0、引言
黑龙江省是我国重要的商品粮基地，水稻是其主要的粮食作物之一，2013 年水稻播种面积达 372． 3 万hm2，水稻灌溉用水量占农业用水总量的 97% ，占全省水资源总量近 40% 。由于水稻产量高、旱涝保收，其种植面积还在逐年增加。伴随着水资源的日益紧缺，水稻发展受制于水资源短缺的现象愈演愈烈，因此水田实施节水灌溉已经成为当今研究的热点问题。节水灌溉技术改变了传统的大水漫灌方法，根据水稻不同生长期实际的需水要求，适时地满足水稻对水分的需求，不但可以节约用水，而且可以提高抗倒伏能力、抗病能力、改善米质以及减少空气污染。本课题根据黑龙江省的气候特点以及生产情况，利用传感器技术、通信技术和计算机技术，进行寒地水稻智能化循环节水灌溉系统的研究。该系统不但实现了根据水稻实际需求自动灌溉、井水增温，同时水田多余的水流回晒水池储存起来，等待下次的使用，从而实现循环灌溉。
1、 系统组成和功能
该系统是由短消息通讯模块、工控机组态控制系统、PLC、数据采集模块、智能循环节水灌溉模块以及地下水增温模块组成。整个系统对 6 块格田进行智能控制灌溉，其系统总体结构如图 1 所示。
1) 短消息通信模块。用户可以使用手机控制格田的灌溉、水位水温数据的提取、晒水池中循环水泵的开启和关闭。当用户通过手机向 PLC 发送控制命令的短消息时，短消息首先通过 GSM 网络传输到短消息通信适配器中，再传输到 PLC 中; PLC 经过解读接收到的控制命令后，执行相应的操作。当水田中的水低于或者高于设定的上下限或者系统出现故障时，PLC 通过短消息通讯适配器向用户发出提示信息以便用户及时了解。
2) 工控机组态控制模块。主要实现稻田水位信息、晒水池水温和系统工作状态的实时监测; 发送灌排水指令控制水田水位，发送增温指令控制晒水池的水温。
3) PLC。PLC 是整个系统的心脏，主要负责对所采集的数据进行综合分析、决策，自动或者由工作人员手动发出控制命令。
4) 数据采集模块。通过无线传感器实时监测水位、水温等信息，分析诊断水稻需水状况、晒水池水温状况，为智能灌溉、井水增温提供了基础数据，提高水稻生理需水、生态需水的保证率，实现经济用水、高效用水的目标。
5) 智能循环节水灌溉模块。利用 PLC 控制灌水和排水电磁阀的开启和关闭，将晒水池中的水流入格田或将格田内多余的灌溉水回收到晒水池进行储存，供下次灌溉使用，从而实现自动化的循环灌溉。
6) 地下水增温模块。黑龙江垦区水稻大多数采用地下水灌溉，地下水的温度在 5℃左右，而水稻最适宜生长的温度是 14 ～32℃之间，直接灌溉不利于水稻生长。如果只利用太阳照射，不能够满足水稻生长各个时期的水温要求。本系统在晒水池旁边架设大面积真空管式太阳能集热器，利用循环水泵把晒水池中的水不断送入到加热管中进行循环加热，使整个晒水池中的水温度控制在 14 ～32℃之间，以满足水稻生长所需要的灌溉水温。
2、 系统设计
智能化循环节水灌溉系统设计的目标是节约用水、提高水稻的产量和质量，因此该系统要有效控制格田中的水位和控制灌溉水温，使之适应水稻的各个生长期所需。
2． 1 地下水增温模块的设计
水稻是喜高温植物，而黑龙江省处于高寒地带，直接使用冷水灌溉会导致水稻生产产量低、米质差。
为了解决冷水害的问题，黑龙江省大多数农场充分利用大自然的力量使用晒水池增温，在天气十分晴朗的情况下，阳光照射晒水池 8 ～ 9h，水温可达到 15℃ 左右，不能达到水稻生长所要求的水温。本系统采用晒水池和太阳能热水器共同加热的方法，利用循环泵不断地把晒水池中的水注入到太阳能热水器中，实现快速增温。在晒水池中安装 4 个无线数据采集基站，检测水池中的水位和水温。当晒水池中的水温低于设置的水温下限值时，循环泵启动; 当水温达到上限值时，循环泵停止工作。当晒水池中的水灌溉低于水位的下限值时，启动井水泵抽取地下水。增温模块结构图如图 2 所示。
2． 2 智能循环节水灌溉模块的设计
智能化循环节水灌溉模块以水稻叶龄诊断技术为理论基础，根据水稻不同叶龄时期的需水规律，分别制定出水稻各叶龄生育时期的灌溉控制策略。
由于天气高温、蒸发量大或其他原因造成格田内的水层深度低于水稻该叶龄期的水位临界值时，系统对传感器采集的数据进行分析诊断，自动发出灌水指令; 晒水池中的水泵接到指令后立即启动，储存的灌溉水流向灌水渠，同时灌水渠的电磁阀自动打开，灌溉水进入到格田内。当格田内的水层深度达到系统预设值时，系统发出停止指令，灌水渠电磁阀自动关闭，停止灌溉。
由于栽培技术要求需要排水，或者是遇到较强的降雨造成格田内的水层深度高于水稻该叶龄期的水位临界值时，系统诊断后立即发出排水指令; 排水渠电磁阀自动打开，田间多余的水通过排水渠流向晒水池并储存起来; 当格田内的水层深度降到系统预设值时，系统发出停止排水指令，排水渠电磁阀关闭，停止排水。
本系统可实现自动、半自动和手动 3 种灌溉方式。由于某种特殊原因需要向格田中注水或者排水时，可以通过改变格田中设置的参数，实现半自动灌排水，也可以通过工作人员在 PLC 柜开启注水和排水电磁阀手动灌排水。智能循环节水灌溉模块流程图如图 3 所示。
2． 3 硬件的设计
系统选用的是测温范围为－80 ～ 500℃、误差精度1% 左右的 Pt100 温度传感器来测量晒水池中的水温;选用美国邦纳 Banner 超声波水位传感器 T30UDNA 测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 系列的可编程控制器。
3、 上位机软件的实现
本系统实现实时监测格田中的数据信息，根据格田的需求自动或者手动地控制泵群和电磁阀的开启和关闭，实现灌溉和井水增温，从而节省水资源及人力，提高水稻产量。系统采用 ASP． NET 作为开发语言，采用 SQL Server 作为后台数据库。系统的格田水层管理界面如图 4 所示。
4 结语
寒地水稻智能化循环节水系统利用太阳能热水器增温，减少了冷水对水稻的危害。根据水稻不同叶龄时期的需水规律对格田进行灌溉，节约了水资源。
将格田内多余的灌溉水回收到晒水池进行储存，供下次灌溉使用，减少了由于大量排水造成的养分浪费，保护了农业生态环境。寒地水稻智能化循环节水系统的设计实现了水稻灌溉的精量化和科学化。
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