将执行结果用短信反馈给设备管理者。

水稻种植管理者根据智能手段掌握的信息，针对田间水稻生长期“浅、湿、干”时段需要用水要求，进行灌溉或者排水。

2.2 渠道量控一体化远程遥控闸门

根据某一灌溉区域水稻某一需水季的核定水量开闸放水时，基层水管人员用自己的手机以短信的形式向闸门通讯及自动控制系统发送指令，闸门即自行开启至指定高程，闸门自行执行完毕后，自动将执行结果以短信的方式回复给水管人员。

渠道水位高度通过流速仪形成率定关系后，同时与闸门开度形成率定相关关系。水管人员根据水位流量/闸门开度的对应关系（见表1），通过手机指令闸门开启相应高程，即可实现量控一体化。

渠道闸门水流量通过放水时间核定，一旦时间到点，水管人员通过手机即刻关闭此段闸门，按排序进行下段控灌管理。

2.3 田间智能闸门

田间全自动灌排控水闸板是由现代数字化电子技术、自动化控制技术系统、电动机启闭机动力系统、玻璃钢或者不锈钢闸门框架结构、太阳能电源系统组合而成，与简易田间水层传感器（图2）配合使用，可以达到在无人条件下全自动启闭运行。另外，在田间全自动灌排控水闸板的控制系统中增加无线通讯（ZigBee模块），可以在以计算机为中心组成的局域网内实现远程遥控启闭。

2.4 田间水层遥测雷达

田间水层精测雷达（图3）是采用非接触式（mm级）测量模式，装配有无线通讯智能执行系统，分布安装在水田中典型位置，水利或者农业种植者采用便携移动式中央服务器发出指令，田间无线通讯执行终端控制水层雷达执行精准测量，并反馈测量数据到平板电脑上。

本产品将测量仪器、专制手机通讯模块或者ZigBee无线通讯模块电源集成在箱体内，简单方便地安插在水稻田中使用。利用雷达测水位，无盲区，精度高，不受压力变化、真空、温度变化、惰性气体、烟尘、蒸汽等环境影响，测量灵敏，刷新速度快，是目前比较精准的测量方式。

产品应用一方面可有效支持水稻种植实行科学“浅、湿、晒”节水灌溉；另一方面可采用水田面积乘以水层实现水量认证，实现科学总量控制，定额管理。

3 系统软件设计

3.1 系统管理

系统管理共分四个子系统：智能灌溉规则子系统、设备管理子系统、监控日志子系统、和系统日志子系统。

（1）智能灌溉规则子系统的功能是设定灌溉制度，合理的进行水田的灌溉时间、灌溉频率、轮灌制度等的设置，可为系统全自动控制提供服务。

（2）设备管理子系统主要是完成对水泵，渠道进水、退水，渠与田之间进、排水，田间水位遥控招测等的开关控制。

（3）监控视频子系统主要是配合田间图片视频监测仪，将田间的干旱裂纹情况、水层情况、长势情况、病虫害情况、灌溉设施运行情况等照片或者视频传输至指令发出的智能手机上，并能查询历史视频记录。

（4）数据库管理子系统主要功能是处理各种采集过来的数据，记录整个系统运行状况历史的，可以进行以往操作的查询和管理，以及调取数据资料等。

3.2 系统软件设计

水稻田精准节水灌溉全自动控制系统从功能可分为四大子系统，包括五个功能模块，分别是：自动化灌溉规则模块、控制设备模块、传感设备模块、监控视频模块以及指令日志模块。

3.2.1 自动化灌溉规则模块

本模块可进行灌溉规则的制定，根据传统的灌溉经验，结合水稻“浅、湿、晒”的现代管理方式，制定科学合理的自动化灌溉规则，可为系统完全自动化灌溉提供支持。

3.2.2 控制设备模块

本模块实现6个进水闸门和一台遥控水泵的控制，控制操作方式为计算机远程遥控，需要工作人员通过该系统的图形界面直接控制泵站的启闭（其操作过程是以开泵为例说明），操作人员打开平板电脑，连接上局域网络，开启ZIGBEE通讯，按钮先发送检测泵站启闭状态命令，若检测到泵站处于闭状态，然后才真正发送开泵命令。为保证命令的可靠传输，命令以帧格式发送，带有纠错、检错字段保证命令的可靠传输，开闸成功后，图形界面指令日志里反馈设备是否开启的指令。

3.2.3 传感设备模块

本模块实现对6个田块田间水层的招测、数据采集和传输，根据招测的田间水层数据人工判断稻田是否还需要灌水，以此控制闸门的开闭。同时可根据招测到的水层数据乘以田块的面积计算田块灌溉的总水量，为科学的水稻田田间管理和用水定额计量提供保证。

3.2.4 监控视频模块

本模块是对田间视频监控起到管理控制的目的，通过田间的远程遥视将田间的干旱裂纹情况、水层情况、长势情况、病虫害情况、灌溉设施运行情况等照片或者视频传输至指令发出的智能手机上，并能查询历史视频记录，对田间作物管理和设备保护起到非常重要的作用。

3.2.5 指令日志模块

通过指令日志，用户可以实时了解发送指令的状态，以及设备的运行情况，为系统正常运行提供保障。

水稻田精准节水灌溉全自动控制系统是依据水稻种植过程中各个阶段的不同用水需求及相关用水调配的需求而设计的，从用户角度来看，系统的总体设计表现于系统的总控按钮，本系统功能性较强，而且界面设计简洁、美观，易学易操作。

本系统软件的特点是：

（1）采用先进的量控一体化设计理念，结合实际情况，采用普通手机或平板电脑以及GPRS或ZIGBEE通讯协议作为通信手段和通讯平台，以发短或指令的形式下达启闭命令，实现人机对话。

（2）动力电源既考虑到有市电条件的应用，也考虑充分利用由太阳能、蓄电瓶供电系统支持各种功率电动机的闸门运行。

（3）通过超声波传感器，实现对水位信息的实时监测，将数据以无线或有线方式传输到服务器上进行储存、统计、分析和决策。

（4）根据作物的全生长周期的用水需求，通过控制系统，对各个闸门设备进行自动控制，调节水环境，给作物最适宜的生长条件。

4 结束语

水稻田精准节水灌溉全自动控制系统，将有效地提高防汛防旱的预警及处理能力，本系统不仅有实际监测数据的展示功能，同时也拥有预测及处理方案推演及优化功能。对提高水资源管理水平有重要帮助，并对建立节能、安全、环保型社会有重要意义[8]。

在农村劳动力流失，劳动力成本大幅上升的大背景下，开展水稻田节水灌溉全自动控制技术应用和示范，是推进水稻节水灌溉和节约型农业建设的重要内容，符合我国农业信息化发展的方向，是发展现代农业的重大举措；是提高水资源利用效率和效益，实现水资源可持续发展的需要；对推动当地经济的发展和改善当地的生态环境都具有重要的作用。

参考文献

[1]王军，黄启滨.水稻田节水灌溉自动控制系统应用与示范[J].现代化农业，2016，2：22-23.

[2]茆智.水稻节水灌溉及其对环境的影响[J].中国工程科学，2002，7：8-16.

[3]彭世彰，李道西，徐俊增，等.节水灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响[J].环境科学，2007，1：9-13.

[4]钱梦清，于泓川，苏中滨.稻田节水灌溉系统的研究与设计[J].农机化研究，2012，12：128-131.

[5]姚林，郑华斌，刘建霞，等.中国水稻节水灌溉技术的现状及发展趋势[J].生态学杂志，2014，5：1381-1387.

[6]陈子平，罗怀彬.灌排系统控制运用技术研究[J].广东水利水电，2002，2：20-27.

[7]贾宏伟，李小梅.水稻节水灌溉研究的几个问题[R].现代节水高效农业与生态灌区建设（上），2010：6.

[8]贾宏伟，王晓红，陈来华.水稻节水灌溉研究综述[J].浙江水利科技，2007，3：19-25.