农业灌溉智能化解决方案

　1 综合说明

　............................................. 4 1.1 项目概要 ................................................ 4 1.2 项目范围、规模、内容与建设期限

　......................... 5 1.4 效益及经济评价 .......................................... 6 2 项目区基本情况

　........................................ 7 2.1 自然概况 ................................................ 7 2.2 社会经济概况

　........................................... 8 2.3 基础设施概况

　........................................... 9 2.4 智控系统概况 ............................................ 9 3 项目建设的必要性和可行性

　............................. 12 3.1 项目建设背景与依据

　.................................. 1.2 3.2 项目建设的必要性 .................................... 1.4 4 喷微灌智能控制设计依据及目标

　......................... 15 4.1 项目设计依据 ......................................... 15 4.2 项目建设目标 ......................................... 16 5 智控系统设计方案

　..................................... 18 5.1 项目概述 ............................................. 18 5.2 项目建设规模及规划

　.................................. 26 5.3 智控系统功能 ......................................... 27 5.4 项目设计需求 ......................................... 28 5.5 计划建设工期

　........................................ 30 6 施工组织设计

　......................................... 32 6.1 施工管理机构的设立 ................................... 32

　6.2 施工计划 ............................................. 32 6.3 施工要求 ............................................. 33 7 工程管理 .............................................. 36 7.1 组织机构 ............................................. 36 7.2 项目管理制度 ....................................... .3.6 8 投资预算及资金筹措

　................................... 38 8.1 主要编制依据和原则 ................................... 38 8.2 有关费率确定 ....................................... .3.8 8.3 资金筹集 ............................................. 39 8.4 投资预算 ............................................. 39 9 投资方案评价

　......................................... 44 9.1 经济效益分析

　........................................ 44 10.2 社会效益分析

　....................................... 44 10.3 生态效益 ............................................ 44

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　 1 综合说明 1.1 项目概要 1 1.1.1 项目名称 xxx 农场智能化喷微灌工程 2 1.1.2 项目建设单位 xxxxxx 农场 3 1.1.3 项目建设依据 (1) 〈〈中华人民共和国环境保护法》； (2) 〈〈中华人民共和国水土保持法》； (3) 〈〈节水灌溉技术规范》 ( SL207-98 ); (4) 〈〈灌溉与排水工程设计规范》 GB50288-1999; (5) 〈〈微灌工程技术规范》 SL103-95 ; (6) 《微灌工程技术规范》 GB/T50485-2009 ; (7) 〈〈 xxx 水利发展 十二五”规划》 (8) 〈〈 xxx 水利信息化发展十二五”规划》 (9) 国家、省、区颁布的其它有关法律、法规、标准及技术规 范； (10) 〈〈中国电信智能农业系统 - 感知边缘网关 - 技术规范》； (11) 〈〈中国电信智能农业系统 - 感知适配网关 - 技术规范》； (12) 〈〈中国电信智能农业系统 - 感知数据库 - 设计规范》； (13) 〈〈中国电信智能农业系统 - 界面使用 - 设计规范》； (14) 〈〈土壤墒情监测规范》 (15) 〈〈建筑物防雷设计规范》( GB 50057-94 ) (16)

　〈〈通信局(站)

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　 接地设计暂行技术规范() YDJ 26-89 ) (17) 〈〈计算机机房防雷设计规范》( GB 500174-93 ) (18)

　〈〈雷电电磁脉冲的防护》( IEC1312-1 , 2 , 3 ) (19) 〈〈低压电力配电系统的浪涌保护器》( IEC1643-1 ) 1.2 项目范围、规模、内容与建设期限 1 1.2.1 项目范围 本项目工程范围在 xxx 农场，总面积 xxx 亩。

　2 1.2.2 项目内容 在项目区 xxx 亩高效蔬菜水果园区内对 xxx 座水源首部泵站以及 灌溉轮灌组电磁阀、土壤及空气环境参数进行数据采集、设备控制对 灌溉用管路系统进行安装，对灌溉终端喷头、滴灌灌、顶喷管及喷头 等进行安装。具体内容有安装水泵电气控制柜、安装水位、压力传感 器，安装远程水表，安装电磁阀、压力开关、各种传感器、布置控制 电路和通信线路，安装终端控制单元，安装控制室总控计算机，安装 控制范围内容的视频摄像机及其信号、控制、电源线路，安装控制室 视频采集系统，开发整个系统控制程序等。

　3 1.2.3 建设期限 项目建设规划从 xxx 年 xxx 月开始实施， xxx 年 xxx 月完工。

　本工程总投资为 xxxx 万元，其中智控系统材料设备部分投资 xxxx 万元，设备安装费 xxxx 万元 ， 临时工程费用 xxxx 万元，独立费 用 xxxx 元。项目资金 70% 由上级财政补助， xxxx 由用户自筹。

　1.4 效益及经济评价 1 1.4.1 经济效益

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　 根据相关工程经验，工程建成后种植作物可增产 30% 以上；作物 品质得到明显改善，销售价格提高 15% 以上；根据往期工程经验，喷 滴灌工程实施后，每年每亩可节约 5 个工时，按每个工时 100 元计算， xxx 农场智能化喷微灌工程每年可节省 30 万元灌溉费用；相比人工控 制喷灌和微灌的水泵运行、闸阀启闭来说，采用智能控制系统，不仅 节省人工，更主要的是为精确实施作物灌溉模型、为远程控制、为农 作物生长过程中灌溉模型的研究，提供了必要的基础设施，为 xxx 农 场的农业生产向高科技要效益提供了可能。

　2 1.4.2 社会效益 通过项目的建设，可以稳定灌溉面积和大大降低人工灌溉的工作 量，可以促进原有传统、粗放的农业灌溉方式向高效、精确的方向改 变，对推进现代化灌溉和管理科学化，促进传统农业向现代农业转变， 促进地区社会经济健康持续发展具有重要意义。

　3 1.4.3 环境效益 智能控制系统是在喷灌和微灌的基础之上实施的， 它本身不产生 环境垃圾，不对作物、周围环境有影响。通过项目的实施，能够高效、 精确控制整个灌区的作物用水，使水的供给变得合理和科学，用水量 相对减少，渗漏水量相对减少，从而降低了局部地区的地下水位，同 时也使局部地区的地下水、地表水的分布更加合理。灌溉用水量的减 少，可以增加土壤的透气性，有利于作物的生长。同时，节约的一部 分灌溉水量可以用于生态用水，对改善生态环境起着积极的作用。

　综上所述，该项目经济技术可行。

　2 项冃区基本情况 2.1 自然概况

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　 1 2.1.1 地形地貌及土壤 xxx 农场地处丘陵地带，但本项目区地形基本平整。土壤属为黄 化青紫泥水稻土，粘质土， PH 值 6.5 左右，土层深度 70cm 左右，地 下水位不大于 100cm 。

　2 2.1.2 气象概况 本区四季分明，冬夏季长达 4 个月，春秋季仅约 2 个月。若以候 平均气温 10 〜 22 C 为春秋两季、＞ 22 C 为夏季、 V 10 C 为冬季这一标 准划分，一般是 3 月第六候入春， 6 月第一候进夏， 9 月第六候入秋， 11 月第六候入冬。但西部山区冬季比平原要长 1 个月，而夏季则要短 近 2 个月，春、秋季比平原略长 1 旬，是春来迟秋去早。春季天气变 化无常，时冷时热，常有阴雨天气出现；夏季盛行东南风，雨热同步， 宜水稻等作物生长，除局部雷阵雨外，多连续晴热天气，有时还会受 到台风等热带天气系统影响，出现大的降水过程；秋季天气相对凉爽， 但有时也会出现秋老虎，由于常有小股冷空气南下，出现阴雨天气。

　冬季盛行偏北风，较寒冷干燥，但多晴朗天气，光温互补，宜越冬作 物生长。本区主要灾害性天气有台风、暴雨、低温冷害、连阴雨、冰 雹、雷暴、伏旱、寒潮和霜冻等。

　3 2.1.3 水文水资源 项目区东边及西边各有一座水塘， A 区从项目区西边金辉水塘引 水，蓄水位 4m （ 85 国家高程），水塘面积 3800 m2, 储水总量约为 0.8 万方，经测算年来水量为 35.02 万 m3 。

　B 区从东边金日林水塘引水，

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　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 蓄水位 13m ，水塘面积 1850 m2 ,储水量约为 0.4 万方，经测算年来 水量为18.72 万 m3 。金辉水塘水量充沛，且来水量较多，一到下雨天， 水塘水即可蓄满，可作为灌溉用水水源，此外金辉水塘可从河道进行 引水，灌溉保证率 90% 以上；金日林水塘来水量相对较少，为保证水 量，可铺设引水管从金辉水塘引水。工程建成后 A 区用水量为 40.5m3/h ，年用水量为 26.61 万 m3 ； B 区用水量为 40.5m3/h ，年用水 量为 26.61 万 m3 。年总用水量为 53.22 万 m3 ,根据以上数据显示， 满足该项目区灌溉需水量。

　2.2 社会经济概况 1978 年以来，集思广益，勇于开拓，经济建设和社会各项事业硕 果累累。

　1995 年， xxx 跻身于全国农村经济综合实力百强县 （）行列。

　2010年，实现国内生产总值 224.82 亿元，第一、二、三产业增加值 分别达 21.76亿元、 109.95 亿元和 93.11 亿元。全年完成财政一般预 算收入 33.18 亿元。城镇居民人均可支配收入和农村居民人均纯收入 分别达到 28759 元和13543 元。

　2010 年完成农林牧渔业总产值 35.54 亿元，比上年增长 2.1% 。

　粮食作物播种面积 13.11 千公顷，粮食总产量 8.03 万吨。全年水果总 产量8.51 万吨，肉类总产量 2.22 万吨，水产品总产量 11.73 万吨。积 极实施农产品品牌战略，当年新增无公害农产品产地 12 家、无公害 农产品 13 只，新增产地面积 1.75 万亩。续报绿色食品 2 只，有机食 品新增 1 只、保持认证 3 只，建成全国绿色食品原料（雷笋）标准化 生产基地1 家、国家级标准化示范基地 2 只。农产品新增驰名商标 3 只、浙江省名牌产品 1 只、浙江省农业名牌产品 1 只、 xxx 知名商标 1 只。

　新农村建设扎实推进。村庄“示范整治”工程深入实施，农村“经

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　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 济顾问”深入推广，公共财政向农村倾斜。农业产业化经营步伐继续 推进，54 家级农业龙头企业实现产值 27.5 亿元、销售 24.5 亿元、出 口 12.9 亿元；农民组织化程度不断提高，已有 58 家农民专业合作社； 农产品购销组织进一步做强，新成立名特优农产品专卖店 2 家。农民 生产生活条件明显改善。

　2.3 基础设施概况 xxx 农场智能化喷微灌项目实施面积 xxx 亩，种植的都是水果、 蔬菜。基地属于典型的丘陵地带，局部区域坡度较陡，最大高差 30m 。

　灌区附近有县江经过，在项目区内原有水塘，可从河道取水，作灌溉 用水水源。项目区内喷微灌工程已完成，此次项目将对原有喷微灌工 程进行智能化改造。

　2.4 智控系统概况 xxx 农场拟建的灌溉基础设施和生产条件仍使用人工手动控制的 方法，这与提高农业生产效率、提高蔬菜苗木品质、降低生产成本、 总结种植经验等要求有相当大的差距，对建立品种区域种植体系、发 挥新品种展示示范作用、以及对作物种子种苗的研究和应用普及都造 成较大障碍，现有的种植条件已经无法满足现代农业生产要求。为改 变这一现状， xxx 农场计划在进行喷滴灌设施建设后，配套建设先进 的节水灌溉技术、水肥一体化技术、智能化控制等技术。项目范围包 括精品蔬果 xxx 亩。除对水源、管路和灌水器等进行建设外，重点进 行喷微灌智能控制系统的建设。

　本智能控制系统由下列部分组成：

　集中控制室①智控计算机及智能灌溉控制软件②视频监视系统， ③光缆通信及网络系统，④小型自动气象站监测参数传输至计算机；

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　 水源首部的①泵用变频器控制柜，②含有 PLC 模块的智能远程终 端单元 MCU ，③水位、压力、水量等传感器，④水肥一体控制器； 分布于田间的①终端控制单元（ TCU ）,②控制水（肥）流通断 的电磁阀，③判定水压是否正常的压力开关组件； 玻璃温室的①手电一体控制柜，②含有 PLC 模块的智能远程终端 单元 MCU ，③土壤水分、温湿度、光照等室内传感器， 重点部位的视频监视摄像头。

　上述硬件构成满足当前先进的分层分布自控体系要求， 具有良好 的硬件扩展性和软件功能扩展性。

　本智能控制系统实现下列功能：

　能基于泵房 MCU （远程控制单元）操作台简便自控灌溉过程， 能基于 PLC 的 HMI （人机界面）预置多变量条件实现自动灌溉，能 基于计算机全功能软件实现不同灌溉模式下的智能控制； 能采集、记录（存储）、查询、打印系统中的各个参量：土壤墒 情、水位、管压、流量、气温、地温、降雨量、蒸发量、光照、风速、 风向等； 能对重点部位进行视频监视、录像； 对于智控系统和视频系统，均支持局域网授权访问和控制以及广 域网授权访问。

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　 2.5 方案结构图 F2164

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　 3 项冃建设的必要性和可行性 3.1 项目建设背景与依据 1 3.1.1 建设背景 中共中央、国务院〈〈关于加快推进农业科技创新持续增强农产品 供给保障能力的若干意见》中强调，水利建设的重点就是充分完成农 田节水灌溉基础设施建设，对于农田灌溉发展提出了明确的要求。

　农田水利设施薄弱是制约 xxx 农业可持续发展的主要瓶颈之一。

　xxx政府办公厅发出〈〈关于加快农田水利设施建设的通知》，要求把农 田水利作为农村基础设施建设的重点任务，到 2015 年，基本建成较 为完善的农田水利设施配套体系。通知指出，农田水利设施建设要以 农业 两区”建设为重点，以建设旱涝保收高标准农田和高效节水灌溉 为核心，整体规划、规模推进，洪涝旱渍综合治理，提高农田水利现 代化水平。

　通知强调，要大力推广高效节水灌溉工程，以北部都农业区和南 部生态农业区、农业科技示范园区中集中连片的种植区为重点，新增 喷微灌设施面积 25 万亩，逐步推广低压管道灌溉技术，新增受益面 积 10 万亩。

　另一方面，由于受国民经济、农业用水传统观念等因素的影响， 我国在节水灌溉智能控制方面的研究起步相对较晚， 目前几乎处于起 步阶段，灌区基础自动化设备普遍短缺、综合自动化管理水平较低。

　我国现代灌区中所拥有的节水灌溉自动化系统基本都是在引进和消 化外来技术的基础上形成的。

　1990 年代，现场数据采集和设备控制的 硬件主要

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　 以单片机为主，数据传输方式以有线方式为主，软件以采用

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　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 汇编语言、高级语言自行开发为主。

　2000 年代以来，与节水灌溉相关 的传感器技术、微喷灌设备技术进步较快，同时 PLC 的应用，组态软 件的应用，GPRS ZigBee 、 3G 等最新通信技术的应用都取得了一定 的成果。国外方面，总体上比我国要早 10 〜 20 年的时间，而且国外 技术的特点是在具有先进性的同时，强调实用性和可靠性。美国早在 20 世纪 90 年代就开发出第一套灌溉控制器，以土壤中水分作为整个 控制系统的控制对象。

　1990 年， Fangmeier 等人在总结红外线热电偶 在其它工程中的应用特征后，成功将其引入到自动化灌溉控制领域， 形成了以红外线热电偶测灌区土壤温度，并与空气湿度计、土壤湿度 传感器等相互配合，构筑了一整套完善的自动化灌溉控制系统。在美 国一些管理水平较高的灌区中，已经做到了将土壤墒情与灌区灌水、 降雨等因素相结合，实现了取水、输水、配水、用水等过程的统一调 度、优化配水的灌溉全过程自动化管理。日本几乎所有灌区管理均实 现了全过程自动化动态管理，整个节水灌溉系统采用分层分布式结 构，以计算机为核心，并通过无线通讯功能单元构筑了集遥测、 遥控、 遥信等功能为一体的节水灌溉自动化管理系统， 实现对灌区水资源的 分散检测和集中控制调度等功能。

　以色列是微灌技术发展最为典型的 国家，以色列农业工作人员在家里就可以通过电脑实现对农场的全程 监督管理，不仅可以通过操作家用电脑上相关“电子软按钮”实现对 灌溉间隔时间、灌溉水量等的远程调控，同时还可以根据历史灌溉数 据分析，获得较为灵活、准确、实时快捷的灌溉方案。

　在此背景下， xxx 农场拟在微喷灌工程的基础上，建设智能灌溉 控制系统，总体项目拟于 2016 年 9 月开始实施， 2016 年 12 月完工。

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　 3.2 项目建设的必要性 1 3.2.1 必要性 在水资源日益短缺的情况下，采用现代节水灌溉技术改造传统灌 溉农业，实现适时适量的 精细灌溉”等灌溉方式是节约水资源、提高 水资源利用率和发展现代设施农业的一条有效途径。

　现下土地价格越来越高，种植的物种也越来越丰富，以水果瓜蔬 花卉苗木等经济作物为主，而这些作物的生长对水、肥等有更迫切的 精确灌溉需求。另一方面，最近几年来人工成本上涨较快，如果不能 通过自动化、智能化的手段减少用工人数，那么所生产的产品成本就 不会有较好的价格竞争力。

　在喷微灌项目的基础上建设智能灌溉控制系统， 对于高效、科学、 精确地保证项目区节水灌溉的质量，对改善农业生产条件、巩固农业 基础地位，增加农民收入，改善生态环境，提咼人民生活质量，促进 社会主义新农村建设，作用明显，也是十分必要的。

　2 3.2.2 可行性 xxx 政府对水利工作常抓不懈，尤其对开展农田水利建设、开展 节水灌溉非常重视，通过积极筹措配套资金，对节水工作给予极大的 支持。项目规划经深入调查、反复论证，合理准确，符合当地条件， 也符合立项原则，可操作性强，便于实施。

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　 4 喷微灌智能控制设计依据及冃标 4.1 项目设计依据 (1) 〈〈中华人民共和国环境保护法》； (2) 〈〈中华人民共和国水土保持法》； (3) 〈〈节水灌溉技术规范》 ( SL207-98 ); (4) 〈〈灌溉与排水工程设计规范》 GB50288-1999; (5) 〈〈微灌工程技术规范》 SL103-95 ; (6) 《微灌工程技术规范》 GB/T50485-2009 ; (7) 〈〈 xxx 水利发展 十二五”规划》 (8) 〈〈 xxx 水利信息化发展十二五”规划》 (9) 国家、省、区颁布的其它有关法律、法规、标准及技术规 范；

　4.2 项目建设目标 (10) 〈〈中国电信智能农业系统 (11) 〈〈中国电信智能农业系统 (12) 〈〈中国电信智能农业系统 (13) 〈〈中国电信智能农业系统 (14) 〈〈土壤墒情监测规范》 (15) 〈〈建筑物防雷设计规范》 - 感知边缘网关 - 技术规范》； - 感知适配网关 - 技术规范》； - 感知数据库 - 设计规范》； - 界面使用 - 设计规范》； (GB 50057-94 ) 〈〈通信局(站)接地设计暂行技术规范() YDJ 26-89 ) 〈〈计算机机房防雷设计规范》( GB 500174-93 ) 〈〈雷电电磁脉冲的防护》( IEC1312-1 , 2 , 3 ) 〈〈低压电力配电系统的浪涌保护器》( IEC1643-1 )

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　 经济作物在生长过程中对水分灌溉和水肥一体灌溉有着较高的 要求，不仅要适时，还要适量，对土壤肥力的补充也要根据土壤养分 的缺失情况。这些要求需要通过传感器技术、通信技术、控制技术、 计算机技术、作物种植技术等的综合运用，才能加以解决。同时，在 对优质果蔬品种进行种植的过程中，不断总结出先进、实用的节水灌 溉智能控制技术，进而为今后推广果蔬种植技术提供适用高效的灌溉 配套技术，具有十分重要的意义。近年来，各行各业的生产成本中， 人力成本的上升特别快，如果在果蔬生产过程中不能尽可能地减低劳 力成本，那么生产出的产品就不易具备好的竞争力。使用智能控制的 灌溉技术，不仅节水省电，而且大大节省劳动力，降低生产成本。另 一方面，通过科学方法把控好果蔬的灌溉时、量、性，可以提高产品 的品质，进而提高经济效益。

　项目建设总目标以智能自动化灌溉为重点， 通过对项目区先进灌 溉设施的配套建设，改善项目区水环境、土壤养分环境，使项目区果 蔬生产和研究过程中的灌溉实现远程智能化操作。具体建设目标为：

　（ 1 ）

　通过远程可控的水源建设，为整个农庄的优质高效水果种植 提供适合于微喷灌的水源； （ 2 ）

　通过水肥一体控制技术的实施应用，为水果种植提供精准的 施肥技术措施； （ 3 ）

　通过分层分布式控制系统结构的建设，实现分散的电磁阀的 即接即用功能，为本项目智能控制技术在其它项目的推广应用提供技 术保障； （ 4 ）

　通过将网络技术应用于节水灌溉领域，为远程控制灌溉找到 一种实用可行的控制方法;(5) 提高智能灌溉自动化信息化水平； (6) 促进农业生产从人工经验转型精准智能种植； (7) 为 xxx 地区水果生产过程中的水分灌溉和水肥一体灌溉提供 可

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　 复制的样板； (8) 为行政管理部分加大智能节水灌溉配套政策体系和智能农业 体系推广力度摸索经验。

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　 5 智控系统设计方案 5.1 项目概述 xxx 农场智能化喷微灌实施受益面积 xxx 亩。项目范围内设计有 1 座水源首部泵站，要求通过对空气环境温度、空气环境湿度、光照、 土壤墒情、土壤温度的监测，依据水果品种生长过程中对水、肥的不 同需求，对水泵和电磁阀进行自动控制，以实现方便、实用、高效、 智能的灌溉目标。

　智能节水灌溉控制主要根据作物灌溉模型，在实时监测土壤及空 气环境的相关数据条件下，通过对水泵和管路电磁阀的自动控制来实 现。水泵位于水源首部，考虑到水泵对整个智能灌溉的重要性，并按 照分层分布式网络结构的要求，在泵房布置以 PLC 为核心的现地控制 层。该层不仅控制水泵启停、对水泵运行的状态进行监测，而且一方 面和田间地头的终端控制单元（ TCU ）进行通信，收集各个田块的土 壤和空气环境数据，控制管路电磁阀的启停。另一方面和上位工控机 进行通信，将现场数据发送给上位机，同时接收上位机的控制指令。

　整个智控系统的网络架构体现分层分布的控制思想， 包括远程决 策层、集中控制层、现地控制层和终端控制层。集中控制层是整个系 统的核心所在，该层设置有主控计算机和网络交换设备，用来实现作 为远程决策层服务器的功能，以及与现地控制层的通信功能。复杂的 智能灌溉控制功能都在集中控制层实现。现地控制层以水源泵房为载 体，该层既要接收上位机（集中控制层）的控制参数和指令，又要与 终端控制层的智能模块进行通信，采集现场的压力、土壤和空气、光 照数据，控制电磁阀的通断。现地控制层的核心设备是可编程序控制 器（ PLC ）。终端控制层是采集数据和控制电磁阀的最终执行层， 其核 心设备是智能数据采集模块和智能开关量输出模块。

　在各层之间的通

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　 信方式可根据不同的现场情况，按照可靠、经济、维护性好的原则加 以选择。在本项目中，为了保证控制系统的可靠性，节约建设和运行 维护资金，在集中控制层与现地控制层之间采用光缆进行以太网通 信，在现地控制层（ MCU ）与终端控制层（ TCU ）之间采取 RS485 通信技术（含光缆通信）。

　作物生长环境数据采集 作物生长环境数据主要包括土壤水分、土壤温度、土壤电导率、 土壤各养分、空气温度、空气湿度、光照强度、风向、风速等，尽管 这些数据在作物灌溉模型中均作为条件参量，但作为实用和先进相结 合的智能灌溉系统，土壤含水率是最为重要的参数。

　①土壤水分传感器 水分是决定土壤介电常数的主要因素。测量土壤的介电常数，能 直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量。

　土壤水分传感器可测量土 壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行 的土壤水分测量方法。

　土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成遥测系统。配 合一些附加的传感器，可以计算出土壤水分蒸发量和农作物所需的水 分参数。

　3 个灌溉表技术 （ 蒸发量，作物水胁迫指数 CWSI 和土壤水分 ）

　的综合应用可以提供农作物适宜生长的最大的保证。

　土壤水分传感器的一般性能指标如下 测量参数：土壤容积含水量 单位：

　% （ m3 /m 3 ）

　量 程：

　0 ~ 100% （ m3 /m 3 ）

　精 度：

　0 〜 50% （ m3 /m 3 ）范围内为士 2% （ m 3 /m 3 ）

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　 测量区域：

　90% 的影响在围绕中央探针的直径 3cm 、长为 6cm 的 圆柱体内 稳定时间：通电后约 1 秒 响应时间：响应在 1 秒内进入稳态过程 工作电压：电流输出的为 12V - 24V DC ，电压输出的为 5V DC 工作电流：

　50 ~ 70mA ，典型值 50 mA 输出信号：电流输出为 4 ~ 20mA 标准电流环，电压输出为 0~2.5V DC 密封材料：

　ABS 工程塑料 探针材料：不锈钢或铜 电缆长度：标准长度 5m 测量距离：小于 1000 米 土壤水分传感器的其它特点：

　a. 高稳定性，安装维护操作简便； b .支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证； c .密封性好，可 长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀； d .采用标准的电流环传送技术 使其具有抗干扰能力强，传送距离远，测量精度高，响应速度快； e 土 质影响较小，应用地区广泛，价格低廉，适合中国国情。

　②全自动气象观测站（八要素）

　用于观测降水、温度、风等侵蚀动力要素；观测气象要素包括观 测风向、风速、温度、湿度、蒸发、降水（过程）、辐射、地温。

　系 统配有线（标准 RS232/RS485 + 无线（ GSM 网接口），两路通讯接

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　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 口实时传送采集数据；采用 GSM 网通讯技术，不受距离限制，数据 传输可靠。

　各观测量技术指标如下：

　A 、 环境温度：通道数：

　1 路；测量范围 ：-50 〜 80 C; 测量精度 ：

　士 0.2 C;分辨率 :0.1 C; B 、 环境湿度：通道数：

　1 路；测量范围：

　0 〜 100% ;测量精度：

　± 2%RH ;分辨率 ：0.1%RH ; C 、 风速：通道数：

　1 路；测量范围：

　0 〜 70 米 / 秒；测量精度：( 0.3 ± 0.03v )米 / 秒；分辨率：

　0.1 米 / 秒；启动风速：

　0.3 米 / 秒； D 、 风向：通道数：

　1 路；测量范围：

　0 〜 xxx ° ;测量精度：士 3 °; 分辨率：

　2.5 °;启动风速：

　0.3 米 / 秒； E 、 降水量：通道数：

　1 路；测量范围：

　0 〜 999.9mm; 测量精度：

　± 0.3mm ;分辨率：

　0.1mm ; F 、 总辐射：通道数：

　1 路；测量范围：

　0~1400 W/m2 ;测量精度：

　1 W/m2 ;分辨率：士 5% ; G 、 蒸发量：通道数：

　1 路；测量范围：

　0~100mm ;测量精度：

　0.1mm ;分辨率：士 1.5% ; H 、 地温：通道数：

　1 路；测量范围：

　-50~+80 C ； 测量精度：

　0.1 C ；

　分辨率：士 0.5 C 。

　本方案中使用专业的多路模拟量测量仪表来测量土壤含水量和 其它以模拟信号输出的传感器信号，然后由仪表与 PLC 进行通信将数 据传送至 PLC 。对于可以通信方式进行传输的参数，可直接与 PLC 进行通信。在现地控制层，可根据土壤含水量的设定值对作物进行自

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　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 动灌溉。

　GPR 酮络 GPRS 是一种新的 GSM 数据业务，它可以给移动用户提供无线 分组数据接入股务。

　GPRS 主要是在移动用户和远端的数据网络（如 支持 TCP/IP 、X.25 等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提 供高速无线 IP 和无线 X.25 业务。

　GPRS 是通用分组无线服务的简称，它通过利用 GSM 网络中未 使用的 TDMA 信道，提供中速的数据传递。

　GPRS 突破了 GSM 网只 能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的 基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并 不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行 无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。

　GPRS 分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一 定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志 指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立 连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的 地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种 传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系， 信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。

　使用 GPRS 网络技术的落脚点通常在 DTU （数据终端单元）上， 国内有许多公司都生产支持 GPRS 技术的 DTU ，它们共有的技术特性 是：精选工业级器件，能够满足恶劣环境应用需求；支持动态 IP 地 址数据中心 DNS 域名寻址；支持固定 IP 地址数据中心；能实现点对 点、数据中心对多点的数据传输，时间延迟一般小于 Is ;内嵌 PPP TCP/IP 、 UDP/IP 标准协议；永远在线和多种触发上线模式，按数据 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 流

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　 量计费；提供完整地数据中心服务程序，可实现数据透明传输；提 供函数开发包，便于二次开发。

　信息发布 信息发布的渠道采用常规的 Internet ，这样无论是有线终端还是无 线终端（例如智能手机），都可以通过 Internet 访问智能灌溉系统。不 过系统可以通过设定权限来限制无关人员的访问， 而且通常情况下不 开放操作权限以保证系统的安全性。通过智能终端，可以方便地获得 空气温度、湿度和土壤的温度、湿度等信息，农业生产人员可以及时 掌握农作物的生产环境，避免因为自然环境的变化给农作物带来不利 的生长环境，也不会因为智能农业人员不在现场而得不到及时信息， 也为农业专家的远程指导提供方便的数据获得渠道。

　1 5.1.1 传感数据采集方式 由于灌溉面积较大，各参数传感器的分布较为分散，加之有些数 据采集现场的地形地貌相对比较复杂、综合布线难度大等，在数据采 集方式上采用分布式采集，集中式传送的方法。在具有代表性的作物 种植区域布置土壤水分传感器，土壤温度传感器、土壤电导率传感器、 空气温度、空气湿度、光照度等传感器，将这些传感器输出信号接入 到附近终端控制单元中的多路模拟量采集仪表， 再由仪表的通信接口 与 PLC 通信，将数据传送到 PLC 。每个 PLC 将从智能仪表读到的数 据再通过光缆组成的局域网传送到上位机。

　由于上位机（集中控制层）

　与现场PLC （现地控制层）之间可以通过无线方式通信或通过光缆通 信，所以整个系统理论上支持无限扩展，只需要一台上位机就能够控 制任意多个现场灌溉区域。

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 25 页

　 2 5.1.2 数据传输网络结构 本智能灌溉系统从数据传输结构上采用先进的三层架构模式， 即 数据采集层、数据集中层和数据应用层，如下图：

　农业专家 远程指导 数据应用层 数据传输层 数据采集层 数据采集 智能控制 数据采集层 数据采集层主要对现场农作物生长环境，包括土壤水分、电导率、 养分、空气温度、湿度、光照等，通过各自的传感器进行数据 转换，通常以电流型模拟量形式输出，或者以串行数字量形式 采集方式通常为周期性自动采集，采集周期可根据用户要求设 数据传输层 根据采集数据输出的形式不同，数据的传输也采取不同的方法。

　对于电流型模拟量输出的数据，通常由屏蔽双绞线传输到多路模拟量 采集仪表，经过仪表的数字化之后再由仪表与 PLC 通信将数据传输给 PLC 。对于已经将生长环境数据采集后数字化并可通过标准协议通信 的数据，直接由 PLC 来读取这些参数即可。从 PLC 到智控系统上位音能农业 现场处理 湿度、 测量、 输出, ^定 O

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 26 页

　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 机的数据传输，对规模小的系统仍采用有线的光缆进行传输，对于大 规模的系统，还是采用 GPRS 网络进行传输比较经济。

　数据应用层 包括上位机对数据的处理应用以及通过局域网和 Internet 访问这 些数据的其它计算机应用。在 PLC 现场控制层，透过 HMI （人机界 面）可以看到采集到的全部数据，可以根据这些数据和灌溉模型进行 智能控制，还可以进行报警。在上位机的应用程序中，可以存储、显 示、查询、打印、发布这些数据，可以运用灌溉模型实现完整的智能 控制。还可以对这些数据进行分析，为研究果蔬品种的灌溉模式提供 基础数据。

　3 5.1.3 设计原则 先进性 采用先进的系统架构体系和基于 PLC 模组、智控计算机及其先进 的控制算法，并采用光缆通信技术、以太网通行技术，做到配置和技 术应用的先进； 经济、实用性 微喷灌工程的智能监控系统应以实用性为原则，充分利用传感技 术、现代化信息技术、移动通讯技术，在系统整体设计、硬件软件选 型时结合企业现有系统实际情况，确定合理、高性价比的建设方案； 开放、可扩展性 软件、硬件平台均采用模块化设计与开发，具有良好的可扩充、 扩展能力，能够非常方便地进行系统升级和更新，以适应今后业务的 不断发展，并提供与其它系统的数据接口；

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　 易于管理维护 由于主干网和数据通讯多采用以太网通讯技术和成熟稳定的公 网通讯技术，减少了复杂的人工布线和管理单位的自行维护，方便了 使用单位的技术管理。

　基于上述设计原则，整个系统的硬件组成框图如附图 A 。

　5.2 项目建设规模及规划 本项目涉及 400 亩精品蔬果微喷灌工程的智能控制系统建设。

　系 统包括集中控制室的上位机系统一套、 泵房现地控制台（含 PLC 及其 人机界面触摸屏）

　1 套、视频监控系统一套、现场终端控制单元（ TCU ）

　12 套，电磁阀和压力开关 82 套等。

　泵房的现地控制台（ MCU ，以 PLC 为核心），用于控制水泵的运 行、采集水泵运行的数据、采集土壤和空气环境数据、控制电磁阀运 行，与上位机之间交换数据。该控制台设置有手动控制模式，可以方 便管理人员进行简单的自动灌溉操作。泵房的 MCU 控制 12 个终端控 制单元 TCU ，可以对全部 400 亩园区的喷灌、滴灌和顶喷分别进行控 制。

　微灌工程的水源首部中除水泵机组外，还有微灌水源的过滤系 统、水肥一体化系统等。过滤系统包括自动反冲洗的沙石过滤器、白 动反冲洗的叠片式过滤器、以及网式过滤器。水肥一体化系统包括配 肥容器和比例施肥器。

　智能控制系统的计算机集中控制部分位于管理房内，它包括智控 显示屏、 PLC 模组、智控计算机、系统运行模拟屏等。计算机用于实 现整个系统的全部功能。位于泵房的泵用 MCU 是集中控制室智控计 算机远程控制水泵运行、水肥一体灌溉的终端单元。分布于现场的阀

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 28 页

　 农业灌溉解智能化决方案 V3.0 用TCU （终端控制单元）不仅直接控制分布于各个分支管路上的先导 式电磁阀，而且采集分布于田间的各种传感器（土壤墒情、气温、地 温、光照、辐射等）的信号，这些设备之间通过电源线、信号线、控 制线相连。

　5.3 智控系统功能 本工程智控系统以先进、实用、可靠为研发原则，具有下述功能：

　1）

　可以根据不同作物的灌溉模型实施智能自动灌溉； 2）

　可以根据土壤墒情进行自动灌溉； 3）

　可以定时自动灌溉； 4）

　系统既可以纯手动操作，又可以通过 PLC 的人机界面（ HMI ）

　操作，还可以在电脑上实现全功能的操作； 5）

　可以监测环境和系统工况变量，获得水位、管压、流量、气 温、地温、土壤含水量、降雨量（棚内不需要）、蒸发量、 光照等监测数据，并在电脑上以图表形式显示、记录、查询; 6）

　可以自动记录每次灌溉的数据并进行打印、传输； 7）

　根据在电脑中设定的不同阶段施肥量， 根据时间或流量控制 比例施肥器工作。

　8）

　可以在集控室观看现场视频，在具备上网的条件下可远程查 看现场视频； 9）

　可在集控室模拟屏上形象而方便地手动操作整个灌溉控制 系统，方便一般管理人员进行管理、操作； 10）

　预留利用智能手机观看现场视频和对灌溉系统进行控制的 接口。

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　 5.4 项目设计需求 1 5.4.1 泵房控制需求 开关量输入：

　1. 动力电有无的状态（断路器下端有无电）， 1 路 DI ； 2. 接触器状态（变频器动力电源控制开关状态）， 1 路 DI ； 3. 压力开关状态（泵房管路出口压力是否已经到预定值）， 1 路 DI ； 开关量输出：

　1. 接触器通、断控制， 2 路 DO ； 2. 变频器启动、停止控制， 1 路 DO ; 模拟量输入：

　1. 进水池水位传感器输入， 1 路； 2. 肥料罐水位传感器输入， 1 路； 3. 泵房管路出口压力传感器输入， 1 路； 通信量输入：

　1. 动力进线电压输入； 2. 电机电流输入； 3. 与各个 TCU 通信的输入； 人机界面：

　1. 触摸屏 Smart1000; 手动方式：

　1. 每个轮灌组对应一个带锁按钮开关， 某个轮灌组被选中时，由 PLC 控制的红灯点亮；开始灌溉时，该红灯熄灭，由 PLC 控 制的绿灯闪烁；灌溉完成时绿灯常亮；每个轮灌组需要 PLC

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 30 页

　 的 2 个 DO 点 2. 每个轮灌组灌溉一次的时间由三档旋钮开关选择；需要 PLC 的 3个 DI 点 3. 有一个“开始 / 结束”、一个“暂停 / 继续”带锁带指示灯按钮； 需要 PLC 的 2 个 DI 点、 2 个 DO 点； 4. 有一个故障指示灯；需要 PLC 的 1 个 DO 点； 与上位机通信：

　1. 使用以太网通信，与控制室之间用光缆连接；视频也通过光缆 传输； 与本项目对应的泵房现地控制单元的电路图见附图。

　2 5.4.2 玻璃温室控制 U MCU 需求 玻璃温室控制 MCU 安装于温室需要与玻璃温室内部。温室远程 智能化控制系统以实现对温室的监视、控制为主要功能，并对温室环 境信息不间断采集、整理、统计、制图。软件系统分为两部分，第一 部分为现场完全控制版本，操作管理人员可以通过本系统查看，设定 和控制温室内的各项参数和设备。第二部分为远程控制系统，实现远 程查看数据设定参数的功能。

　人机界面：触摸屏 Smart1000; 3 5.4.3 终端控制单元需求 数据采集 1. 土壤水分 2 路、光照强度 1 路、室外温湿度各 1 路 2. 电磁阀出口管路压力开关信号 2 路，该模块可以通过 RS485 与泵房远程控制单元 MU1 通信，实现开关量输入到 PLC 的目 的； 3. 控制 2 路电磁阀通断的模块，该模块可以通过 RS485 与泵房 远程控制单元 MU1 通信，实现开关量输入到 PLC 的目的； 4.

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 31 页

　 5.5 计划建设工期 根据项目实际情况以及有关文件要求，确定项目建设进度和工 期。项目待方案批准后即开始组织实施。项目计划在 2016 年 9 月施 工。

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0

　 工作内容 第 1 周 第 2 周 第 3 周 第 4 周 第 5 周 第 6 周 第 7 周 第 8 周 第 9 周 第 10 周 第 11 周 第 12 周 第 13 周 第 14 周 第 15 周 施工图设计 • •

　微灌部分材料采购

　 • • • •

　智控部分材料采购

　 • • • •

　智控部分集成组装

　• • •

　PLC 程序设计

　 • • • •

　触摸屏程序设计

　 • • •

　 上位机程序设计

　 • • • •

　到现场前联调程序

　 • •

　微灌部分现场施工

　• • • •

　 智控部分现场施工

　 • • • •

　现场全面联调

　 • • •

　第 31 页

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 33 页

　 6 施工组织设计 6.1 施工管理机构的设立 xxx 农场设立由农场组长的项目建设领导小组，下设财务小组、 权属调整小组、施工小组、技术小组、监督小组，其任务负责工程设 计招标、施工、监理、验收、资金和物资使用以及项目组织协调等工 作。权属领导小组对项目建设工作中可能产生的土地权属纠纷问题负 责协商解决。

　建立项目法人负责制，以 xxx 农场为项目业主单位。

　6.2 施工计划 （一）

　施工交通运输 利用现有的村公路能够满足施工所需要的建筑材料和机械设备 运输到项目区。

　（二）

　施工总体布置 承接项目单位首先成立该课题项目小组，由技术负责人、质量保 证体系贯标人、现场施工负责人共同组建，其中技术负责人为项目组 长。同时设置项目小组，包括技术部、质量管控部、现场施工管理部， 整个工作由技术部负责人总负责。

　根据上述建设工期计划，进一步编排项目详细进度表。

　（三）

　施工总进度 项目计划总工期为 4 个月，从 2016 年 9 月着开始实施，至 2016 年12 月底完工。工程进度应与资金计划同步。

　6.3 施工要求 6.3.1 1 工程施工 现场施工的顺序是先安装电磁阀，安装终端控制单元（ TCU ）、

　农业灌溉解智能化决方案 V3.0 第 34 页

　 安装远程控制单元（ MCU ）,安装传感器，安装集控室设备，之后从 下层向上层逐级进行调试，最后对整个系统进行联调。

　（ 1 ）

　电磁阀安装 电磁阀与灌溉干管、灌溉支管的连接均采用 PE 热熔接施工工艺， 为提高电磁阀寿命，要求电磁阀安装高程必需高于地面 30cm ，并且 使用防雨罩来防晒防雨。为便于今后的维修保养，电磁阀与灌溉管路 之间要设置活节。电磁阀的现场安装必须与灌溉管道敷设、控制信号 电缆敷设同步进行。

　（ 2 ）

　终端控制单元（ TCU ）安装 TCU 工作时需要防雨，所以在安装 TCU 之前应先修建密闭但通 风的遮雨棚，该棚不仅需要给 TCU 挡雨，而且也具有防盗功能。该 棚的大小以能安装下 TCU 为准。

　TCU 与其所控制的电磁阀之间需要 布设控制线，有关传感器的信号线也需要进入 TCU 。在修建密闭遮雨 棚时要考虑电气线路的进出。

　（ 3 ）

　泵房现地控制单元（ MCU ）的安装 MCU 安装于水源首部的泵房，需要与变频器控制箱、水位、压 力、水量传感器一同安装。为方便操作，一般直接将 MCU 和控制箱 合并成现场控制台。水位传感器采用投入式压力传感器，安装时需加 镀锌管护套。其信号线也需用镀锌管护套。压力传感器安装于水泵出 口和过滤器出口，应考虑便于今后拆卸维护。

　（ 4 ）

　玻璃温室控制单元（ MCU ）的安装 MCU 安装于温室需要与玻璃温室内部。

　MCU 连接温湿度、土壤 水分、小型气象站等传感器，并对继电器控制柜进行控制。可水墙、 风机、遮阳。

　（ 5 ）

　集控室安装

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　 操作台是智控计算机的安装平台，通常选择安装在集控室的中间 位置。集控台还是控制电源、视频电源的控制源。

　为了使得集控室简洁，可以使用大规格的液晶电视机作为智控显 示器和视频显示器。

　（ 6 ）

　调试 调试时先仔细检查系统的电气连线， 在确保接线无误的前提下开 始调试。先从电磁阀与终端控制单元（ TCU ）的控制关系开始调试， 遇到问题就在这一层将问题解决。

　在在远程控制单元（ MCU ）与 TCU 之间进行调试之前，需要调试 MCU 与水泵机组之间的控制关系。最 后连上智控计算机进行全面调试。

　视频监控系统需在仔细检查信号线路、电源线路、控制线路接线 正确无误的情况下通电，然后根据现场的实际情况调整摄像机的指 向、镜头的焦距等。对硬盘录像机的录像方式和局域网、广域网访问 方式也需要进行设置。

　2 6.3.2 管道冲洗和系统试运行 1 、一般规定。在管槽回填之前，应对管道进行冲洗和系统试运 行。冲洗和试运行完成后应编写冲洗和试运行总结报告。试运行使用 的压力表精度应不低于 2.5 级。冲洗和试运行之前应做好下列准备工 作 ：

　⑴ 仪器、设备配套完好，操作灵活。

　⑵ 检查微灌工程，使设计状况和首部枢纽处于完好状态，阀门 开关灵活，进排气装置通畅。

　⑶ 检查管道铺设状况，接头和阀门等处应显露，并应能观察和 测量漏水情况。

　2 、 管道冲洗。管道冲洗应由上至下逐级进行， 支 管 和 毛 管 应 按

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　 轮灌组冲洗。管道冲洗的步骤与要求是 ：

　⑴ 应先打开枢纽总控制阀和...