1 概述

管道輸水技術(shù)在發(fā)達(dá)guojia應(yīng)用十分廣泛，利用管道將水直接輸送到田間進(jìn)行灌溉，有效的避免了水在渠道內(nèi)發(fā)生的滲漏及蒸發(fā)損失。利用管道輸送到田間，不需要占有農(nóng)田，節(jié)約了寶貴的土地資源，有效的提高了灌溉的效率，使水資源得到有效的利用。但是，直接把明渠等灌溉方式改為管道簡單輸水進(jìn)行田間灌溉，并沒有真正起到節(jié)約用水的目標(biāo)，雖然減少了渠系滲漏，其節(jié)約的灌溉水量微乎其微。要想實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用，不僅僅在灌溉用水的傳輸環(huán)節(jié)(主水渠與管道灌溉)采取措施，還要在灌溉用水終端放水口設(shè)備與用水田塊需水灌溉管理上利用新技術(shù)與方法，需要與優(yōu)化節(jié)水灌溉措施以及控水設(shè)備的科學(xué)分水配水智能控制手段相互配合。

2 一體化智能壓力變送器的設(shè)計(jì)

長期以來，田間放排水口設(shè)備在項(xiàng)目投資中所占比重不大，在使用中又存在著陋習(xí)。而對(duì)田間放水口、排水口、分水窨井等田間設(shè)施缺少專門的設(shè)計(jì)與研究，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。目前這些口門一般采用簡易壓力變送器，這些簡易口門所采用的方式、形式各不一致。有的止水不好，有的流量大小不能調(diào)控，有的造價(jià)太高，總體存在結(jié)構(gòu)型式單一、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、管理不方便等諸多問題，尤其是水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展、水資源的集約化和生產(chǎn)效率的提高。

隨著智慧水利行業(yè)不斷發(fā)展，管道節(jié)水灌溉放水口門不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)可控可調(diào)等功能，還要求放水口壓力變送器能夠根據(jù)放水口壓力變送器區(qū)域范圍內(nèi)作物生長環(huán)境與作物需水要求來實(shí)現(xiàn)智能配水調(diào)節(jié)灌溉，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)放水口壓力變送器聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至控制中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域配水調(diào)節(jié)灌溉，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化智能灌溉。由一體化智能壓力變送器構(gòu)建的農(nóng)業(yè)節(jié)水智能管道灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2． 1 一體化智能壓力變送器結(jié)構(gòu)組成

一體化智能壓力變送器由太陽能電池供電系統(tǒng)、集成在壓力變送器本體內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控模塊、無線通訊網(wǎng)絡(luò)模塊、傳感器節(jié)點(diǎn)、壓力變送器控制執(zhí)行模塊與本體電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。太陽能電池供電系統(tǒng)提供系統(tǒng)供電管理，并為閘閥控制提供動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)閘門電機(jī)的調(diào)速控制;物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)分布在作物區(qū)域內(nèi)智能傳感器節(jié)點(diǎn)(包括傳感器和 ZigBee 模塊)進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)檢測(cè)作物生長信息、土壤墑情及溫濕度等相關(guān)的參數(shù)，通過傳感器感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變化，通過集成在系統(tǒng)中的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直至上傳到數(shù)據(jù)管理中心服務(wù)器，同時(shí)，完成對(duì)壓力變送器開度與管道壓力的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)流量的控制與計(jì)量功能;無線通訊網(wǎng)絡(luò)模塊，負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳與接受遠(yuǎn)端命令的下發(fā);控制執(zhí)行模塊與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成壓力變送器的動(dòng)作執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)定開度、定時(shí)與定流量控制;遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過訪問服務(wù)器將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照一定的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，實(shí)現(xiàn)作物生長需水生長模型灌溉管理方式，同時(shí)按照要求產(chǎn)生控制指令并輸出控制信號(hào)，控制灌溉水泵與田間管道智能電動(dòng)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)定流量、定時(shí)與輪灌。

具體工作過程:從灌溉區(qū)域的#底層閘閥口門控制區(qū)域設(shè)置的多種類型傳感器反饋信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，系統(tǒng)根據(jù)整個(gè)灌區(qū)不同輪灌區(qū)的情況與作物生長需水模型發(fā)出供水指令，現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域灌溉壓力變送器智能測(cè)控單元裝置執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，按照要求定開度、定時(shí)定量開啟壓力變送器進(jìn)行灌溉。達(dá)到灌溉目的與要求后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)關(guān)閉壓力變送器。壓力變送器關(guān)閉后，灌溉壓力變送器智能測(cè)控單元裝置在線連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)區(qū)域各種參數(shù)上報(bào)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)服務(wù)器，為整個(gè)灌溉區(qū)域灌溉制度的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)，并為下次灌溉做好灌溉配水優(yōu)化準(zhǔn)備。

2． 2 一體化智能壓力變送器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

一體化智能壓力變送器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由智能傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成。物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)基于 Jennic 公司的 JN5168 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊。無線智能傳感器節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、土壤濕度、土壤溫度、氣象數(shù)據(jù)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，該節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的灌溉要求配置相應(yīng)的傳感器，并設(shè)置常用的通訊接口，可與智能儀器通訊。路由器節(jié)點(diǎn)采用高功率 ZigBee 模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和監(jiān)控主機(jī)、Internet 的數(shù)據(jù)通訊，具有以太網(wǎng)、串行通訊、GPＲS、Zigbee 等多種通訊接口。農(nóng)業(yè)節(jié)水智能灌溉物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

其中，系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要用來發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接通信聯(lián)網(wǎng)，接收路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)通信方式發(fā)送給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要由電源模塊、JN5168 #小電路、串口通信電路和以太網(wǎng)通信電路組成，協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)示意如圖 3 所示。

集成在壓力變送器腔體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)放水壓力變送器區(qū)域監(jiān)測(cè)功能的核心，它是區(qū)域范圍內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)采集、無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)。它負(fù)責(zé)采集農(nóng)田作物生長環(huán)境和節(jié)點(diǎn)位置信息，并經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理后將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點(diǎn)電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)理電路模塊無線發(fā)送模塊和各傳感器組成，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意如圖 4 所示。

2． 3 一體化智能壓力變送器調(diào)節(jié)控制

一體化智能壓力變送器是農(nóng)業(yè)節(jié)水智能灌溉物聯(lián)網(wǎng)重要的節(jié)點(diǎn)，其主要功能為接收上位機(jī)灌溉優(yōu)化程序的命令，實(shí)現(xiàn)灌溉的壓力變送器開度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)電動(dòng)壓力變送器控制，一般采取有線供電方式。為減少電纜敷設(shè)工作、減少電纜成本、提高壓力變送器布置靈活性，本文一體化智能壓力變送器采用光伏電池供電。一體化壓力變送器主要由光伏組件、蓄電池、實(shí)現(xiàn) MPPT 功能的蓄電池充電的 DC/DC 電路、行程開關(guān)檢測(cè)、用于流量測(cè)量的水位檢測(cè)、電機(jī)控制電路等組成，具體系統(tǒng)框圖如圖 5 所示。

一體化壓力變送器#基本的功能是流量控制，流量控制通過控制壓力變送器開度來實(shí)現(xiàn)，而壓力變送器控制需要準(zhǔn)確的位置或速度檢測(cè)。為直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)其高精度位置控制，電機(jī)速度及位置調(diào)節(jié)通常都引入閉環(huán)控制，而速度反饋?zhàn)鳛閷?shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制的一個(gè)重要參數(shù)，有著不可或缺的作用。目前通常采用的是利用霍爾傳感器、光電編碼器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和反饋。利用此類傳感器件比較容易實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)控制，但不可避免也存在一定缺陷，比如增加產(chǎn)品成本、電機(jī)本身體積變大、加大安裝及維護(hù)難度等。本文采用滑模觀測(cè)器方法進(jìn)行速度估算，省去了編碼器。而壓力變送器的位置為電機(jī)轉(zhuǎn)速的積分，且與機(jī)械傳動(dòng)比有關(guān)，本文利用壓力變送器的全關(guān)和全開信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)了在沒有安裝速度傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)壓力變送器任意開度的測(cè)量和調(diào)節(jié)，減小了整體成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

3 灌溉監(jiān)控和優(yōu)化決策軟件

根據(jù)本文在灌溉區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置的分布式水位監(jiān)測(cè)或土壤水分監(jiān)測(cè)和一體化智能壓力變送器，利用物聯(lián)網(wǎng)通訊手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全區(qū)域范圍的灌溉效果的監(jiān)測(cè)，從而有效實(shí)現(xiàn)各壓力變送器的控制和流量調(diào)節(jié)。監(jiān)控和優(yōu)化決策軟件主要由灌溉水情數(shù)據(jù)采集、灌溉需水量輸入模塊、作物需水量預(yù)測(cè)模塊和降雨量預(yù)測(cè)等輸入模塊組成，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印等輸出模塊組成。而優(yōu)化決策模塊主要由優(yōu)化決策策略和決策執(zhí)行模塊組成，其中優(yōu)化決策主要由#小灌溉時(shí)間指標(biāo)、消耗電能#小、水泵和壓力變送器聯(lián)合優(yōu)化等策略組成。

優(yōu)化運(yùn)行時(shí)結(jié)合實(shí)際種植情況，以及栽培專家的意見，以農(nóng)作物各個(gè)生長階段的需水要求和灌溉要求為基礎(chǔ)，確定了灌溉模型的計(jì)算公式和計(jì)算方法，為灌溉測(cè)控系統(tǒng)的決策提供了依據(jù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)作物生長環(huán)境參數(shù)與氣象參數(shù)，集合作物生長模型，構(gòu)建了灌溉測(cè)控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)庫管理及記錄、灌溉模型決策、智能化控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制等功能，達(dá)到了作物需水灌溉智能化測(cè)控的目的。通過灌溉實(shí)驗(yàn)區(qū)的植物生長情況和傳統(tǒng)人工方式下栽培的植物進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，達(dá)到了提高水資源利用率、增加農(nóng)作物產(chǎn)量的要求。

4 結(jié)語

一體化智能壓力變送器把現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、多種傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、壓力變送器測(cè)控等技術(shù)與傳統(tǒng)電動(dòng)壓力變送器結(jié)合起來，形成區(qū)域作物生長環(huán)境監(jiān)測(cè)與作物灌溉動(dòng)態(tài)配水灌溉方式，使管道灌溉放水口配水突破傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，在利用多個(gè)一體化智能壓力變送器組網(wǎng)灌溉系統(tǒng)中，多個(gè)壓力變送器實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)共享數(shù)據(jù)，集合灌溉泵站變頻裝置，使更大區(qū)域灌溉配水優(yōu)化更易實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了水資源。研究成果在張家港市樂余鎮(zhèn)核心示范區(qū)試點(diǎn)安裝使用，取得了良好效果。