第二节 灌区水资源智能监控系统的研制

一、研制目的和意义

在井群自动化灌溉系统基础上，增加水资源优化调度模块、地下水限量开采模块，制定各种复杂用水和补给情况下的水资源优化的原则和方法，提高产品的适用性。在预测预报模型等智能系统或决策支持系统与实时监控系统的数据实时交换上，建立一个统一的数据格式和通用接口。提高产品的智能化程度，产品进一步标准化、规范化，达到方便生产，便于推广，易于维护的目的。系统产品经该项目熟化后，可形成直接用于生产的定型产品。

近年来，随着世界范围内水资源的短缺，充分利用水资源，提高水利用率已越来越成为全人类迫切需要解决的重要问题。灌区水资源智能监控系统是将自动化监控技术，无线数据传输技术，地下水动态预测预报技术，数据信息显示技术在灌区进行有机集成，以先进的智能控制理论和水资源优化配置理论为指导，充分考虑当前农田灌溉特点，通过新技术融合和技术改进，生产基地建设，成果示范推广，达到促进提高灌溉系统整体效率，提高农田灌溉自动化程度和农业水资源管理水平的目的。

二、目标定位及设计原则

1.目标定位

产品研制紧紧围绕“完善、提高产品功能，增强环境适应性；提高产品智能化程度和软件界面的可视化程度；提高产品标准化、规范化程度，形成定型产品”的预期目标，并遵循以下3个原则。

（1）实用性。实用性的重点在可操作性，充分考虑使用对象是基层管理人员，必须具有管理方便，操作简单，易于维护维修的特点。

（2）经济性。农业生产不同于工业生产，目前，对于大田作物通过省水、增产和改善农作物品质而获得的直接收益并不高。如果投入高，还本年限长，不仅影响灌区的经济效益，还会极大地限制该技术的推广应用。因此是否经济为本项技术设备设计时重要的考虑因素，该系统应在保证系统功能的基础上，尽可能地降低成本。

（3）科学性。科学技术突飞猛进，新技术新方法层出不穷，通过采用新技术和传统技术的融合，才能产生事半功倍的效果。因此在设计过程中，必须采用先进的科学技术和管理模式，使系统既具有较高的可靠性、开放性和可扩充性，又具有操作简便、易于管理的特点。

2.设计原则

设计原则为以实用性为主，优先使用先进技术，同时兼顾系统的经济性。

（1）实用性。实用性重在可操作性，本系统设计以人为本，充分考虑使用对象是基层管理人员，因此，必须具有管理方便，操作简单，易于维护维修的特点。该系统具有以下实用性特点：①功能实用，以使用者的角度考虑问题，人性化设计，对使用者而言，简单明了，系统操作简便，对于简单的故障能够自行处理；②运行可靠，选择优质元器件，精心设计，采用软硬件结合的抗干扰措施，在恶劣条件下可长期稳定工作。

（2）系统设计。系统设计优先使用先进技术，是将最新的科研成果应用于生产实践，包括：软件自恢复技术，高速数传技术，现场数据、预报模型和自动控制系统结合等新技术。

（3）兼顾系统的经济性。兼顾系统的经济性是指：在保证系统具有优异性能的基础上，充分考虑农业应用的特点，功能部件以自行设计为主，尽可能地减少采用昂贵成品的使用量，使之具有更高的市场竞争力，为该项技术的推广应用创造有利条件。

三、灌区水资源智能监控系统的设计

（一）总体方案设计

1.监控系统形式

目前常用的监控系统形式有分布式和集中式两种。

分布式系统具有以下特点：①可靠性高。在分布式系统中，包括有很多台同样功能的单片机，所以彼此之间就有很大的冗余量（而且，即使增加一两台冗余设备，其价格仍很低）。必要时可重新排列或调用备用机组，所以系统的可靠性大为加强。②系统的模块化。由于系统的分散性、功能的重复性，分布式系统广泛采用模块结构，把任务相同的部分做成一个模块，以便于操作、组装和调度。系统的各模块采用标准化接口，便于系统的改造、升级和维护。通过不同模块的组合，可以很方便地组成不同目的的控制系统，达到多目标利用的目的。③价格低廉。系统只需一台计算机，现场采用相对廉价的单片机控制，可以通过增加现场单片机的数量，低成本地扩大系统规模。鉴于分布式监控系统所具有的优点，比较适合水资源智能监控系统，因此该系统采用了分布式系统结构。分布式监控系统示意图见图2-1，图中所示是以中央控制室为中心节点的星形拓扑结构。

2.监控系统数据通信方式

分布式监控系统的一个重要组成部分是数据通信，20世纪90年代以来，随着计算机技术迅速发展和普及，实时监控装置在灌溉控制方面得到了较快的发展和运用，数据通信方式也随着发生重大变化。早期一般采用有线通信方式，一类是采用串行数据总线（例如“485”串行通信）。需要架设专用线路，由于灌溉系统的被监控点距离远并且比较分散。总线式结构要求数据总线必须通过所有的监控点，因此架设通信线路的费用非常高，同时维护困难，线路损坏、丢失很难解决。另一类是以公用电话网为传输媒介，利用计算机互联网技术和设备进行灌溉系统的远距离控制，实现远程监控。虽然技术上实现比较容易，且已有现成设备可用，但由于其数据通信网是建立在公用电话网基础上的，使得系统布设不但受到电信发展的制约，而且系统运行还要承担电话费、线路占用费，运行费用较高。有线通信方式因为固有的弊端，逐渐淡出市场，取而代之的是无线数据通信的兴起。

早期无线远程灌溉控制系统，又分为两类：公网和自建网。采用公网方式就是利用现有的GSM移动通信系统的短消息业务，实现点对点通信，因为是拨号上网方式，上线过程十分繁琐，巡检所有站点耗费的时间使人无法容忍，实时性很差，按次计费，运行费用高，因此使用者越来越少。采用自建网方式，根据农田灌溉自动控制的特点，水利部农田灌溉研究所在国内率先将无线半双工应答的数据传输方式，应用于井群无线自动控制系统。该方式可以通过调整发射机功率方便地控制传输距离，因而不受距离限制；同时，在远离城市工业区的野外干扰源少，无线信号传输质量好，采用很小的发射机功率即可满足现场对通信距离的要求，且便于维护，成本明显低于有线传输方式。在保证通信可靠的情况下，无线半双工应答的通信传输方式可以有效地减少硬件的投入和频率资源的占用。在无线数传模块比较昂贵或控制站点距离差异较大时，可采用有线无线结合的经济组网方式，达到进一步降低成本的目的。

GPRS是一项高速数据处理的科技，即以“分组”的形式把数据传送到用户手上。相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有171.2kbps的访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10～30s，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM是按连接时间或按次计费的，而GPRS只需要按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。鉴于GPRS所具有的巨大优势，采用山东力创科技有限公司的LQ8110 GPRS数传模块开发出了GPRS进行数据传输的产品，在完善、提高产品功能，增强环境适应性和提高产品标准化、规范化程度上又前进了一步。

3.监控系统内部整体结构

监控系统软件、硬件均采用目前流行的模块化结构设计，模块化结构使系统的维护和维修更为方便。灌区水资源智能监控系统（见图2-2）分为3个层次，它们分别是信息采集层、调度决策层和决策执行层。

a.信息采集层

信息采集层是基础，为灌区水资源管理系统决策提供基本信息，基本信息主要来自3个方面：①现场实时数据，包括：井水位、出水流量、管网压力以及土壤墒情等；②上述数据的历史数据以及实际发展过程；③来自于管理模型，通过历史数据的运算提供进一步发展趋势的预测。

信息采集层由以下几部分组成。

（1）传感器。其中包括：水位传感器、流量传感器、管网压力传感器以及土壤墒情传感器等，还包括GPS数据定位系统。作用是将水位、流量、管网压力、土壤墒情等非电量变化转化为电信号变化，以便作进一步处理。

（2）现场数据采集控制、信号调理模块。其作用是在现场单片机的控制下按总控计算机的指令进行相应数据的采集，同时将采集的数据按要求进行调理和光电隔离并通过数据传输系统送回主控计算机，等待进一步处理。

（3）Access数据库模块。用于存储现场采集数据（其中部分数据包含GPS定位信息），管理模型的预测结果等。

（4）灌区数据GIS显示系统。用于以地图的形式显示实时数据和历史数据，在此，之所以单独设置一个模块，是因为系统编程比较复杂，单独设置便于系统维护和升级，与监控系统共用一个Access数据库，通过刷新解决了现场数据实时更新的问题。采用VB和Map objects编程。

b.调度决策层

调度决策层是灵魂，调度决策的依据有3个：①现场实时数据，随时了解现场情况，其中包括水位、流量、管网压力、土壤墒情等；②历史数据以及实际发展过程；③通过历史数据的运算提供进一步发展趋势的预测。可以根据以上数据的一个和多个作出最终的调度决策。

调度决策具有3种控制方式：自动控制方式，人机交互控制方式和智能控制方式。

（1）自动控制方式。在上位机向各个下位机输入运行控制参数后，下位机可以脱离上位机，由各个下位机组成独立的小闭环控制系统。一般在控制参数无需经常变化的情况下采用。

（2）人机交互控制方式。由上位机与各个下位机组成的大闭环控制系统和各个下位机组成的小闭环控制系统共同组成的双闭环控制系统。计算机是人机交互控制的媒介和窗口，根据显示屏显示的数据做出判断，通过虚拟的操作面板，随时地将控制指令，发送到现场。类似于通常的远程遥控遥测。

（3）智能控制方式。由上位机主控程序通过数据库与智能系统组成的小闭环控制系统和上位机与各个下位机组成的大闭环控制系统以及各个下位机组成的小闭环控制系统共同组成的三闭环控制系统。相当于智能机器人实现起来相当困难，目前还无法实现。

调度决策层由以下几部分组成。

（1）管理模型。对历史数据进行处理，繁衍未来的发展趋势。

（2）监控系统操作界面。人机交互的工具，通过屏幕切换可以分别显示现场实时数据，随时了解现场情况，其中包括：①水位、流量、管网压力、土壤墒情等；②历史数据以及实际发展过程；③提供进一步发展趋势的预测。可以根据以上数据的一个和多个作出最终的调度决策。通过虚拟的操作面板将指令发送出去。

（3）监控系统后台管理程序。采用面向对象语言VB编写，事件驱动方式，协调系统各个部分有条不紊地工作。

c.决策执行层

决策执行层是将来自虚拟的操作面板的指令，变成实实在在动作。例如：水泵、电动阀、电磁阀的启闭以及变频调速器的控制等。

决策执行层由以下几部分组成。

（1）强弱电隔离与驱动模块。通过光电隔离最大限度地减少现场干扰，特别是变频调速器带来的宽频带干扰，控制变频调速器并提供足够的功率用以推动弱电中间继电器，由中间继电器带动强电交流接触器，启动或关闭水泵、电动阀和电磁阀等。

（2）指令执行设备。包括：变频调速器、水泵、电动阀和电磁阀等。

（二）监控系统的硬件设计

1.硬件结构

监控系统是由一台控制计算机和一台内置单片机的控制总站（置于中央控制室简称“上位机”）以及若干台内置单片机的控制子站（置于机井井房或测控现场简称“下位机”）组成的分布式测控系统。下位机可以分为两级，系统为树形拓扑结构，监控系统典型构成示意图见图2-3。

控制总站（中央控制室）为树形分布结构的中心节点，相当于树的根，根据具体情况，可设在灌区外、灌区边缘和灌区内的任何有效范围内（羊亭河水源联网控制工程的中央控制室设在拦河橡胶坝的泵房内）。树形结构的外节点为各控制子站，控制子站分为两级，一级子站和二级子站，相当于树的枝杈，分布在灌区的各机井处或测控现场。一个控制总站理论上可以带任意多个控制子站，但过多的控制子站将影响系统运行速度。控制总站与一级控制子站的通信采用无线半双工方式进行，一级子站和二级子站采用有线通信方式。

2.电路构成

中央控制室是控制系统的中心，主要包括控制计算机一台、控制总站一台、UPS备用电源、打印机以及外接天线等。系统中央控制室结构示意图见图2-4。

控制总站以单片机为中心，主要包括与中心计算机通信的串口电路，与下位机通信的无线调制解调器和射频收发电路，日历时钟电路和数据存储器，电源供给电路等部分组成，见图2-5。

机井测控现场由控制子站、传感器、强电控制箱和外接天线等部分组成，用于实现现场监控和数据采集，见图2-6。

控制子站以单片机为中心，主要包括与上位机通信的无线调制解调器和射频收发电路，一级、二级下位机通信的485串口电路，A/D转换D/A转换电路，信号调理与光电隔离电路，功率驱动电路，电源供给电路，数据存储器等部分组成，见图2-7。

3.电路设计

电路设计的指导思想是：对于对整体性能影响不大的一般电路设计，是在保证设备性能要求的前提下，以采用低成本、可靠的元器件和成熟的电路为原则，对于对整体性能影响很大的重点电路设计，大胆地尝试采用新技术和新方法，软件能解决的问题决不采用硬件解决，尽可能地采用知名公司研制的最新的集成电路进行设计，取得低成本高性能的整体效果。

系统硬件主要电路设计。

a.微处理器（单片机）

系统采用美国Atmel公司生产的AT89C52微处理器（CPU），AT89C52是一种低功耗、高性能的CMOS 8bit处理器，芯片内包含有8k EPROM存储器和256×8bit RAM，无需外扩程序存储器，8051指令系统。是目前使用量最大、最成熟的单片机系统之一。系统采用效率最高，占用程序存储空间最小的汇编语言编程完成，采用特种加密手段，仿制者无法解密，有利于知识产权的保护。

b.电路设计的抗干扰考虑与技术措施

通常情况下控制系统的测控现场距供电变压器比较远，供电线路通常不规范，截面积小，线路电阻大，因此电压跌落比较大。水泵开关时电流从无到有，变化幅度非常大，电磁干扰非常严重，如果不采取一定的技术措施，系统将无法正常工作。已经采取的措施如下。

（1）软件措施。错开水泵开关与数据采样和数据传输的时间。关键控制字重复写入，软件滤波，软件陷阱，软复位设置等。

（2）硬件措施。设置看门狗电路，光电隔离，加大总线驱动能力等。

除了采取以上普通措施外，还针对多水源联网工程具有大型电机（22kW）和大型变频调速器（22kW）的强力干扰源的特殊情况，采用了特殊设计。已经收到了很好的效果，系统工作稳定可靠。

（三）监控系统的软件设计

1.软件结构上的考虑与设计

目前，预测预报模型等智能系统或决策支持系统与实时监控系统的数据实时交换上，还存在问题，没有一个统一的数据格式和统一接口。数据交换还要靠手工。在监控设计中，提出了一种智能系统与实时监控系统的数据自动交换的方法和通用接口，同时考虑系统的开放性和扩充性，水资源智能监控系统的软件编程，没有像通常控制系统那样将数据库放在主系统中，而是采用专用数据库软件Access另外创建数据库，数据库与主系统的连接采用ADO技术。主系统可以实时写入采集到的运行参数，可以随时访问数据库进行查询、检索和历史趋势图显示。需要更改的环境参数、控制参数均以表格的形式存于数据库中，主系统采用ADO技术实时读出和写入。其主要优点有3个：①充分利用Access功能，减少主系统的程序量。Access作为专用数据库软件功能强大，如果通过编程在主系统中实现其功能，不仅困难，而且将使主系统变得非常庞大，必将影响主系统的运行速度和系统维护。将常用的或实时性强的功能放在主系统中，而将实时性不强的功能例如数据打印，利用Access实现，通过ADO技术为桥梁，实现全部功能。②方便与其他智能系统的连接。控制主程序采用面向对象语言VB编写，优点是编程容易界面友好，例如目前最为强大的智能分析工具MATLAB与VB不相兼容，相互调用非常困难。但MATLAB可以连接Excel数据库，Access和Excel格式可以很容易的相互转换。将主系统采集的现场参数实时存入Access转换成Excel格式供MATLAB提取，MATLAB的分析结果即控制参数存入Excel并转换成Access格式由VB主程序调用，很好地解决了MATLAB与VB不相兼容的难题，功能相互独立，系统维护方便。监控系统的模型预测单元和GIS数据显示单元均为独立编程，采用该种方式与主系统连接互动。③提高了系统的通用性，该系统用于不同的地方，与环境有关的界面中的名称示意图等要作相应的修改，通常情况下要修改主程序，非编程人员很难做到。将需要修改的部分做成Access表格形式，系统开机时自动读入界面，如果需要做某些改动，非编程人员只要用Access打开相应的表格，在Access下做些简单的修改即可，根本不用修改主程序。

2.系统功能模块及功能简介

系统包括6个功能模块：系统参数设置、监测控制、多级安全管理模式、数据管理、模型库以及在线帮助系统。

（1）系统参数设置。根据系统控制模式进行不同的参数设置，包括开关机定时设置、地下水水位允许下限值、允许开采量、土壤含水量和工作压力等参数的设置。这些参数可根据本软件系统地下水位动态预报模型的预报结果进行设置，也可以根据其他区域水资源优化配置模型以及灌溉计划进行设定。

（2）监测控制。包括：工作压力、水位、流量、土壤墒情、现场设备的开关状态等进行实时监测，并显示在总控计算机的屏幕上。重要的被监测参数，比如土壤墒情，除以数值方式显示外，同时还以动态直观的历史趋势曲线的方式或GIS方式进行显示。总控计算机根据预先选择的控制模式将数据信息处理后，形成控制指令通过总站发送给控制子站，控制子站启闭相应的灌溉系统设备。对系统运行中出现的故障进行记录和处理，当系统运行在限量开采方式时，如果水位或累积开采量超过限定值，系统将自动关机并作相应记录。

（3）多级安全管理模式。并对各级操作员操作权限进行了定义和限制，以确保系统安全。

（4）数据管理。包括数据的实时读入，历史数据的检索、查询、打印以及历史数据趋势图显示等功能。

（5）模型库。包括自回归模型、人工神经网络模型及有限元模型、大系统递阶管理模型等。这些模型各有优缺点，可根据不同条件和预测要求，选择相应的模型。

（6）在线帮助系统。提供了控制系统运行、操作及数据管理等功能的在线帮助，帮助系统详细地说明了操作过程中容易出现的问题及具体的解决办法，对于初次接触本系统的基层管理人员，通过在线帮助系统可以很方便地熟悉系统的操作规程。

（四）新型恒压自动化灌溉系统

近年来，随着世界范围内水资源的短缺，充分利用水资源，提高水利用率已越来越成为全人类迫切需要解决的重要问题。恒压灌溉作为一种可广泛应用于大田作物的节水灌溉技术，已在许多国家得到成功应用与推广。在发展中，其设计理论也得到不断完善与更新；设备研制也日益注重对高新技术和新材料的应用以及向节能、多用途目标发展；产品生产的标准化、系列化程度也不断提高。

在灌溉系统中采用调压控制，可以大大提高系统自动化程度及供水对用水的调节能力。近年来，农业生产已经从盲目扩大种植规模追求单位粮食产量，向因地制宜调整农业种植结构，提高现有的水土资源利用率，追求单位效益的效益型农业发展。多种作物、多种种植方式、多种水源及多种灌溉形式并存，使得当前农业灌溉用水情况比以往任何时候都更加复杂，对灌溉系统也提出了更高、更新的要求。在此情况下，大幅度提高灌溉系统整体效率，靠现有的单一灌溉技术已经很难做到。

目前恒压灌溉的恒压方式主要有两种：气压罐调压和变频调速器调压，它们具有各自不同的特点和适用范围。变频调速器调压恒压供水，具有无污染、节能效果好、使用简便、水泵软启动等优点，得到越来越广泛的应用。随着生产规模的扩大，变频调速器调压恒压供水系统的造价已经接近或低于气压罐式调压恒压供水系统，成为恒压灌溉系统的首选。但是变频调速器调压恒压供水系统并不能完全替代气压罐式调压恒压供水系统，变频调速器调压恒压供水系统不具备蓄水功能，对于水源没有保证，且供水又不能间断的场合必须采用气压罐式调压恒压供水系统，例如扦插育苗等。控制系统设计成能够通过气压罐和变频调速器两种方式对系统进行恒压控制，极大地方便了用户根据两种不同恒压方式的性能特点，选择适宜的恒压方式。

灌区水资源智能监控系统用于分布式恒压灌溉的监控是将恒压灌溉技术与自动化技术进行了有机结合，充分考虑了当前农田灌溉特点的一种新型自动化灌溉系统。通过实际应用收到了非常好的效果，达到了促进提高灌溉系统整体效率，提高农田灌溉自动化程度和管理水平的目的。具体见第三节灌区水资源智能监控系统的应用。