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1 概述

管道輸水技術在發(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(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行田間灌溉，并沒有真正起到節(jié)約用水的目標，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備與用水田塊需水灌溉管理上利用新技術與方法，需要與優(yōu)化節(jié)水灌溉措施以及控水設備的科學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

長期以來，田間放排水口設備在項目投資中所占比重不大，在使用中又存在著陋習。而對田間放水口、排水口、分水窨井等田間設施缺少專門的設計與研究，沒有統(tǒng)一的標準及相關標準產品。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控，有的造價太高，總體存在結構型式單一、標準不統(tǒng)一、管理不方便等諸多問題，尤其是水資源浪費嚴重，嚴重制約了農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展、水資源的集約化和生產效率的提高。

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實現(xiàn)可控可調等功能，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)域范圍內作物生長環(huán)境與作物需水要求來實現(xiàn)智能配水調節(jié)灌溉，同時，實現(xiàn)放水口壓力變送器聯(lián)網實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳至控制中心服務器，實現(xiàn)全區(qū)域配水調節(jié)灌溉，真正實現(xiàn)現(xiàn)代化智能灌溉。由一體化智能壓力變送器構建的農業(yè)節(jié)水智能管道灌溉系統(tǒng)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能電池供電系統(tǒng)、集成在壓力變送器本體內的物聯(lián)網測控模塊、無線通訊網絡模塊、傳感器節(jié)點、壓力變送器控制執(zhí)行模塊與本體電動執(zhí)行機構組成。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力，并實現(xiàn)閘門電機的調速控制;物聯(lián)網測控模塊負責對分布在作物區(qū)域內智能傳感器節(jié)點(包括傳感器和 ZigBee 模塊)進行管理，實時檢測作物生長信息、土壤墑情及溫濕度等相關的參數(shù)，通過傳感器感測現(xiàn)場的環(huán)境變化，通過集成在系統(tǒng)中的 ZigBee 網絡通信模塊將數(shù)據(jù)送到物聯(lián)網網關直至上傳到數(shù)據(jù)管理中心服務器，同時，完成對壓力變送器開度與管道壓力的監(jiān)測，實現(xiàn)流量的控制與計量功能;無線通訊網絡模塊，負責對區(qū)域物聯(lián)網節(jié)點進行管理，并進行數(shù)據(jù)的上傳與接受遠端命令的下發(fā);控制執(zhí)行模塊與電動執(zhí)行機構完成壓力變送器的動作執(zhí)行，可以實現(xiàn)定開度、定時與定流量控制;遠程計算機系統(tǒng)通過訪問服務器將采集的實時數(shù)據(jù)進行處理，并按照一定的控制算法進行實時決策，實現(xiàn)作物生長需水生長模型灌溉管理方式，同時按照要求產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閥等執(zhí)行機構定流量、定時與輪灌。

具體工作過程:從灌溉區(qū)域的#底層閘閥口門控制區(qū)域設置的多種類型傳感器反饋信息，通過無線網絡傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)服務器，系統(tǒng)根據(jù)整個灌區(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)場區(qū)域灌溉壓力變送器智能測控單元裝置執(zhí)行相應的動作，按照要求定開度、定時定量開啟壓力變送器進行灌溉。達到灌溉目的與要求后，系統(tǒng)能夠自動關閉壓力變送器。壓力變送器關閉后，灌溉壓力變送器智能測控單元裝置在線連續(xù)不間斷監(jiān)測區(qū)域各種參數(shù)上報遠端數(shù)據(jù)服務器，為整個灌溉區(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)化準備。

2． 2 一體化智能壓力變送器物聯(lián)網無線監(jiān)控網絡

一體化智能壓力變送器物聯(lián)網無線監(jiān)控網絡主要由智能傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、物聯(lián)網網關組成。物聯(lián)網硬件開發(fā)基于 Jennic 公司的 JN5168 無線傳感器網絡模塊。無線智能傳感器節(jié)點主要實現(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，該節(jié)點采用模塊化設計，根據(jù)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(jié)點采用高功率 ZigBee 模塊，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)轉發(fā)。物聯(lián)網網關實現(xiàn)物聯(lián)網數(shù)據(jù)和監(jiān)控主機、Internet 的數(shù)據(jù)通訊，具有以太網、串行通訊、GPＲS、Zigbee 等多種通訊接口。農業(yè)節(jié)水智能灌溉物聯(lián)網組網結構如圖 2 所示。

其中，系統(tǒng)中的協(xié)調器節(jié)點主要用來發(fā)起網絡連接通信聯(lián)網，接收路由節(jié)點和傳感器節(jié)點發(fā)來的信息數(shù)據(jù)并通過網絡通信方式發(fā)送給上位機。協(xié)調器節(jié)點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(jié)點是整個放水壓力變送器區(qū)域監(jiān)測功能的核心，它是區(qū)域范圍內傳感器網絡的基礎，是數(shù)據(jù)采集、無線通信協(xié)議實現(xiàn)的硬件平臺。它負責采集農田作物生長環(huán)境和節(jié)點位置信息，并經調理電路預處理后將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調器。傳感器節(jié)點電源管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調理電路模塊無線發(fā)送模塊和各傳感器組成，農業(yè)物聯(lián)網傳感器節(jié)點結構示意如圖 4 所示。

2． 3 一體化智能壓力變送器調節(jié)控制

一體化智能壓力變送器是農業(yè)節(jié)水智能灌溉物聯(lián)網重要的節(jié)點，其主要功能為接收上位機灌溉優(yōu)化程序的命令，實現(xiàn)灌溉的壓力變送器開度調節(jié)，進而實現(xiàn)流量調節(jié)。傳統(tǒng)電動壓力變送器控制，一般采取有線供電方式。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、實現(xiàn) MPPT 功能的蓄電池充電的 DC/DC 電路、行程開關檢測、用于流量測量的水位檢測、電機控制電路等組成，具體系統(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現(xiàn)，而壓力變送器控制需要準確的位置或速度檢測。為直流電動機實現(xiàn)其高精度位置控制，電機速度及位置調節(jié)通常都引入閉環(huán)控制，而速度反饋作為實現(xiàn)電機閉環(huán)控制的一個重要參數(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、測速發(fā)電機等傳感器實現(xiàn)轉速的測量和反饋。利用此類傳感器件比較容易實現(xiàn)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。本文采用滑模觀測器方法進行速度估算，省去了編碼器。而壓力變送器的位置為電機轉速的積分，且與機械傳動比有關，本文利用壓力變送器的全關和全開信號進行校準，并實現(xiàn)了在沒有安裝速度傳感器的情況下實現(xiàn)壓力變送器任意開度的測量和調節(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)域內的關鍵區(qū)域設置的分布式水位監(jiān)測或土壤水分監(jiān)測和一體化智能壓力變送器，利用物聯(lián)網通訊手段，可以實現(xiàn)對全區(qū)域范圍的灌溉效果的監(jiān)測，從而有效實現(xiàn)各壓力變送器的控制和流量調節(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、作物需水量預測模塊和降雨量預測等輸入模塊組成，以及實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)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(zhí)行模塊組成，其中優(yōu)化決策主要由#小灌溉時間指標、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)化運行時結合實際種植情況，以及栽培專家的意見，以農作物各個生長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(tǒng)的決策提供了依據(jù)。根據(jù)監(jiān)測作物生長環(huán)境參數(shù)與氣象參數(shù)，集合作物生長模型，構建了灌溉測控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫，在此基礎上，實現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫管理及記錄、灌溉模型決策、智能化控制、遠程監(jiān)測與控制等功能，達到了作物需水灌溉智能化測控的目的。通過灌溉實驗區(qū)的植物生長情況和傳統(tǒng)人工方式下栽培的植物進行對比發(fā)現(xiàn)，達到了提高水資源利用率、增加農作物產量的要求。

4 結語

一體化智能壓力變送器把現(xiàn)代農業(yè)物聯(lián)網組網技術、多種傳感器監(jiān)測技術、壓力變送器測控等技術與傳統(tǒng)電動壓力變送器結合起來，形成區(qū)域作物生長環(huán)境監(jiān)測與作物灌溉動態(tài)配水灌溉方式，使管道灌溉放水口配水突破傳統(tǒng)人工調節(jié)方式。同時，在利用多個一體化智能壓力變送器組網灌溉系統(tǒng)中，多個壓力變送器實現(xiàn)組網共享數(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)試點安裝使用，取得了良好效果。