胡磊颜春虹
中水珠江规划勘测设计有限公司海南分公司海南海口570000
摘要：农田灌溉是保证作物生长的必要条件，利用现代网络及设备，在高效节水管网罐区，增设自动化控制系统，实现项目区土壤墒情采集分析、泵站调节供水、施肥、管网分片灌溉等自动化、智能化管理。项目实施后，灌溉管网供水、供肥的更加精细，有效提高作物灌溉效率及产量，降低农产品成本；同时工程实施后，也为其他类似条件的地区发展自动化控制灌溉起到很好的示范作用。
关键词：管网、自动化控制系统、土壤墒情、视频监控、中央控制、现地控制、LCU
1.1项目背景
海南省桂林洋国家热带农业公园规划总面积约1066公顷，将建成国际一流的集热带农业示范博览、科技研发、会议展销、田园休闲、国际交流等为一体的复合型体验区，以及热带农产品加工、热带水产品深加工展示交易聚集区。
公园建设分为起步区和基本农田区；自动化控制位于起步区林果园、蔬菜种植区域，控制面积约760亩。该区域采用小块集中种植，规划种植作物有彩稻、花卉、热带果林、蔬菜、咖啡、烟草、茶等；田块较为分散。为便于施肥、灌溉及作物生长观测控制。为减少运行成本，对该片区管网采用水肥一体自动化控制，控制系统按照"无人值班（少人值守）"原则进行设计。
1.2控制系统总体框架
控制系统共由视频监控子系统、泵站控制子系统、环境与土壤墒情采集子系统和自动灌溉子系统四部分组成，各子系统之间由光纤通信网络连接，实现数据信息共享。监控中心通过视频监控，气象、土壤墒情采集分析，结合网络通信等软硬件工具，最终达到对起步园区的农作物进行自动灌溉、施肥、施药的目标；监控中心对基本农田区仅实现泵站、干管、支管的自动化控制；管理大楼展示厅设置一个大液晶电视，播放园区的宣传视频；监控中心设置LED拼接大屏幕，用于投放园区的实时动态视频和灌溉自动化监控画面。
图1自动灌溉组网图
1.3系统流程
首先，系统通过自动气象站采集气温、降雨量、蒸发量、空气湿度、风向风速、光照等气象信息，并结合埋设在园区土壤中的传感器，实时采集土壤水分、温度等墒情数据信息，通过不同的信号输入转换模块将数据采入灌溉现地LCU，再传送到监控中心的环境与土壤墒情子系统中，结合土壤养分测试仪测得的土壤养分情况，通过处理和分析，并结合管理人员的参数调整后做出决策，确定不同片区农作物是否缺水，是否需要施肥等。其中土壤水分、土壤温度根据不同作物的个性需求，选取在地表以下-10cm、-20cm、-30cm或-20cm、-40cm、-60cm的分层土壤深度监测土壤温度和水分。土壤养分由土壤养分测试仪进行监测。
在确定了各片区农作物需水量或加肥量后，自动生成一套灌溉或施肥方案，由管理人员审核并调整后生成最终灌溉、施肥方案，交由自动灌溉子系统，借助水肥一体化系统，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律及特点，加入施肥桶并搅拌配兑成肥液，肥液与水相融后通过灌溉水管输送到田间，通过喷头、滴头进行均匀、定时、定量灌溉，让根系土壤始终保持疏松和适宜的水肥量，同时根据不同作物的需肥特点、土壤环境和养分含量状况，把水分、养分定时定量、按比例直接提供给作物。
其间监测系统一直处于运作状态，对整个过程中的参数进行记录存储，以备查询及数据分析之用。
图2自动灌溉系统流程图
1.4网络构架
计算机监控系统采用开放的分层、分布式结构，共设置中央控制层、现地控制层两层，现地控制与中央控制互相闭锁，现地控制优先。
中央控制层：中央控制层网络选用以太网结构，物理结构为星型，网络传输速率为100Mbps且为自适应式，采用TCP/IP协议。该层网络传输介质为光纤及双绞线。
现地控制层：现地控制层包含视频监控设备、LCU控制柜（箱）、土壤墒情MCU与传感器等，每个园区统一汇聚于一个接入点，通过光纤环网与中央控制层进行连接。现地控制层LCU与仪表、传感器等的网络选用RS485总线结构，采用MODBUS协议。
网络通讯结构：不同园区采用光纤环网的方式进行组网，可增加整个网络系统的稳定性，每个园区采用星型结构，各个园区均相互独立，这样即使某个园区某设备出现问题，也不影响整个网络的运行。
中央控制层设备布置在计算机监控中心，现地控制层LCU柜及现地控制、采集箱布置在各泵站和灌溉区域现地，现地控制层LCU柜及现地控制、采集箱等汇入光纤环网与中央控制层实现通信。其中每个园区网络及设备相互独立，便于管理与维护，整个网络采用光纤环网结构，不仅能提供较高网络带宽、较低延时，并且可以自愈合，传输质量比较有保障。
1.5控制原理
现地LCU设有“现地”和“远方”权限，现地的控制权限高于远方的控制权限。控制权限可以通过面板转换开关进行切换。在现地LCU处于“远方”控制时，计算机监控中心可对泵站及灌溉区域设备下达控制指令；在“现地”控制方式时，由现地控制单元实现自动或手动分步控制功能，而计算机监控中心只能采集数据和监视运行状况。当中控监控设备或数据通讯网络发生故障，不影响泵站及灌溉区域现地手动操作，操作人员可通过各个现地LCU来完成泵站及灌溉操作。
具体分为以下两种控制方式：
自动灌溉方式。根据轮灌组编排：1）依据节水工程设计中规定的耗水定额、灌水时间及作物的需肥等数据，根据设定时间编组轮灌；2）根据墒情及土壤的监测结果预设灌溉制度进行轮灌并施加肥料。
手动控制灌溉方式。1）用户也可根据墒情监测结果，通过监控中心工作站或者手机app随时进行智能化控制；2）在系统出现故障情况下，可人工手动进行灌溉泵的启动和电磁阀开启。以保证连续灌溉不会中断，不误农时。
1.6结束语
通过对桂林洋国家热带农业公园农田灌溉自动化控制系统的实践研究，深入了解自动化控制系统在现代农业灌溉、特别是高效节水灌溉中的控制原理，充分利用现代网络，实现农田土壤墒情、灌溉输配水、施肥施药、作物生长监控一体化自动控制。对实现农业现代化有着积极作用。
参考文献：
1、封苏伟主编；自动化控制系统设计实例手册，中国建筑工业出版社，2011
2、李可成主编；小型自动化控制系统安装与调试：电子工业出版社，2013