节水灌溉典型应用案例解析(pdf 35页)

节水灌溉典型应用案例分析
1温室节水灌溉控制系统
1.1基本情况与需求分析
温室节水灌溉控制系统选择“大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统”为例进行介绍。

该基地坐落在大兴区长子营镇永和庄村，建设宗旨在于全面展现大兴种植业当前最前沿的优新品种、新技术以及科技推广手段。

园区始建于2008年，总占地面积约100亩。

拥有日光温室10栋，春秋棚8栋，联栋温室2100平米。

基地由大兴区农业科学研究所负责管理，以中国农科院、北京市农业技术推广站、北京市农林科学院等科研院所为技术依托，集中展示了西甜瓜、蔬菜、甘薯、花生、食用菊花等农作物新品种以及香蕉、木瓜、火龙果等南方作物。

多种南方作物的目的旨在摸索南果北种生产技术，开展创新型都市观光农业园区方面的研究，以推动大兴区都市观光农业的发展。

针对基地内设施综合环境调控能力差、智能化程度低、管理技术水平落后的现状以及基地高新技术展示自身定位的需求，大兴区农业科学研究所提出将现代生物工程技术、农业工程技术、环境工程技术、信息技术和自动化技术引入设施农业生产中，根据动植物生长所需最适宜生态条件在现代化设施条件下进行环境自动控制，使得其生长不受气候条件的影响，实现生产自动化、标准化和智能化，保证农产品周年生产和均衡上市，达到农产品生产高速度、高产出和高效益的一种农业生产方式。

1.2系统设计
“大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统”是一套集对象感测、数据采集、信息传输、分析决策、智能控制等多层次结构的现代化综合监控系统。

系统在采集基地内的气象信息、温室内的环境信息、土壤含水量信息的基础上，综合分析作物生长的环境和水肥需求，通过大屏幕显示、声光报警方法，指导技术人员进行环境和水肥调控，为作物生长提供一个良好的气候小环境。

整个系统采用分层分布式结构，主要由1个气象信息采集点、12个语音型温室环境信息采集点、10个日光温室测控点、1套联栋温室测控分中心及综合控制中心组成。

另外，系统配套了高清视频监控设备，实现了基地内10个日光温室、联栋温室以及4个园区关键点视频信息的24小时不间断监控，监控系统的应用有助于科研工作者及时跟踪作物生长情况，对作物生长的关键环节进行追踪，并及时发现作物的不良反应。

系统整体工作流程如下：各采集点与测控点采集各类传感器数据，通过485总线和网络传输技术将上述数据上传到综合控制中心；综合控制中心接收到数据后，对数据进行处理分析，形成决策指令，并将指令发送到各采集点与测控点；接收到指令后，语音型环境信息采集点通过语音方式，提醒日光温室用户人工进行通风、遮阴、覆盖保温被等工作。

日光温室测控点通过控制指定电磁阀，打开微喷或滴灌设备补充湿度和水分。

联栋温室测控分中心通过操作配电控制柜中交流接触器吸合，自动进行通风、遮阴或者灌溉。

系统同时具备远程数据发布功能，用户只需录入指定网址，通过密码登录，即可了解现场实时数据，并掌握整个系统的运行情况。

图1为大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统整体结构框图。

图1系统整体结构框图
1.3系统实现与效果分析
1.3.1气象信息采集点
气象信息采集点由采集模块、各种气象信息传感器及安装支架组成，利用485总线经光端机与综合控制中心连接。

气象传感器监测空气温度、空气湿度、风速、风向、辐射、降雨量6个信息。

实际项目建设中，将气象采集点安装于联栋温室顶部。

图2为气象信息采集点实物图。

图2气象信息采集点实物图
1.3.2语音型温室环境信息采集点
语音型温室环境信息采集点由温室娃娃主机、各种环境信息传感器及防护外壳组成，利用485总线经光端机与综合控制中心连接。

环境信息传感器监测空气温度、湿度、露点、光照强度和土壤温度5个环境参数。

防护外壳安装小型排风风扇，该方法可防止连续高温高湿环境对电子设备的侵蚀。

图3为语音型温室环境信息采集点实物图。

采集的数据通过光纤传输到监控中心，也可以在采集终端上进行上下限报警参数设置，超过设定范围，采集终端会通过语音方式进行报警，提示用户进行相应操作。

图3语音型温室环境信息采集点实物图
1.3.3日光温室灌溉控制测控点
日光温室测控点由测控模块、土壤水分传感器、电磁阀及安装附件组成，利用485总线经光端机与综合控制中心连接。

实际项目建设中，每个温室内有两个电磁阀，分别控制微喷和滴灌两路设备。

系统可以根据土壤水分上下限或者时间进行灌溉。

图4日光温室测控点实物图
1.3.4联栋温室测控分中心
联栋温室测控分中心由平板电脑、测控模块、各种传感器、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，利用485总线经光端机与综合控制中心连接。

联栋温室内传感器检测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度及二氧化碳等参数。

控制设备包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备。

图5为联栋温室测控分中心实物图。

系统控制可以在监控中心控制，也可以通过现场的平板电脑进行数据采集和控制。

图5联栋温室测控分中心实物图
1.3.5综合控制中心
综合控制中心由服务器、多业务综合光端机、视频服务器、液晶电视、UPS 及配套网络设备组成。

系统实际建设时，综合考虑了数据监控与视频系统的有机融合。

图6为综合控制中心实物图。

图6综合控制中心实物图
中央控制软件是本系统的核心，采用力控组态软件开发。

具有安全管理、传感器参数集中显示、数据查询和统计分析、日光温室自动灌溉控制、联栋温室环境调控设备控制、数据远程发布等功能。

图7为中央控制软件截图。

图7中央控制软件截图
“大兴区农业科技成果展示基地综合监控系统”于2010年5月投入使用，系统运行以来，稳定可靠，单位面积的劳动生产率和资源利用率显著提高，设施内温、光、水、肥、气等诸因素综合协调到最佳状态，确保了园区一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。

2果园节水灌溉控制系统
2.1基本情况与需求分析
果园节水灌溉控制系统选择“忠县柑橘智能灌溉控制系统”为例进行介绍。

忠县位于重庆市中部、三峡库区腹心地带，是重庆市重点柑橘生产基地县。

忠县柑橘生产主要涉及石宝、甘井、黄金、拔山、双桂、新立和涂井等八个乡镇。

忠县正在打造国家级农业旅游示范区“中国柑橘城”。

提出了“中国柑橘看重庆，重庆柑橘看忠县”的口号，忠县建成了全国最大的工厂化柑橘脱毒容器育苗基地、国家柑橘工程技术中心、15万亩高标准加工橙基地果园和亚洲第一条NFC非浓缩橙汁加工线；重庆三峡建设集团和重庆博富文柑橘公司两大龙头企业进驻忠县建设橙汁加工厂，建立了完整的现代柑橘栽培技术标准，以柑橘产、加、销、研、学、旅为核心的产业集群初具雏形，产业竞争优势明显。

忠县先后被评为“全国农业(柑橘)标准化示范县”、“全国工农业旅游示范点”，忠县锦橙获得重庆市“消费者最喜爱柑橘”称号。

为进一步提高忠县柑橘产业的现代化水平，忠县果业局提出以“果树信息、智能决策、精准管理、优质高效技术”多种技术相结合为基础，以研发核心技术与装备、建设核心示范基地为主要载体，以整合资源、由浅入深、循序渐进、以点带面为策略，通过现代农业技术应用解决忠县柑桔产业链条中的主要技术问题，使忠县率先在我国果树行业实现生产过程现代化，以科技进步提升忠县柑桔产业的素质、核心竞争力和国内外的影响力，再次引领中国柑桔产业现代高新技术发展方向。

2009年6月，忠县果业局委托北京农业信息技术研究中心进行柑橘精细管理技术的技术集成应用与示范，示范基地位于忠县拔山镇杨柳村，基地覆盖面积约300亩柑橘园，灌溉方式为滴灌。

2.2系统设计
忠县柑橘智能灌溉控制系统围绕“信息监测-决策控制-系统集成”三个关键环节，综合运用传感器技术、计算机技术、自动控制技术及现代通讯技术，实现了柑橘种植过程的精准监测、高效灌溉和科学管理。

系统根据重庆忠县拔山镇柑橘
种植特征，对示范点“山顶”、“山腰”、“山脚”不同海拔高度柑橘生理生态信息及本地气象进行实时监测，同时配套灌溉施肥系统，为柑橘生长提供了最优的水肥保障。

系统采用分层分布式结构，主要由1个气象信息采集点、3个作物生理信息采集点、1个井房控制点、现场控制中心及远程服务器组成。

另外，系统设计中充分考虑用户需求，对系统的供电和通讯进行了完善的冗余设计，保障了监测数据的连续性和安全性。

工作整体流程如下：气象信息采集点与作物生理信息采集点采集各类传感器数据，通过485总线将上述数据上传到控制中心；控制中心接收到数据后，对数据进行处理分析，形成决策指令，通过无线数传电台发送到井房控制点；井房控制点接收到控制指令后，首先启动柴油机供水系统，待检测到供水压力正常后，开启指定阀门供水。

同时，系统实时将现场数据与远程服务器同步，所有数据均在远程服务器中备份，用户只需录入服务器指定网址，通过密码登录，即可实时获取所有数据，并掌握整个系统的运行情况。

图8为忠县柑橘智能灌溉控制系统整体结构框图。

图8系统整体结构框图
2.3系统实现与效果分析
2.3.1气象信息采集点
气象信息采集点由采集模块、太阳能充放电设备、各种气象传感器及安装支架组成，利用485总线与控制中心连接。

气象传感器监测空气温度、空气湿度、风速、风向、辐射、降雨量6个信息。

气象信息采集点及作物生理信息采集点均设计冗余供电方式，通常情况下采用市电供电，当市电掉电时，自动切换到太阳能供电，保证传感器数据信息采集正常。

实际项目建设中，为真实反映柑橘园中的实际气象信息，因地制宜的采用较高支架将气象信息采集点设置在柑橘园中。

图9为气象信息采集点实物图。

图9气象信息采集点实物图
2.3.2作物生理信息采集点
作物生理信息采集点由采集模块、太阳能充放电设备、各种作物生理信息传感器及安装支架组成，利用485总线与控制中心连接。

作物生理信息传感器监测叶面温度、叶面湿度、植物径流、及土壤水分4个信息。

供电冗余方式同气象信息采集点。

实际项目建设中，为保护传感设备，防止人为或放养动物破坏，专门建设了不锈钢护栏。

图10为作物生理信息采集点实物图。

图10作物生理信息采集点实物图
2.3.3井房控制点
井房控制点采用改建的方式建设，由新增的ASE灌溉控制器、无线数传电台、柴油机采集控制柜、远传压力表、液位传感器及原有的柴油机供水设备、自动反冲洗过滤器及电磁阀组成。

因井房控制点与控制中心间隔距离较远，且间隔两个山包，所以采用无线数传电台进行数据交互。

其中，柴油机采集控制柜负责柴控制油机供水设备的启停，同时通过采集液位传感器信息换算剩余油量信息，提醒用户及时补充油量。

图11为井房控制点实物图。

图11井房控制点实物图
2.3.4现场控制中心
现场控制中心由采集控制一体机、无线数传电台、手机模块、液晶电视、UPS及配套网络设备组成。

现场控制中心供电、通讯采用综合冗余方案：市电供电时，由采集控制一体机获取采集点传感器数据，并实时与远程服务器进行数据同步；市电掉电时，自动切换成UPS仅为手机模块供电，由远程服务器通过GPRS 网络直接获取集点传感器数据。

待市电正常时，由远程服务器将掉电期间的数据返回到现场控制中心。

图12为控制中心实物图。

图12控制中心实物图
中央控制软件是柑橘智能灌溉控制系统的核心，采用力控组态软件开发，具有安全管理、传感器参数集中显示、数据查询和统计分析、自动灌溉控制、数据远程发布等功能。

图13为中央控制软件截图。

图13中央控制软件截图
忠县柑橘智能灌溉控制系统于2009年10月投入试运行，系统的运行实现了果园信息采集自动化，信息管理远程化，生产经营决策智能化，大幅度提高柑桔栽培与经营管理的科技含量和效益回报，为实现忠县柑橘产业现代化的总目标实现提供了基础数据源。

3大田节水灌溉控制系统
3.1基本情况与需求分析
大田节水灌溉控制系统选择“新疆农科院国家现代农业示范区高标准节水示范项目”为例进行介绍。

项目区位于乌鲁木齐市北郊新疆农业科学院综合实验场，距乌鲁木齐市市中心20公里，西南距乌鲁木齐国际机场3公里，土地总面积为10006亩。

该实验场是新疆农科院集科研、生产、推广为一体的综合性试验基地及国家级现代农业科技示范区，多年来农业科技成果通过其已推广、辐射到全疆各地，为新疆农业科技事业和农业生产的发展做出了重大贡献。

但由于资金有限，农田基本建设投入严重不足，导致水井供水不足、水利设施老化，渠系水利用系数低，渗漏严重，加上土壤肥力逐年降低，灌溉技术落后，水利用率低；农业信息化建设工作基础薄弱，信息载体以传统的纸质为主，信息数据库少、信息容量小。

这些因素直接导致试验基地对新疆农业科技发展的推动、推广影响逐渐减小，国家级科技示范区的作用逐渐减弱。

针对上述现象，综合考虑新疆农业发展的实际需要，新疆农科院提出以提高灌溉水利用率和农田水分生产效率为核心，以节水、增产、增效为目标，选择节水农业技术领域内的先进成熟技术进行集成示范，将工程节水、农艺节水、生物节水、水管理节水等多种节水技术交互融合、有机的联系起来进行综合应用示范，总结出一套适合新疆地区的农业节水体系，全面提升全疆在节水农业技术领域的研究水平和技术含量。

3.2系统设计
“新疆农科院国家现代农业示范区高标准节水示范项目”是涵盖工程节水、农艺节水、生物节水、水管理节水等多项农业节水技术的综合性项目。

本项目建设
总规模6000亩，包括4000亩防渗渠软管灌溉示范区及2000亩微喷灌及信息技术综合示范区，综合示范区内建设了棉花滴灌1057亩，玉米滴灌563亩，葡萄滴灌190亩，苗木喷灌220亩，根据不同作物生长发育特点，为不同作物配套了适宜的灌溉方式。

本节重点选择2000亩综合示范区中信息技术相关应用进行介绍。

整个智能灌溉控制系统采用分布式管理，主要由4个机井测控分中心、1套气象监测站及综合测控中心组成，各测控分中心均可独立运行，完成手动或自动灌溉功能，亦可通过网络连接与综合测控中心有机组合成一套综合考虑土壤和气象等环境因子影响的智能灌溉决策控制系统。

各机井测控分中心均包含1套自动灌溉施肥机及多套测控点，由于面积及作物分布差异，各机井测控分中心下辖测控点数量各不相同。

其中，1号机井测控分中心下辖21个无线灌溉控制点，5个无线墒情采集点；2号机井测控分中心下辖31个无线灌溉控制点，8个无线墒情采集点；3号机井测控分中心下辖21个无线灌溉控制点，6个无线墒情采集点；4号机井测控分中心下辖21个无线灌溉控制点，6个无线墒情采集点。

系统建设时，出于成本考虑，设置的墒情采集点的数量相对较少，采用以点带面的表达方式，相邻4或5个地块采用同样的墒情采集点表达该区域土壤的含水量和温度信息。

系统共建设99个无线灌溉控制点，25个无线墒情采集点以及4套精准灌溉施肥系统。

图14为系统整体结构框图。

图14系统整体结构框图
系统工作分单机运行和系统联动两种工作模式，单机工作模式下，各分测控中心单独运行，首先由无线墒情采集点检测土壤的含水量及温度信息，通过无线Mesh网络传送至各分测控中心，各分测控中心可根据预先设定的土壤墒情阈值，发送决策指令到无线灌溉控制点启动该区域电磁阀进行轮灌；系统联动模式下，综合监控中心安装的智能灌溉决策控制软件掌控整个系统的控制权，可通过综合处理、分析各分测控中心获取的土壤墒情信息及气象监测站获取的气象信息，形成决策指令，通过有线网络数据传输传送到各分测控中心，再由分测控中心通过无线ZigBee网络下传到各无线灌溉控制点启动灌溉。

3.3系统实现与效果分析
3.3.1机井测控分中心
机井测控分中心主要由平板电脑、无线灌溉控制点、无线墒情采集点、IC 卡用水系统及精准灌溉施肥系统组成，利用光缆经光端机与控制中心连接。

图15为机井测控分中心系统框图。

平板电脑安装大田无线自动化灌溉监测控制软件，软件采用HMIBuilder组态软件开发，用户界面简洁美观，易于操作，实现田间电磁阀开关控制、轮管组的编制、自动运行时间和间隔的设置、系统运行状态的实时显示、传感器数据显示等功能，用户可以根据实际需求，灵活设置灌溉方式，进行合理的灌溉，从而提高了水的利用率和作物品质。

图16为大田灌溉控制软件界面。

图15机井测控分中心系统框图
图16大田灌溉控制软件截图
（一）、无线灌溉控制点
无线灌溉控制点由ZigBee无线控制器、太阳能充放电设备、电磁阀及安装支架组成，利用ZigBee无线网络与机井测控分中心连接。

实际项目建设中，1个无线灌溉控制点控制2个电磁阀，为保障系统供电，防止作物生长过高时影响太阳能设备采光，安装支架高度为6米。

图17为无线灌溉控制点实物图。

图17无线灌溉控制点实物图
（二）、无线墒情采集点
无线墒情采集点由ĒKo无线环境监测设备、土壤水分温度一体传感器及安装支架组成，利用ZigBee无线网络与机井测控分中心连接。

为保障系统供电，采用与无线灌溉控制点相同的6米安装支架。

ĒKo无线环境监测设备使用太阳能供电以及IP65级的防尘防水封装，非常适应野外安装。

此外，ĒKo采用了经过工业级认可的无线自组织、自愈合的Mesh 协议栈，网络具有极高的可靠性。

即使非技术人员也可以在短时间掌握如何安装、使用ĒKo，快速建立起一个无线的环境监测网络体系。

图18为无线墒情采集点实物图。

图18无线墒情采集点实物图
（三）、自动灌溉施肥机
自动灌溉施肥机选择2套以色列TALGIL追梦系列产品、2套国产肥能达精准灌溉施肥机。

图19、图20为项目应用的2种不同自动灌溉施肥机实物图。

微喷灌技术的产生使施肥和灌溉过程同时进行成为可能，自动灌溉施肥机的使用既简化了灌溉和施肥过程的操作，提高了劳动效率，又可以实现水肥耦合，促进肥
料利用效率的提高。

自动施肥系统可以连接到任何一个已经存在的灌溉系统中。

根据用户在核心控制器上设计的施肥程序，施肥机上的一套文丘里注肥器按比例或浓度将肥料溶液注入灌溉系统的主管道中，达到精确、及时、均匀地施肥的目的。

同时通过自动施肥机上的EC/PH传感器的实时监控，保证施肥的精确浓度和营养液的EC和PH水平。

图19以色列TALGIL自动灌溉施肥机实物图
图20肥能达自动灌溉施肥机实物图
3.3.2气象监测站
气象信息站由采集模块、无线数传电台、各种气象信息传感器及安装支架及组成，利用无线数传电台与综合控制中心连接。

气象传感器监测空气温度、空气湿度、风速、风向、辐射、降雨量6个环境信息。

实际项目建设中，为防止人为或放养动物破坏，专门建设了木质护栏。

图21为气象监测站实物图。

图21气象监测站实物图
3.3.3综合测控中心
综合测控中心由服务器、多业务综合光端机、视频服务器、液晶电视、LED 大屏幕、UPS及配套网络设备组成。

系统实际建设时，除建设智能灌溉决策控制系统外，另外配套了病虫害预报防治、地理信息管理、专家系统、园区展示及人员培训等系统，是农业信息技术在农业应用的一个全面的应用实例。

图22为综合控制中心实物图。

图22综合监控中心实物图
项目通过节水农业高新技术及农业信息化技术建设，提高了水资源利用率、作物产量和农业信息化程度，降低了作物生产成本，同时对提高作物的品质和产量具有积极促进作用，有着良好的示范效果，具有明显的社会效益。

经过本项目建设，新疆农业科学院综合试验场已成为新疆及干旱区最具代表性的节水农业高新技术及农业信息化技术示范推广基地，项目区年均节水30％以上，灌溉水利用率达到80％，平均亩灌溉定额400m3/亩。

4公园绿地节水灌溉控制系统
4.1基本情况与需求分析
公园绿地节水灌溉控制系统选择“北小河公园灌溉控制管理系统”为例进行介绍。

北小河公园位于北京市朝阳区望京地区，全园总面积24.8公顷，其中绿化面积21.4公顷，水面面积0.7公顷。

园内共栽植植物40余种，其中树木0.84万株，宿根花卉3.8万株，草坪4.2万平方米。

绿化覆盖率达92％以上。

绿化主要运用钻天杨、馒头柳、绒毛白蜡、银杏、油松、地被花卉等植物进行配植。

园区采用机井灌溉，共配套3眼机井，旧有灌溉方式采用人工管理，采取喷灌结合。