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高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田現(xiàn)代化示范鄉(xiāng)鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)建設(shè)方案
目前，由于地區(qū)旱情測(cè)報(bào)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(yán)重影響灌溉質(zhì)量，且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，故進(jìn)行設(shè)施補(bǔ)充及更新改造。
高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)所產(chǎn)生的社會(huì)效益包括以下幾點(diǎn)：
（1）合理高效利用水資源。
（2）保護(hù)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(cè)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(dòng)氣象站和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心軟件平臺(tái)組成。
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心軟件平臺(tái)對(duì)各站點(diǎn)上傳的監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行分析、整理和統(tǒng)計(jì)，將監(jiān)測(cè)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(jī)等登陸互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地查閱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
土壤墑情監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確監(jiān)測(cè)實(shí)際灌溉前后的土壤水分含量，精確的指導(dǎo)管灌，需要每個(gè)灌溉單元配置一套墑情儀及智能網(wǎng)關(guān)，及每個(gè)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(cè)密切相關(guān)。
7要素自動(dòng)氣象站用于監(jiān)測(cè)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(qiáng)數(shù)據(jù)。
地下水資源用水用電計(jì)量與自動(dòng)化控制需要依靠智能井房計(jì)水計(jì)電管理系統(tǒng)（智能云控柜）實(shí)現(xiàn)。依據(jù)國家提出的農(nóng)業(yè)機(jī)井要“細(xì)定地、嚴(yán)管井、上設(shè)施、增農(nóng)藝、統(tǒng)收費(fèi)、節(jié)有獎(jiǎng)”的方針，利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊、大數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)、云平臺(tái)管理、分布式緩存處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、IC卡收費(fèi)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(jī)制，提升農(nóng)業(yè)用水計(jì)量，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水收費(fèi)管理，最終實(shí)現(xiàn)合理利用地下水資源。
智能云控柜主要包括以下幾個(gè)方面：一體化玻璃鋼柜體、GPRS遠(yuǎn)傳模塊、IC卡計(jì)水計(jì)電控制器、IC卡、軟啟動(dòng)器和超聲波流量計(jì)。
結(jié)合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)，達(dá)到對(duì)地下水取水用戶實(shí)施水量自動(dòng)監(jiān)控的目的。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與查詢、取水計(jì)劃管理與控制等功能，從而為落實(shí)的水資源管理制度提供技術(shù)支撐，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和節(jié)約用水。
智能閥門灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)是近些年新興的一個(gè)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(yuǎn)程傳輸和智能分析等技術(shù)為支撐，以實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化為目標(biāo)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(cè)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(dòng)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(tái)、數(shù)據(jù)接收與分析軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)等。其主要的工作原理是利用相關(guān)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)時(shí)查詢作物當(dāng)前或歷史的需水情況，并計(jì)算出作物的需水量，通過控制軟件，對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行智能控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的自動(dòng)化、精細(xì)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(duì)智能閥門的遠(yuǎn)程開啟，對(duì)作物進(jìn)行自動(dòng)灌溉、按需灌溉和節(jié)約灌溉，缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，下雨時(shí)自動(dòng)停水。
通過該系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)種植基地的灌溉自動(dòng)化、施肥精細(xì)化，同時(shí)可以節(jié)約大量人力成本。從而達(dá)到節(jié)水增效、節(jié)肥增效、增產(chǎn)增收的目標(biāo)。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。
智能井房遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)測(cè)控制包含遠(yuǎn)程灌溉計(jì)水計(jì)電控制器、GPRS遠(yuǎn)傳模塊、超聲波流量計(jì)、軟啟動(dòng)器、交流接觸器和斷路器，集成水電計(jì)量、刷卡取水、水泵控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能?？蛇h(yuǎn)程控制水泵開啟與關(guān)閉，提高灌溉自動(dòng)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(jì)量、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水收費(fèi)管理、推進(jìn)水權(quán)交易、合理利用地下水資源。
圖4. 智能井房遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作原理圖
視頻會(huì)商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)視頻會(huì)商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)是整個(gè)高效節(jié)水灌溉及監(jiān)測(cè)信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及展示窗口。建成的計(jì)算機(jī)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(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)全面的辦公自動(dòng)化、優(yōu)化調(diào)度和決策支持。本方案中本區(qū)域監(jiān)測(cè)預(yù)警計(jì)算機(jī)中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)要達(dá)成的目標(biāo)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(bào)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(tái)。
地下水位及管網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一種基于GPRS無線遠(yuǎn)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(chǔ)、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(duì)水位、參數(shù)進(jìn)行采集，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shì)。
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。
土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站112個(gè)，站點(diǎn)設(shè)置如表3-1所示。
表3-1站點(diǎn)設(shè)置表
墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)描述
土壤含水量監(jiān)測(cè)依靠土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分含量，能夠準(zhǔn)確反映土壤的蓄水情況和實(shí)際含水量。系統(tǒng)采用太陽能及蓄電池進(jìn)行供電，24小時(shí)在線，每小時(shí)上報(bào)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(tái)，根據(jù)軟件平臺(tái)設(shè)置的預(yù)警閾值，指導(dǎo)節(jié)水灌溉或自動(dòng)灌溉?？赏ㄟ^電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程登錄軟件平臺(tái)，查看當(dāng)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(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸距離大于2公里。每個(gè)智能網(wǎng)關(guān)可同時(shí)無線連接128個(gè)墑情儀。
（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(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站
通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dāng)前的大田氣象環(huán)境，當(dāng)出現(xiàn)溫度過低、光照太強(qiáng)或者強(qiáng)風(fēng)天氣情況下，及時(shí)對(duì)大棚進(jìn)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣溫度、濕度、光照、大氣壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和遠(yuǎn)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(jì)水計(jì)電控制系統(tǒng)（智能云控柜）建設(shè)智能井房IC卡智能計(jì)水計(jì)電控制系統(tǒng)435套，站點(diǎn)設(shè)置如表3-2所示。
地下水取水計(jì)量監(jiān)控設(shè)施（及智能云控柜），集刷卡取水、自動(dòng)用水用電計(jì)量、水泵控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能于一體，實(shí)現(xiàn)地下水取水自動(dòng)計(jì)量、IC卡控制、遠(yuǎn)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(yuǎn)程GPRS傳輸，可通過IP地址的配置，同時(shí)連接三個(gè)管理中心的軟件平臺(tái)，自動(dòng)上報(bào)用水用電量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。
刷卡取水：智能云控柜具備IC卡智能控制、機(jī)泵啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)啟停。
農(nóng)業(yè)水價(jià)改革及水權(quán)交易軟件平臺(tái)
縣級(jí)管理軟件
實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、用水量/刷卡信息查詢、信息上報(bào)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(tái)共享原始數(shù)據(jù)。
鄉(xiāng)級(jí)管理軟件
鄉(xiāng)級(jí)管理軟件不需要專門再單獨(dú)部署，直接訪問縣級(jí)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(hào)進(jìn)行登錄，實(shí)現(xiàn)分配的功能操作；如果在鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理中心需要進(jìn)行開卡收費(fèi)等工作，也需要安裝桌面版村級(jí)管理軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
村級(jí)管理軟件
村級(jí)管理軟件是一套本地安裝的桌面版管理軟件，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息填報(bào)、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(yuǎn)程灌溉監(jiān)測(cè)控制
智能井房遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)測(cè)控制包含遠(yuǎn)程灌溉計(jì)水計(jì)電控制器、GPRS遠(yuǎn)傳模塊、超聲波流量計(jì)、軟啟動(dòng)器、交流接觸器和斷路器，集成水電計(jì)量、刷卡取水、水泵控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(jì)量、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水收費(fèi)管理、推進(jìn)水權(quán)交易、合理利用地下水資源。
智能井房遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)測(cè)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(jì)功能；
（2）采用GPRS遠(yuǎn)程傳輸用水用電量數(shù)據(jù)；
（3）支持MF1卡本地充值和GPRS遠(yuǎn)程充值；
（4）水電雙控，控制終端集成電表計(jì)量，支持本地和遠(yuǎn)程控制水泵啟停；
（5）采用非接觸式MF1卡，一機(jī)多卡，多用戶輪流使用，認(rèn)卡不認(rèn)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(bào)警功能，卡內(nèi)金額低于最小值自動(dòng)停水；
（8）具備漏電、缺相保護(hù)功能，有效保護(hù)水泵和電動(dòng)機(jī)。
遠(yuǎn)程灌溉計(jì)水計(jì)電控制器
遠(yuǎn)程灌溉計(jì)水計(jì)電控制器內(nèi)部集成三相三線電表功能，可擴(kuò)展IC卡預(yù)付費(fèi)模塊和無線抄表功能，集電表計(jì)量、水量采集和水泵遠(yuǎn)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(tái)
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(cái)務(wù)管理、抄表結(jié)算、收費(fèi)管理、發(fā)票管理、報(bào)表分析、表務(wù)管理、報(bào)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(jì)，系統(tǒng)兼容目前主流瀏覽器軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)，組態(tài)靈活方便，每個(gè)功能模塊可靈活配置，方便系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)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(jī)、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(tái)主要特點(diǎn)：
（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(dòng)灌溉、半自動(dòng)灌溉、手動(dòng)灌溉模式
（4）短信提醒功能：支持欠費(fèi)、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(gè)功能模塊可靈活配置，方便系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展。
（7）豐富的圖表分析功能：支持?jǐn)?shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等圖表分析、統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安裝升級(jí)。
圖4. 智能閥門灌溉自動(dòng)化控制軟件平臺(tái)
圖5. 智能閥門灌溉自動(dòng)化控制軟件平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)功能
