0、引言

黑龍江省是我國重要的商品糧基地，水稻是其主要的糧食作物之一，2013 年水稻播種面積達 372． 3 萬hm2，水稻灌溉用水量占農業用水總量的 97% ，占全省水資源總量近 40% 。由于水稻產量高、旱澇保收，其種植面積還在逐年增加。伴隨著水資源的日益緊缺，水稻發展受制于水資源短缺的現象愈演愈烈，因此水田實施節水灌溉已經成為當今研究的熱點問題。節水灌溉技術改變了傳統的大水漫灌方法，根據水稻不同生長期實際的需水要求，適時地滿足水稻對水分的需求，不但可以節約用水，而且可以提高抗倒伏能力、抗病能力、改善米質以及減少空氣污染。本課題根據黑龍江省的氣候特點以及生產情況，利用傳感器技術、通信技術和計算機技術，進行寒地水稻智能化循環節水灌溉系統的研究。該系統不但實現了根據水稻實際需求自動灌溉、井水增溫，同時水田多余的水流回曬水池儲存起來，等待下次的使用，從而實現循環灌溉。

1、 系統組成和功能

該系統是由短消息通訊模塊、工控機組態控制系統、PLC、數據采集模塊、智能循環節水灌溉模塊以及地下水增溫模塊組成。整個系統對 6 塊格田進行智能控制灌溉，其系統總體結構如圖 1 所示。

1\\) 短消息通信模塊。用戶可以使用手機控制格田的灌溉、水位水溫數據的提取、曬水池中循環水泵的開啟和關閉。當用戶通過手機向 PLC 發送控制命令的短消息時，短消息首先通過 GSM 網絡傳輸到短消息通信適配器中，再傳輸到 PLC 中; PLC 經過解讀接收到的控制命令后，執行相應的操作。當水田中的水低于或者高于設定的上下限或者系統出現故障時，PLC 通過短消息通訊適配器向用戶發出提示信息以便用戶及時了解。

2\\) 工控機組態控制模塊。主要實現稻田水位信息、曬水池水溫和系統工作狀態的實時監測; 發送灌排水指令控制水田水位，發送增溫指令控制曬水池的水溫。

3\\) PLC。PLC 是整個系統的心臟，主要負責對所采集的數據進行綜合分析、決策，自動或者由工作人員手動發出控制命令。

4\\) 數據采集模塊。通過無線傳感器實時監測水位、水溫等信息，分析診斷水稻需水狀況、曬水池水溫狀況，為智能灌溉、井水增溫提供了基礎數據，提高水稻生理需水、生態需水的保證率，實現經濟用水、高效用水的目標。

5\\) 智能循環節水灌溉模塊。利用 PLC 控制灌水和排水電磁閥的開啟和關閉，將曬水池中的水流入格田或將格田內多余的灌溉水回收到曬水池進行儲存，供下次灌溉使用，從而實現自動化的循環灌溉。

6\\) 地下水增溫模塊。黑龍江墾區水稻大多數采用地下水灌溉，地下水的溫度在 5℃左右，而水稻最適宜生長的溫度是 14 ～32℃之間，直接灌溉不利于水稻生長。如果只利用太陽照射，不能夠滿足水稻生長各個時期的水溫要求。本系統在曬水池旁邊架設大面積真空管式太陽能集熱器，利用循環水泵把曬水池中的水不斷送入到加熱管中進行循環加熱，使整個曬水池中的水溫度控制在 14 ～32℃之間，以滿足水稻生長所需要的灌溉水溫。

2、 系統設計

智能化循環節水灌溉系統設計的目標是節約用水、提高水稻的產量和質量，因此該系統要有效控制格田中的水位和控制灌溉水溫，使之適應水稻的各個生長期所需。

2． 1 地下水增溫模塊的設計

水稻是喜高溫植物，而黑龍江省處于高寒地帶，直接使用冷水灌溉會導致水稻生產產量低、米質差。

為了解決冷水害的問題，黑龍江省大多數農場充分利用大自然的力量使用曬水池增溫，在天氣十分晴朗的情況下，陽光照射曬水池 8 ～ 9h，水溫可達到 15℃ 左右，不能達到水稻生長所要求的水溫。本系統采用曬水池和太陽能熱水器共同加熱的方法，利用循環泵不斷地把曬水池中的水注入到太陽能熱水器中，實現快速增溫。在曬水池中安裝 4 個無線數據采集基站，檢測水池中的水位和水溫。當曬水池中的水溫低于設置的水溫下限值時，循環泵啟動; 當水溫達到上限值時，循環泵停止工作。當曬水池中的水灌溉低于水位的下限值時，啟動井水泵抽取地下水。增溫模塊結構圖如圖 2 所示。

2． 2 智能循環節水灌溉模塊的設計

智能化循環節水灌溉模塊以水稻葉齡診斷技術為理論基礎，根據水稻不同葉齡時期的需水規律，分別制定出水稻各葉齡生育時期的灌溉控制策略。

由于天氣高溫、蒸發量大或其他原因造成格田內的水層深度低于水稻該葉齡期的水位臨界值時，系統對傳感器采集的數據進行分析診斷，自動發出灌水指令; 曬水池中的水泵接到指令后立即啟動，儲存的灌溉水流向灌水渠，同時灌水渠的電磁閥自動打開，灌溉水進入到格田內。當格田內的水層深度達到系統預設值時，系統發出停止指令，灌水渠電磁閥自動關閉，停止灌溉。

由于栽培技術要求需要排水，或者是遇到較強的降雨造成格田內的水層深度高于水稻該葉齡期的水位臨界值時，系統診斷后立即發出排水指令; 排水渠電磁閥自動打開，田間多余的水通過排水渠流向曬水池并儲存起來; 當格田內的水層深度降到系統預設值時，系統發出停止排水指令，排水渠電磁閥關閉，停止排水。

本系統可實現自動、半自動和手動 3 種灌溉方式。由于某種特殊原因需要向格田中注水或者排水時，可以通過改變格田中設置的參數，實現半自動灌排水，也可以通過工作人員在 PLC 柜開啟注水和排水電磁閥手動灌排水。智能循環節水灌溉模塊流程圖如圖 3 所示。

2． 3 硬件的設計

系統選用的是測溫范圍為－80 ～ 500℃、誤差精度1% 左右的 Pt100 溫度傳感器來測量曬水池中的水溫;選用美國邦納 Banner 超聲波水位傳感器 T30UDNA 測量格田中的水位信息; PLC 采用的是小形化、高速度、高性能的三菱 FX2N 系列的可編程控制器。

3、 上位機軟件的實現

本系統實現實時監測格田中的數據信息，根據格田的需求自動或者手動地控制泵群和電磁閥的開啟和關閉，實現灌溉和井水增溫，從而節省水資源及人力，提高水稻產量。系統采用 ASP． NET 作為開發語言，采用 SQL Server 作為后臺數據庫。系統的格田水層管理界面如圖 4 所示。

4 結語

寒地水稻智能化循環節水系統利用太陽能熱水器增溫，減少了冷水對水稻的危害。根據水稻不同葉齡時期的需水規律對格田進行灌溉，節約了水資源。

將格田內多余的灌溉水回收到曬水池進行儲存，供下次灌溉使用，減少了由于大量排水造成的養分浪費，保護了農業生態環境。寒地水稻智能化循環節水系統的設計實現了水稻灌溉的精量化和科學化。

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