论文部分内容阅读
摘要：为本项目是水稻本田现代化管理系统。它是利用现代科技手段，实现水稻本田全生育期叶龄、水层、肥料、水温、防病、防虫、水循环综合利用的自动化、智能化监控管理。用信息化、现代化的技术手段，自动化、智能化、精细化的管理手段，实现水稻本田全生育期标准化生产。实现了节约资源，降低成本，增产、增效、提升科技农业，标准农业，信息农业，生态农业，观光农业，效益农业以及可持续发展的现代化农业水平。
关键词：本田现代化管理：虫情监测：PLC：远程调控节水灌溉：生长影像
0 引言
随着信息技术和网络技术的发展，将来的有害生物监测预警工作，包括发生数据的采集、传输、处理、情报发布，以及信息咨询服务和会商防控指挥等，都必须借助计算机网络平台来完成。数字化和信息化建设将成为今后有害生物监测预警能力建设的永恒主题和长期任务[1]。节水节能的灌溉方式是当今世界供水技术发展的总趋势，中国水资源短缺，因此实现田间节水灌溉对实现精确农业具有重要意义[2]。节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根本途径，其核心是提高用水效率和效益。
水稻本田现代化管理系统的目标是利用现代科技手段，实现水稻本田全生育期叶龄、水层、肥料、水温、防病、防虫、水循环综合利用的自动化、智能化监控管理。水稻本田现代化管理系统的建立以国家政策为先导，实现了节约资源，降低成本，增产、增效、提升科技农业，标准农业，信息农业，生态农业，观光农业，效益农业以及可持续发展的现代化农业水平，旨在服务精确农业，加快全国现代化大农业前进步伐。
1 国内外研究现状
已见水稻晒水池、渠系、本田、农用机井、农业机械列为一个整体系统来研究的文献报道[3]；已见水稻本田控制节水灌溉技术相关的研究文献报道[4-6]；已见关于水稻全生长时期的环境因素进行监控的研究文献报道[7-9]。已见建立水稻本田生育模型进行科学管理研究的文献报道[10]。未见本课题的水稻本田主渠监测系统、灌溉控制系统、环境监测系统、园区气象监测系统、生长影像监测系统、远程通信与移动终端系统和监控中心等几方面的水稻本田现代化管理系统的研究。
2 系统研究内容
该项目是在胜利农场第六作业区老高地块建设一套水稻本田现代化管理系统，建设一套控制面积为400亩的自动监控系统，主要包括主渠监测系统、格田灌溉控制系统、格田环境监测系统、园区气象监测系统、生长影像监测系统、远程通信与移动终端系统和监控中心几个部分。系统具体分为科学综合用水、田间标准规划、智能灌溉、全程监控、集成控制中心五大系统。
2.1 科学综合用水
做到早春截留桃花水，充分利用天降水、科学利用循环水、合理开发地下水，提高水资源的利用。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水需肥规律等方面统一考虑，做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。
2.2 田间标准规划
本田规格化，长宽为90*90平方米，配备水位计、流量计、自动阀门、气象监测仪器、摄像头等。便于水稻品种试验、栽培技术试验、灌溉技术试验、施肥方案试验、病虫害防治试验等各种水稻田间试验。通过监测田间的风向、风速、温度、湿度、露点、气压、雨量、太阳辐射、光合有效辐射、水面蒸发、水温、水量、水深、泥温、植株高度、叶片数、分蘖及病虫害等情况，为农场水稻生长提供决策支持信息。
2.3 智能灌溉系统
根据寒地优质高产水稻生产技术规程，按浅湿灌溉技术标准并根据不同品种水稻的不同生长期进行智能化、自动化给水。自动控制灌溉系统是利用采集到的格田水位信号及流量传感器的信号进行判断决策，通过可编程序控制电路进行控制，进而控制水稻田间用水量。
2.4 全程监控系统
对水稻生长过程全程监控，获取水稻各期生长状况、病虫草害等动态信息，为作物生产管理者或管理决策者提供及时、准确的图像数据信息，便于采取各种管理措施。记录和拍摄水稻成长过程，所采用的方法为定时抓拍水稻影像图片，作为该时期水稻生长的一帧，生成一部正常播放速度的30分钟的视频影像文件，每秒24帧，需约30*60*24=43200个帧。按水稻的成长期135天计算，系统每天需要拍摄43200/135=320帧/天，系统按每320帧/24小时=14帧/小时启动拍摄一次，记录一帧。如果设备受夜间光照条件限制，仅考虑白天拍摄，系统可设定为320帧/12小时=27帧/小时启动拍摄一帧。系统提供从1s至24h的设置模式。这样将135天生长期拍摄的图片合成在一起，成为30分钟水稻生长的视频影像文件。由于全程监控系统的建立，可以对水稻从出生到成熟的最后转化进行全程监督，一旦出现问题，即可追溯到任何可能环节。也可区分出各环节责任人及其责任大小，及时进行处理
2.5 集成控制中心
利用系统集成方法，将计算机技术、通信技术、控制技术与植保技术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务优化组合，所获得的一种适合信息社会要求的系统。在综合分析水稻本田建设基本组成的基础上，水稻灌溉、气象监测、视频监控都可以在控制室内集成操作完成。
3 系统十大功能
实现了井水增温、自动化水层管理、排水循环利用、水稻全生育期监控、水稻病害监控、水稻虫害监控、节水节本核算、综合报表、本田标准管理模型和大农业观光旅游十大功能。特色鲜明、科技含量高，具有引领作用。
3.1 井水增温
胜利农场在井水增温措施上采取延长灌溉渠道增温的方法，新建莲花型喷泉式晒水池，由瀑布增温、渠道增温及叠水增温三部分构成。抽取地下水，经由喷泉，在空气中增温，水珠碰撞增温。经由莲花渠道，延长流水距离，延长增温时间，在半径20米有限的空间内延长渠道800米，六层莲花瓣，每层高温表层水通过溢流孔流向外层，并再次通过喷泉增温，形成美丽的莲花瓣，在增温的同时也注重美感。经过六层的反复增温，增温地下水10～18度，最外层水表温度与空气温度差可以保持在2～5度。经过整个过程，抽取的井水可以直接灌溉入田。图1为胜利农场莲花型喷泉式晒水池工作展示图。 3.2 自动化水层管理
胜利农场根据高寒地区水稻浅湿灌溉技术，将间歇性灌溉和水层灌溉技术相结合，根据无线传感器实时监测本田水位，自动化控制注水、排水阀门进行水位调节，以适应当前水稻生长期的灌溉指标。达到节水、提高水资源利用率，增加产量的目的。下图2为浅湿灌溉智能控制系统上位机界面。
胜利农场水稻本田现代化管理示范区中的水稻格田根据需要可实现统一控制或单独控制。如图3为水稻格田生长期设置图。可将各个格田不同的水稻生长期设置不同的水位，达到节水灌溉的目的。
3.3 排水循环利用
现代化稻田排水系统不再是单纯控制水污染，还有雨污收集、污水处理、再生利用、污泥处置等功能。协助物质的正常生态循环，包括碳、氮、磷、钾、硫、农药等的循环。当水稻格田中的水位超过上限值时，如图4蓄水池及潜水泵可以将多余的水排至蓄水池，进行处理后循环再利用。
3.4 水稻全生育期监控
胜利农场水稻本田现代化管理系统采用视频定点监视、本田水位监控，本田流量监控及本田气象环境监测等。全天24小时监控，并保存历史数据便于统计分析。采用2排太阳能电池板备用电源，UPS不间断稳压电源和6kw数码发电机用来保证整套监控设备的正常运转，为水稻安全生产保驾护航。
3.5 水稻病害监控
胜利农场水稻本田现代化管理示范区采用孢子捕捉仪来检测随空气流动、传染的病害病原菌孢子及花粉尘粒。主要用于监测病害孢子存量及其扩散动态，为预测和预防病害流行、传染提供可靠数据，是农业植保部门应当配备的农作物病害监测专用设备，对于彻底解除、减轻病害困扰，病害监测、预防十分重要。图5为水稻本田区的孢子捕捉仪。在水稻病害发生初期，可以捕捉病害孢子，利用显微镜进行观察，起到提前防治的作用。
3.6 水稻虫害监控
自动虫情测报灯是新一代的虫情测报工具，该灯采用不锈钢材料，利用现代光、电、数控技术，实现了虫体远红外自动处理、接虫袋自动转换、整灯自动运行、光控、雨控、红外虫体处理、分天存放等功能。在无人监管的情况下，能自动完成诱虫、杀虫、收集、分装、排水等系统作业。
3.7 节水节本核算
为实现水稻生产节水节本核算，从源头上采取节水节本措施，采用水稻格田灌溉用水主要由井水及蓄水池提供。当水稻格田中的水位超过上限值时，可以将多余的水排至蓄水池，对污水进行处理后循环再利用。采用对主渠流量自动监测，累计流量数据，将数据存储，通过数据对比分析统计节水量，根据标准水价，折算节本成效。
3.8 综合报表
利用综合报表对数据进行记录、存储、分析。可以根据查询侧重点不同选择水温、泥温、格田水位、环境温度、平均风速、日照时数、主渠流量、出口流量，水面蒸发、环境湿度、直接辐射、土壤热通量、露点温度、土壤湿度、叶面湿度、电量、降水量、风向、株高、分蘖数、分叶数等参数。各项目所采集的数据还可以导出生成EXCEL表格，保证对数据进行存储，可多年累计数据，并可按年、季、月进行数据统计分析。为现代化大农业可持续发展提供有力的数据支持。图6为水稻生长环境监测与控制综合报表图。
3.9 建立本田管理标准化模型
胜利农场水稻本田现代化管理示范区利用现代化管理手段建立水稻本田标准管理模型，利用监测数据为水稻生长及本田管理提供可查及可分析的依据。从宏观上建立水稻本田生长模型，可以用此解决农业系统的复杂问题。通过水稻本田标准管理模型与水稻生长模型相结合，将实现软件的重复利用，克服现有水稻管理模型时空适应性弱等不足。
3.10 现代化大农业观光旅游
大农业观光旅游是现代农业中一项很有发展前途的特色农业。集高科技、节水型生态、高效、特色观光农业为一体。胜利农场水稻本田现代化管理示范区是集农业科技于一体的现代化大农业示范区，不仅能够带来显著的经济效益、社会效益和文化效益，而且是垦区经济实力、社会发展和文化繁荣的重要标志。
4 现实意义
（1）用现代高科技手段，实现水稻本田全生育期标准化生产。
（2）管理手段实现自动化、智能化、精细化。
（3）节约资源，降低成本。
（4）增产、增效、持续发展。
（5）提升科技农业，标准农业，信息农业，生态农业，观光农业，效益农业水平。
5 结论
本系统可提供水位、流量、用水量等数据来分析，并规划更加节本、节水的水稻种植技术。为水稻选种，施肥比例，灌溉方案等提供气象等数据保障，可以分析出低成本、高产量的寒地水稻栽培、生产技术新方案，实现提高全局、全国乃至全世界水稻高产的重大意义。
参考文献
[1]危朝安，我国植物保护工作的形势和任务[J].中国植保导刊，2010，30（5）：5-7.
[2]匡迎春，沈岳，段建南，姚帮松.模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用[J].农业工程学报，2011，27（4）： 18-21.
[3]付强.三江平原井灌水稻田间生产过程节水技术组装与综合优化研究[D].导师：杨文林，东北农业大学，2000
[4]郝永芳，吴娟，周月凤.水稻本田控制灌溉技术[J].现代农业科技，2009，（1）： 222-227.
[5]杨士红，缴锡云，彭世彰，等.控制灌溉稻田格田沟灌灌水技术参数初探[C].现代节水高效农业与生态灌区建设（上）[C].云南大学出版社，2010
[6]郭龙珠，水稻旱育稀植栽培模式下的优化灌溉制度研究[D].导师：刘庆华.东北农业大学，2002
[7]白春艳，张秀然，王飞.基于VB的水稻环境因子实时监控系统的设计与开发[J].电脑知识与技术（学术交流），2007，（3）：1336-1337
[8]付甲东.水稻自动化监测控制系统数据分析研究[J].种子世界，2011，（1）：20-21
[9]杨兴玉，韩东来.水稻自动化监测控制系统数据分析[J].价值工程，2011，30（6）： 231
[10]刘绍权，谢晓明，陈广超.可视定位模型在水稻栽培管理中的应用[J].广东农业科学，2006，（9）：28-30.
关键词：本田现代化管理：虫情监测：PLC：远程调控节水灌溉：生长影像
0 引言
随着信息技术和网络技术的发展，将来的有害生物监测预警工作，包括发生数据的采集、传输、处理、情报发布，以及信息咨询服务和会商防控指挥等，都必须借助计算机网络平台来完成。数字化和信息化建设将成为今后有害生物监测预警能力建设的永恒主题和长期任务[1]。节水节能的灌溉方式是当今世界供水技术发展的总趋势，中国水资源短缺，因此实现田间节水灌溉对实现精确农业具有重要意义[2]。节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根本途径，其核心是提高用水效率和效益。
水稻本田现代化管理系统的目标是利用现代科技手段，实现水稻本田全生育期叶龄、水层、肥料、水温、防病、防虫、水循环综合利用的自动化、智能化监控管理。水稻本田现代化管理系统的建立以国家政策为先导，实现了节约资源，降低成本，增产、增效、提升科技农业，标准农业，信息农业，生态农业，观光农业，效益农业以及可持续发展的现代化农业水平，旨在服务精确农业，加快全国现代化大农业前进步伐。
1 国内外研究现状
已见水稻晒水池、渠系、本田、农用机井、农业机械列为一个整体系统来研究的文献报道[3]；已见水稻本田控制节水灌溉技术相关的研究文献报道[4-6]；已见关于水稻全生长时期的环境因素进行监控的研究文献报道[7-9]。已见建立水稻本田生育模型进行科学管理研究的文献报道[10]。未见本课题的水稻本田主渠监测系统、灌溉控制系统、环境监测系统、园区气象监测系统、生长影像监测系统、远程通信与移动终端系统和监控中心等几方面的水稻本田现代化管理系统的研究。
2 系统研究内容
该项目是在胜利农场第六作业区老高地块建设一套水稻本田现代化管理系统，建设一套控制面积为400亩的自动监控系统，主要包括主渠监测系统、格田灌溉控制系统、格田环境监测系统、园区气象监测系统、生长影像监测系统、远程通信与移动终端系统和监控中心几个部分。系统具体分为科学综合用水、田间标准规划、智能灌溉、全程监控、集成控制中心五大系统。
2.1 科学综合用水
做到早春截留桃花水，充分利用天降水、科学利用循环水、合理开发地下水，提高水资源的利用。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水需肥规律等方面统一考虑，做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。
2.2 田间标准规划
本田规格化，长宽为90*90平方米，配备水位计、流量计、自动阀门、气象监测仪器、摄像头等。便于水稻品种试验、栽培技术试验、灌溉技术试验、施肥方案试验、病虫害防治试验等各种水稻田间试验。通过监测田间的风向、风速、温度、湿度、露点、气压、雨量、太阳辐射、光合有效辐射、水面蒸发、水温、水量、水深、泥温、植株高度、叶片数、分蘖及病虫害等情况，为农场水稻生长提供决策支持信息。
2.3 智能灌溉系统
根据寒地优质高产水稻生产技术规程，按浅湿灌溉技术标准并根据不同品种水稻的不同生长期进行智能化、自动化给水。自动控制灌溉系统是利用采集到的格田水位信号及流量传感器的信号进行判断决策，通过可编程序控制电路进行控制，进而控制水稻田间用水量。
2.4 全程监控系统
对水稻生长过程全程监控，获取水稻各期生长状况、病虫草害等动态信息，为作物生产管理者或管理决策者提供及时、准确的图像数据信息，便于采取各种管理措施。记录和拍摄水稻成长过程，所采用的方法为定时抓拍水稻影像图片，作为该时期水稻生长的一帧，生成一部正常播放速度的30分钟的视频影像文件，每秒24帧，需约30*60*24=43200个帧。按水稻的成长期135天计算，系统每天需要拍摄43200/135=320帧/天，系统按每320帧/24小时=14帧/小时启动拍摄一次，记录一帧。如果设备受夜间光照条件限制，仅考虑白天拍摄，系统可设定为320帧/12小时=27帧/小时启动拍摄一帧。系统提供从1s至24h的设置模式。这样将135天生长期拍摄的图片合成在一起，成为30分钟水稻生长的视频影像文件。由于全程监控系统的建立，可以对水稻从出生到成熟的最后转化进行全程监督，一旦出现问题，即可追溯到任何可能环节。也可区分出各环节责任人及其责任大小，及时进行处理
2.5 集成控制中心
利用系统集成方法，将计算机技术、通信技术、控制技术与植保技术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务优化组合，所获得的一种适合信息社会要求的系统。在综合分析水稻本田建设基本组成的基础上，水稻灌溉、气象监测、视频监控都可以在控制室内集成操作完成。
3 系统十大功能
实现了井水增温、自动化水层管理、排水循环利用、水稻全生育期监控、水稻病害监控、水稻虫害监控、节水节本核算、综合报表、本田标准管理模型和大农业观光旅游十大功能。特色鲜明、科技含量高，具有引领作用。
3.1 井水增温
胜利农场在井水增温措施上采取延长灌溉渠道增温的方法，新建莲花型喷泉式晒水池，由瀑布增温、渠道增温及叠水增温三部分构成。抽取地下水，经由喷泉，在空气中增温，水珠碰撞增温。经由莲花渠道，延长流水距离，延长增温时间，在半径20米有限的空间内延长渠道800米，六层莲花瓣，每层高温表层水通过溢流孔流向外层，并再次通过喷泉增温，形成美丽的莲花瓣，在增温的同时也注重美感。经过六层的反复增温，增温地下水10～18度，最外层水表温度与空气温度差可以保持在2～5度。经过整个过程，抽取的井水可以直接灌溉入田。图1为胜利农场莲花型喷泉式晒水池工作展示图。 3.2 自动化水层管理
胜利农场根据高寒地区水稻浅湿灌溉技术，将间歇性灌溉和水层灌溉技术相结合，根据无线传感器实时监测本田水位，自动化控制注水、排水阀门进行水位调节，以适应当前水稻生长期的灌溉指标。达到节水、提高水资源利用率，增加产量的目的。下图2为浅湿灌溉智能控制系统上位机界面。
胜利农场水稻本田现代化管理示范区中的水稻格田根据需要可实现统一控制或单独控制。如图3为水稻格田生长期设置图。可将各个格田不同的水稻生长期设置不同的水位，达到节水灌溉的目的。
3.3 排水循环利用
现代化稻田排水系统不再是单纯控制水污染，还有雨污收集、污水处理、再生利用、污泥处置等功能。协助物质的正常生态循环，包括碳、氮、磷、钾、硫、农药等的循环。当水稻格田中的水位超过上限值时，如图4蓄水池及潜水泵可以将多余的水排至蓄水池，进行处理后循环再利用。
3.4 水稻全生育期监控
胜利农场水稻本田现代化管理系统采用视频定点监视、本田水位监控，本田流量监控及本田气象环境监测等。全天24小时监控，并保存历史数据便于统计分析。采用2排太阳能电池板备用电源，UPS不间断稳压电源和6kw数码发电机用来保证整套监控设备的正常运转，为水稻安全生产保驾护航。
3.5 水稻病害监控
胜利农场水稻本田现代化管理示范区采用孢子捕捉仪来检测随空气流动、传染的病害病原菌孢子及花粉尘粒。主要用于监测病害孢子存量及其扩散动态，为预测和预防病害流行、传染提供可靠数据，是农业植保部门应当配备的农作物病害监测专用设备，对于彻底解除、减轻病害困扰，病害监测、预防十分重要。图5为水稻本田区的孢子捕捉仪。在水稻病害发生初期，可以捕捉病害孢子，利用显微镜进行观察，起到提前防治的作用。
3.6 水稻虫害监控
自动虫情测报灯是新一代的虫情测报工具，该灯采用不锈钢材料，利用现代光、电、数控技术，实现了虫体远红外自动处理、接虫袋自动转换、整灯自动运行、光控、雨控、红外虫体处理、分天存放等功能。在无人监管的情况下，能自动完成诱虫、杀虫、收集、分装、排水等系统作业。
3.7 节水节本核算
为实现水稻生产节水节本核算，从源头上采取节水节本措施，采用水稻格田灌溉用水主要由井水及蓄水池提供。当水稻格田中的水位超过上限值时，可以将多余的水排至蓄水池，对污水进行处理后循环再利用。采用对主渠流量自动监测，累计流量数据，将数据存储，通过数据对比分析统计节水量，根据标准水价，折算节本成效。
3.8 综合报表
利用综合报表对数据进行记录、存储、分析。可以根据查询侧重点不同选择水温、泥温、格田水位、环境温度、平均风速、日照时数、主渠流量、出口流量，水面蒸发、环境湿度、直接辐射、土壤热通量、露点温度、土壤湿度、叶面湿度、电量、降水量、风向、株高、分蘖数、分叶数等参数。各项目所采集的数据还可以导出生成EXCEL表格，保证对数据进行存储，可多年累计数据，并可按年、季、月进行数据统计分析。为现代化大农业可持续发展提供有力的数据支持。图6为水稻生长环境监测与控制综合报表图。
3.9 建立本田管理标准化模型
胜利农场水稻本田现代化管理示范区利用现代化管理手段建立水稻本田标准管理模型，利用监测数据为水稻生长及本田管理提供可查及可分析的依据。从宏观上建立水稻本田生长模型，可以用此解决农业系统的复杂问题。通过水稻本田标准管理模型与水稻生长模型相结合，将实现软件的重复利用，克服现有水稻管理模型时空适应性弱等不足。
3.10 现代化大农业观光旅游
大农业观光旅游是现代农业中一项很有发展前途的特色农业。集高科技、节水型生态、高效、特色观光农业为一体。胜利农场水稻本田现代化管理示范区是集农业科技于一体的现代化大农业示范区，不仅能够带来显著的经济效益、社会效益和文化效益，而且是垦区经济实力、社会发展和文化繁荣的重要标志。
4 现实意义
（1）用现代高科技手段，实现水稻本田全生育期标准化生产。
（2）管理手段实现自动化、智能化、精细化。
（3）节约资源，降低成本。
（4）增产、增效、持续发展。
（5）提升科技农业，标准农业，信息农业，生态农业，观光农业，效益农业水平。
5 结论
本系统可提供水位、流量、用水量等数据来分析，并规划更加节本、节水的水稻种植技术。为水稻选种，施肥比例，灌溉方案等提供气象等数据保障，可以分析出低成本、高产量的寒地水稻栽培、生产技术新方案，实现提高全局、全国乃至全世界水稻高产的重大意义。
参考文献
[1]危朝安，我国植物保护工作的形势和任务[J].中国植保导刊，2010，30（5）：5-7.
[2]匡迎春，沈岳，段建南，姚帮松.模糊控制在水稻节水自动灌溉中的应用[J].农业工程学报，2011，27（4）： 18-21.
[3]付强.三江平原井灌水稻田间生产过程节水技术组装与综合优化研究[D].导师：杨文林，东北农业大学，2000
[4]郝永芳，吴娟，周月凤.水稻本田控制灌溉技术[J].现代农业科技，2009，（1）： 222-227.
[5]杨士红，缴锡云，彭世彰，等.控制灌溉稻田格田沟灌灌水技术参数初探[C].现代节水高效农业与生态灌区建设（上）[C].云南大学出版社，2010
[6]郭龙珠，水稻旱育稀植栽培模式下的优化灌溉制度研究[D].导师：刘庆华.东北农业大学，2002
[7]白春艳，张秀然，王飞.基于VB的水稻环境因子实时监控系统的设计与开发[J].电脑知识与技术（学术交流），2007，（3）：1336-1337
[8]付甲东.水稻自动化监测控制系统数据分析研究[J].种子世界，2011，（1）：20-21
[9]杨兴玉，韩东来.水稻自动化监测控制系统数据分析[J].价值工程，2011，30（6）： 231
[10]刘绍权，谢晓明，陈广超.可视定位模型在水稻栽培管理中的应用[J].广东农业科学，2006，（9）：28-30.