高標準農(nóng)田現(xiàn)代化示范鄉(xiāng)鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測信息化系統(tǒng)建設(shè)方案
目前，由于地區(qū)旱情測報系統(tǒng)及現(xiàn)代化灌溉技術(shù)不夠完善，且現(xiàn)有設(shè)施老化，故障頻發(fā)，嚴重影響灌溉質(zhì)量，且水資源浪費嚴重，故進行設(shè)施補充及更新改造。
高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測信息化系統(tǒng)所產(chǎn)生的社會效益包括以下幾點：
（1）合理高效利用水資源。
（2）保護生態(tài)環(huán)境。
（3）節(jié)約人力成本和能源資源。
（4）改善作物品質(zhì)，增加產(chǎn)量。
旱情及農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測系統(tǒng)
旱情及農(nóng)業(yè)氣象采集系統(tǒng)主要由墑情儀、智能網(wǎng)關(guān)、7要素自動氣象站和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心軟件平臺組成。
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心軟件平臺對各站點上傳的監(jiān)測結(jié)果自動進行分析、整理和統(tǒng)計，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖表等多種方式顯示給用戶。用戶可同通過電腦、手機等登陸互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地查閱監(jiān)測數(shù)據(jù)。
土壤墑情監(jiān)測受土壤類型、灌溉情況、作物類型等影響較大，具有區(qū)域單元特異性，為更準確監(jiān)測實際灌溉前后的土壤水分含量，精確的指導(dǎo)管灌，需要每個灌溉單元配置一套墑情儀及智能網(wǎng)關(guān)，及每個智能閥門所覆蓋的灌溉范圍需配套一套智能墑情設(shè)備，以保證灌溉及墑情監(jiān)測密切相關(guān)。
7要素自動氣象站用于監(jiān)測局地農(nóng)業(yè)氣象，包含降雨量、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、大氣壓強數(shù)據(jù)。
圖1. 自動墑情監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖
智能井房IC卡智能計水計電控制系統(tǒng)（智能云控柜） 地下水資源用水用電計量與自動化控制需要依靠智能井房計水計電管理系統(tǒng)（智能云控柜）實現(xiàn)。依據(jù)國家提出的農(nóng)業(yè)機井要“細定地、嚴管井、上設(shè)施、增農(nóng)藝、統(tǒng)收費、節(jié)有獎"的方針，利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊、大數(shù)據(jù)計算存儲、云平臺管理、分布式緩存處理、遠程數(shù)據(jù)采集、IC卡收費控制等*技術(shù)，建立農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和限額管理機制，提升農(nóng)業(yè)用水計量，加強農(nóng)業(yè)用水收費管理，最終實現(xiàn)合理利用地下水資源。 智能云控柜主要包括以下幾個方面：一體化玻璃鋼柜體、GPRS遠傳模塊、IC卡計水計電控制器、IC卡、軟啟動器和超聲波流量計。 結(jié)合了計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和傳感器三項技術(shù)，達到對地下水取水用戶實施水量自動監(jiān)控的目的。實現(xiàn)實時在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢、取水計劃管理與控制等功能，從而為落實的水資源管理制度提供技術(shù)支撐，促進水資源可持續(xù)利用和節(jié)約用水。 
圖2. 智能井房IC卡智能計水計電控制系統(tǒng)工作原理圖
智能閥門自動化灌溉控制系統(tǒng) 智能閥門灌溉自動化控制系統(tǒng)是近些年新興的一個現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)概念，它是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精確感知、遠程傳輸和智能分析等技術(shù)為支撐，以實現(xiàn)灌溉自動化為目標的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式與形態(tài)。它的主要作用體現(xiàn)在：精確監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境、高效利用農(nóng)業(yè)資源、有效降低農(nóng)業(yè)能耗、全面提升農(nóng)業(yè)質(zhì)量。 智能閥門自動化灌溉控制系統(tǒng)由智能閥門、網(wǎng)關(guān)、墑情傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、GPRS模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)接收與分析軟件、遠程監(jiān)控計算機等。其主要的工作原理是利用相關(guān)傳感器實時監(jiān)測降雨、田間氣象、土壤的水分和溫度等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集與傳輸終端，通過GPRS技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到Web數(shù)據(jù)服務(wù)器中，系統(tǒng)軟件采用ASP．NET開發(fā)，通過服務(wù)器接收軟件及相關(guān)的分析與決策軟件，實時查詢作物當前或歷史的需水情況，并計算出作物的需水量，通過控制軟件，對灌溉設(shè)備進行智能控制，從而實現(xiàn)節(jié)水灌溉的自動化、精細化。該系統(tǒng)可根據(jù)地區(qū)、季節(jié)、所種植農(nóng)作物的用水特性，結(jié)合農(nóng)田里的墑情、地溫、水表、雨水傳感器傳回的數(shù)據(jù)，通過對智能閥門的遠程開啟，對作物進行自動灌溉、按需灌溉和節(jié)約灌溉，缺水時自動補水，下雨時自動停水。 通過該系統(tǒng)，可實現(xiàn)整個種植基地的灌溉自動化、施肥精細化，同時可以節(jié)約大量人力成本。從而達到節(jié)水增效、節(jié)肥增效、增產(chǎn)增收的目標。系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)品均采用太陽能+鋰電池供電，無需架設(shè)繁雜的供電線纜，節(jié)省架設(shè)成本。 圖3. 智能閥門自動化灌溉控制系統(tǒng)工作原理圖
智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制 智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制包含遠程灌溉計水計電控制器、GPRS遠傳模塊、超聲波流量計、軟啟動器、交流接觸器和斷路器，集成水電計量、刷卡取水、水泵控制、數(shù)據(jù)遠傳等功能。可遠程控制水泵開啟與關(guān)閉，提高灌溉自動化水平。利用物聯(lián)網(wǎng)通訊、大數(shù)據(jù)處理等*技術(shù)，可全面提升農(nóng)業(yè)用水計量、加強農(nóng)業(yè)用水收費管理、推進水權(quán)交易、合理利用地下水資源。 
圖4. 智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制系統(tǒng)工作原理圖
視頻會商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 視頻會商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)是整個高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲及展示窗口。建成的計算機網(wǎng)絡(luò)不僅可提供多業(yè)務(wù)接入的集成能力，而且是保證旱情、雨情、氣象、視頻、灌溉控制等信息傳遞的基礎(chǔ)，將為各類應(yīng)用信息提供傳送保障。網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以提高溝通效率并降低運營成本，實現(xiàn)全面的辦公自動化、優(yōu)化調(diào)度和決策支持。本方案中本區(qū)域監(jiān)測預(yù)警計算機中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)要達成的目標是為各類預(yù)警信息的數(shù)據(jù)接收、處理、加工與查詢、預(yù)報決策、預(yù)警與信息發(fā)布、信息交換等服務(wù)提供軟硬件平臺。 地下水位溫度自動監(jiān)測系統(tǒng) 地下水位及管網(wǎng)自動監(jiān)測系統(tǒng)，是一種基于GPRS無線遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸功能的地下水位數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、預(yù)警、分析、管理的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。通過各種傳感器對水位、參數(shù)進行采集，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集與通訊傳輸。具有低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢。 系統(tǒng)包括：（1）數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集器、無線通訊模塊、太陽能電池板、支架、蓄電池；（2）傳感器：壓力式水位及溫度傳感器。
圖5. 地下水位及溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)原理示意圖
土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng) 土壤墑情自動監(jiān)測站112個，站點設(shè)置如表3-1所示。 表3-1站點設(shè)置表
墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)描述 土壤含水量監(jiān)測依靠土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測土壤水分含量，能夠準確反映土壤的蓄水情況和實際含水量。系統(tǒng)采用太陽能及蓄電池進行供電，24小時在線，每小時上報一次數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺，根據(jù)軟件平臺設(shè)置的預(yù)警閾值，指導(dǎo)節(jié)水灌溉或自動灌溉?？赏ㄟ^電腦或手機遠程登錄軟件平臺，查看當前土壤的旱澇程度。系統(tǒng)采用無線傳輸方式，智能墑情儀與智能網(wǎng)關(guān)之間實現(xiàn)無線遠距離傳輸，傳輸距離大于2公里。每個智能網(wǎng)關(guān)可同時無線連接128個墑情儀。
圖1-1. 大田墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖
土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)組成： （1）數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：智能網(wǎng)關(guān)（數(shù)據(jù)采集器、無線通訊模塊）、太陽能電池板、支架、蓄電池； （2）智能墑情儀：墑情采集儀、土壤水分傳感器 農(nóng)業(yè)自動氣象監(jiān)測站 通過實時監(jiān)測降雨、空氣溫濕度、光照、風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)，用戶可以掌握當前的大田氣象環(huán)境，當出現(xiàn)溫度過低、光照太強或者強風(fēng)天氣情況下，及時對大棚進行保暖、通風(fēng)或加固，避免因氣象造成作物的傷害。 采用七要素氣象自動監(jiān)測站，以數(shù)據(jù)采集終端和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊為核心，通過太陽能板與蓄電池全天候供電，實現(xiàn)降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、濕度、光照、大氣壓的實時數(shù)據(jù)自動采集和遠程傳輸。配置 7種要素傳感器、數(shù)據(jù)采集通信終端、太陽能浮充蓄電池電源系統(tǒng)、避雷設(shè)備。
智能井房IC卡智能計水計電控制系統(tǒng)（智能云控柜） 建設(shè)智能井房IC卡智能計水計電控制系統(tǒng)435套，站點設(shè)置如表3-2所示。 地下水取水計量監(jiān)控設(shè)施（及智能云控柜），集刷卡取水、自動用水用電計量、水泵控制、遠程監(jiān)測等功能于一體，實現(xiàn)地下水取水自動計量、IC卡控制、遠程傳輸?shù)囊惑w化和一卡式操作、一柜式安裝。 數(shù)據(jù)采集：智能云控柜采用遠程GPRS傳輸，可通過IP地址的配置，同時連接三個管理中心的軟件平臺，自動上報用水用電量，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。 刷卡取水：智能云控柜具備IC卡智能控制、機泵啟動控制功能。 水泵控制：用水戶持IC卡控制水泵啟停，并以取水量（或電量）為控制量，實現(xiàn)水泵的自動啟停。 
設(shè)備清單：一體化玻璃鋼柜體、空氣開關(guān)、GPRS遠傳模塊、IC卡計水計電控制器、交流接觸器、軟啟動器、超聲波流量計、配套IC卡、IC卡讀寫器 農(nóng)業(yè)水價改革及水權(quán)交易軟件平臺 縣級管理軟件 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、用水量/刷卡信息查詢、信息上報、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總以及水權(quán)交易等功能，并且能與水利信息中心的平臺共享原始數(shù)據(jù)。 鄉(xiāng)級管理軟件 鄉(xiāng)級管理軟件不需要專門再單獨部署，直接訪問縣級管理軟件的WEB服務(wù)，通過分配給鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理人員的系統(tǒng)賬號進行登錄，實現(xiàn)分配的功能操作；如果在鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理中心需要進行開卡收費等工作，也需要安裝桌面版村級管理軟件進行實現(xiàn)。 村級管理軟件 村級管理軟件是一套本地安裝的桌面版管理軟件，實現(xiàn)基礎(chǔ)信息填報、用水記錄導(dǎo)入與錄入、用戶開卡充值、充值記錄查詢等功能。 智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制 智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制包含遠程灌溉計水計電控制器、GPRS遠傳模塊、超聲波流量計、軟啟動器、交流接觸器和斷路器，集成水電計量、刷卡取水、水泵控制、數(shù)據(jù)遠傳等功能，利用物聯(lián)網(wǎng)通訊、大數(shù)據(jù)處理等*技術(shù)，可全面提升農(nóng)業(yè)用水計量、加強農(nóng)業(yè)用水收費管理、推進水權(quán)交易、合理利用地下水資源。 智能井房遠程灌溉監(jiān)測控制主要功能為： （1）具備水權(quán)交易、年用水量、年用電量統(tǒng)計功能； （2）采用GPRS遠程傳輸用水用電量數(shù)據(jù)； （3）支持MF1卡本地充值和GPRS遠程充值； （4）水電雙控，控制終端集成電表計量，支持本地和遠程控制水泵啟停； （5）采用非接觸式MF1卡，一機多卡，多用戶輪流使用，認卡不認人； （6）采用一體化玻璃鋼柜體，防腐蝕、防砸盜、防潮露、防雷電，安裝簡易方便； （7）具有下限報警功能，卡內(nèi)金額低于最小值自動停水； （8）具備漏電、缺相保護功能，有效保護水泵和電動機。 遠程灌溉計水計電控制器 遠程灌溉計水計電控制器內(nèi)部集成三相三線電表功能，可擴展IC卡預(yù)付費模塊和無線抄表功能，集電表計量、水量采集和水泵遠程控制功能為一體。 智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理系統(tǒng)軟件平臺 智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理系統(tǒng)是一套集用戶管理、表具管理、財務(wù)管理、抄表結(jié)算、收費管理、發(fā)票管理、報表分析、表務(wù)管理、報裝業(yè)務(wù)等功能為一體的綜合性灌溉管理信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)兼容目前主流瀏覽器軟件，采用模塊化設(shè)計，組態(tài)靈活方便，每個功能模塊可靈活配置，方便系統(tǒng)升級擴展，軟件界面美觀，操作簡單，使用方便，適用于各大、中、小型農(nóng)田灌區(qū)。并可單機、局域網(wǎng)、Internet聯(lián)網(wǎng)方式使用。 智慧農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理系統(tǒng)軟件平臺主要特點： （1）用戶管理：用戶信息管理。 （2）表具管理：智能網(wǎng)關(guān)及智能閥門、智能墑情儀等表具管理。 （3）灌溉管理：支持自動灌溉、半自動灌溉、手動灌溉模式 （4）短信提醒功能：支持欠費、閥門控制、故障信息短信提醒功能。 （5）第三方數(shù)據(jù)導(dǎo)出：支持文本、EXCEL、DBF、SQL SERVER、ORACLE等多種格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。 （6）采用組件式系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)：每個功能模塊可靈活配置，方便系統(tǒng)升級擴展。 （7）豐富的圖表分析功能：支持數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等圖表分析、統(tǒng)計功能。 （8）安全權(quán)限控制：可設(shè)置不同的角色控制操作員的訪問權(quán)限。 （9）系統(tǒng)安裝部署方便：向?qū)桨惭b模式，只需簡單選擇即可實現(xiàn)系統(tǒng)的安裝升級。
圖4. 智能閥門灌溉自動化控制軟件平臺
圖5. 智能閥門灌溉自動化控制軟件平臺在線監(jiān)測功能
圖6. 智能閥門灌溉自動化控制手機APP軟件在線監(jiān)測與控制功能
