1 概述

管道輸水技術(shù)在發(fā)達guojia應用十分廣泛，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，不需要占有農田，節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(jiǎn)單輸水進(jìn)行田間灌溉，并沒(méi)有真正起到節約用水的目標，雖然減少了渠系滲漏，其節約的灌溉水量微乎其微。要想實(shí)現水資源的高效利用，不僅僅在灌溉用水的傳輸環(huán)節(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)化節水灌溉措施以及控水設備的科學(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計

長(cháng)期以來(lái)，田間放排水口設備在項目投資中所占比重不大，在使用中又存在著(zhù)陋習。而對田間放水口、排水口、分水窨井等田間設施缺少專(zhuān)門(mén)的設計與研究，沒(méi)有統一的標準及相關(guān)標準產(chǎn)品。目前這些口門(mén)一般采用簡(jiǎn)易壓力變送器，這些簡(jiǎn)易口門(mén)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控，有的造價(jià)太高，總體存在結構型式單一、標準不統一、管理不方便等諸多問(wèn)題，尤其是水資源浪費嚴重，嚴重制約了農業(yè)生產(chǎn)的可持續發(fā)展、水資源的集約化和生產(chǎn)效率的提高。

隨著(zhù)智慧水利行業(yè)不斷發(fā)展，管道節水灌溉放水口門(mén)不僅要能夠實(shí)現可控可調等功能，還要求放水口壓力變送器能夠根據放水口壓力變送器區域范圍內作物生長(cháng)環(huán)境與作物需水要求來(lái)實(shí)現智能配水調節灌溉，同時(shí)，實(shí)現放水口壓力變送器聯(lián)網(wǎng)實(shí)現數據上傳至控制中心服務(wù)器，實(shí)現全區域配水調節灌溉，真正實(shí)現現代化智能灌溉。由一體化智能壓力變送器構建的農業(yè)節水智能管道灌溉系統結構如圖 1 所示。

2． 1 一體化智能壓力變送器結構組成

一體化智能壓力變送器由太陽(yáng)能電池供電系統、集成在壓力變送器本體內的物聯(lián)網(wǎng)測控模塊、無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )模塊、傳感器節點(diǎn)、壓力變送器控制執行模塊與本體電動(dòng)執行機構組成。太陽(yáng)能電池供電系統提供系統供電管理，并為閘閥控制提供動(dòng)力，并實(shí)現閘門(mén)電機的調速控制;物聯(lián)網(wǎng)測控模塊負責對分布在作物區域內智能傳感器節點(diǎn)(包括傳感器和 ZigBee 模塊)進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)檢測作物生長(cháng)信息、土壤墑情及溫濕度等相關(guān)的參數，通過(guò)傳感器感測現場(chǎng)的環(huán)境變化，通過(guò)集成在系統中的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò )通信模塊將數據送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直至上傳到數據管理中心服務(wù)器，同時(shí)，完成對壓力變送器開(kāi)度與管道壓力的監測，實(shí)現流量的控制與計量功能;無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )模塊，負責對區域物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)進(jìn)行管理，并進(jìn)行數據的上傳與接受遠端命令的下發(fā);控制執行模塊與電動(dòng)執行機構完成壓力變送器的動(dòng)作執行，可以實(shí)現定開(kāi)度、定時(shí)與定流量控制;遠程計算機系統通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器將采集的實(shí)時(shí)數據進(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)現作物生長(cháng)需水生長(cháng)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，控制灌溉水泵與田間管道智能電動(dòng)閥等執行機構定流量、定時(shí)與輪灌。

具體工作過(guò)程:從灌溉區域的#底層閘閥口門(mén)控制區域設置的多種類(lèi)型傳感器反饋信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到遠程數據服務(wù)器，系統根據整個(gè)灌區不同輪灌區的情況與作物生長(cháng)需水模型發(fā)出供水指令，現場(chǎng)區域灌溉壓力變送器智能測控單元裝置執行相應的動(dòng)作，按照要求定開(kāi)度、定時(shí)定量開(kāi)啟壓力變送器進(jìn)行灌溉。達到灌溉目的與要求后，系統能夠自動(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控單元裝置在線(xiàn)連續不間斷監測區域各種參數上報遠端數據服務(wù)器，為整個(gè)灌溉區域灌溉制度的優(yōu)化提供數據，并為下次灌溉做好灌溉配水優(yōu)化準備。

2． 2 一體化智能壓力變送器物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )

一體化智能壓力變送器物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )主要由智能傳感器節點(diǎn)、路由器節點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成。物聯(lián)網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)基于 Jennic 公司的 JN5168 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模塊。無(wú)線(xiàn)智能傳感器節點(diǎn)主要實(shí)現環(huán)境溫度、土壤濕度、土壤溫度、氣象數據等參數的監測，該節點(diǎn)采用模塊化設計，根據不同的灌溉要求配置相應的傳感器，并設置常用的通訊接口，可與智能儀器通訊。路由器節點(diǎn)采用高功率 ZigBee 模塊，實(shí)現遠距離數據轉發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)數據和監控主機、Internet 的數據通訊，具有以太網(wǎng)、串行通訊、GPＲS、Zigbee 等多種通訊接口。農業(yè)節水智能灌溉物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)結構如圖 2 所示。

其中，系統中的協(xié)調器節點(diǎn)主要用來(lái)發(fā)起網(wǎng)絡(luò )連接通信聯(lián)網(wǎng)，接收路由節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息數據并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信方式發(fā)送給上位機。協(xié)調器節點(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)調器結構示意如圖 3 所示。

集成在壓力變送器腔體內的傳感器節點(diǎn)是整個(gè)放水壓力變送器區域監測功能的核心，它是區域范圍內傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎，是數據采集、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議實(shí)現的硬件平臺。它負責采集農田作物生長(cháng)環(huán)境和節點(diǎn)位置信息，并經(jīng)調理電路預處理后將采集數據發(fā)送至協(xié)調器。傳感器節點(diǎn)電源管理模塊、數據采集模塊、調理電路模塊無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊和各傳感器組成，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)結構示意如圖 4 所示。

2． 3 一體化智能壓力變送器調節控制

一體化智能壓力變送器是農業(yè)節水智能灌溉物聯(lián)網(wǎng)重要的節點(diǎn)，其主要功能為接收上位機灌溉優(yōu)化程序的命令，實(shí)現灌溉的壓力變送器開(kāi)度調節，進(jìn)而實(shí)現流量調節。傳統電動(dòng)壓力變送器控制，一般采取有線(xiàn)供電方式。為減少電纜敷設工作、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 MPPT 功能的蓄電池充電的 DC/DC 電路、行程開(kāi)關(guān)檢測、用于流量測量的水位檢測、電機控制電路等組成，具體系統框圖如圖 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(guò)控制壓力變送器開(kāi)度來(lái)實(shí)現，而壓力變送器控制需要準確的位置或速度檢測。為直流電動(dòng)機實(shí)現其高精度位置控制，電機速度及位置調節通常都引入閉環(huán)控制，而速度反饋作為實(shí)現電機閉環(huán)控制的一個(gè)重要參數，有著(zhù)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、測速發(fā)電機等傳感器實(shí)現轉速的測量和反饋。利用此類(lèi)傳感器件比較容易實(shí)現直流電機的閉環(huán)控制，但不可避免也存在一定缺陷，比如增加產(chǎn)品成本、電機本身體積變大、加大安裝及維護難度等。本文采用滑模觀(guān)測器方法進(jìn)行速度估算，省去了編碼器。而壓力變送器的位置為電機轉速的積分，且與機械傳動(dòng)比有關(guān)，本文利用壓力變送器的全關(guān)和全開(kāi)信號進(jìn)行校準，并實(shí)現了在沒(méi)有安裝速度傳感器的情況下實(shí)現壓力變送器任意開(kāi)度的測量和調節，減小了整體成本，提高了系統可靠性。

3 灌溉監控和優(yōu)化決策軟件

根據本文在灌溉區域內的關(guān)鍵區域設置的分布式水位監測或土壤水分監測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)現對全區域范圍的灌溉效果的監測，從而有效實(shí)現各壓力變送器的控制和流量調節。監控和優(yōu)化決策軟件主要由灌溉水情數據采集、灌溉需水量輸入模塊、作物需水量預測模塊和降雨量預測等輸入模塊組成，以及實(shí)時(shí)數據顯示、歷史數據存儲、報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行模塊組成，其中優(yōu)化決策主要由#小灌溉時(shí)間指標、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)化運行時(shí)結合實(shí)際種植情況，以及栽培專(zhuān)家的意見(jiàn)，以農作物各個(gè)生長(cháng)階段的需水要求和灌溉要求為基礎，確定了灌溉模型的計算公式和計算方法，為灌溉測控系統的決策提供了依據。根據監測作物生長(cháng)環(huán)境參數與氣象參數，集合作物生長(cháng)模型，構建了灌溉測控系統綜合數據庫，在此基礎上，實(shí)現了灌溉系統的實(shí)時(shí)監測、數據庫管理及記錄、灌溉模型決策、智能化控制、遠程監測與控制等功能，達到了作物需水灌溉智能化測控的目的。通過(guò)灌溉實(shí)驗區的植物生長(cháng)情況和傳統人工方式下栽培的植物進(jìn)行對比發(fā)現，達到了提高水資源利用率、增加農作物產(chǎn)量的要求。

4 結語(yǔ)

一體化智能壓力變送器把現代農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、多種傳感器監測技術(shù)、壓力變送器測控等技術(shù)與傳統電動(dòng)壓力變送器結合起來(lái)，形成區域作物生長(cháng)環(huán)境監測與作物灌溉動(dòng)態(tài)配水灌溉方式，使管道灌溉放水口配水突破傳統人工調節方式。同時(shí)，在利用多個(gè)一體化智能壓力變送器組網(wǎng)灌溉系統中，多個(gè)壓力變送器實(shí)現組網(wǎng)共享數據，集合灌溉泵站變頻裝置，使更大區域灌溉配水優(yōu)化更易實(shí)現，節約了水資源。研究成果在張家港市樂(lè )余鎮核心示范區試點(diǎn)安裝使用，取得了良好效果。