北方井灌区井群无线自动控制系统的开发研制

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1、水利学报2005年2月SHUILIXUEBAO第2期文章编号:0559-9350(2005)02-0232-06北方井灌区井群无线自动控制系统的开发研制1121齐学斌，高胜国，赵辉，樊向阳(1.水利部农田灌溉研究所，河南新乡453003；2.中国地质大学，北京100083)摘要：利用计算机技术、单片机技术和通讯技术，结合地下水位预报模型，开发研制了井灌区井群无线自动控制系统。系统可根据区域水资源状况、机井工程布局及灌溉配水计划，设定系统运行参数，自动对井群系统运行进行控制、监视、计时计费和事故处理，

2、以实现对地下水限量开采。应用表明，该系统可实现灌区地下水资源的集中统一管理，降低灌区运行管理费用，提高灌区管理水平，为井灌区灌溉管理的信息化奠定了基础。关键词：井灌区；限量开采；无线控制系统；开发中图分类号：TP273文献标识码：A地下水是我国北方地区及许多城市的重要供水水源，也是维系区域生态环境的要素。但近年来由于许多地区对地下水不合理或无计划的超采，使得地下水位大幅度下降，从20世纪80年代初至90年代末，全国2以城市和农村井灌区为中心形成的地下水超采区数量已从56个发展到164个，超采区面积从

3、8.7万km扩展到23318万km，超采量逐年增加，2000年的超采量已近100亿m，累计超采量逾1000亿m，地下水的超采已引发了一系列生态环境问题，如地面沉降、水质污染、咸水入侵等。另一方面，井灌区农业高效用水的需求对井灌系统的管理提出了新的要求，如灌区用水的实时控制、灌区地下水限量开采、灌区地下水位监测预报、灌区水费管理等，但灌区目前的设备状况与管理手段是无法满足的。例如针对单井水费计算，大多数灌区采取的是在每口井上加装计时器，并派专人进行抄表计费的方式，这在很大程度上加大了灌区的运行管理费用

4、，同时又容易造成计费上的人为误差，不利于灌区用水的管理。虽然在一些井灌区已试行了IC卡水费收取系统，解决了水费收取问题，但却无法对井群进行集中管理、统一调度，因而也就无法实现地下水的均衡开采，更谈不上地下水资源的可持续开发利用。为保障井灌区农业生产的可持续发展和生态环境的改善，有必要从管理系统入手，研发出适应灌区特点的井群无线自动控制系统。1系统总体方案设计目前，国内研制的自动控制系统信息(数据)传输基本上采用有线方式，通常执行平衡传输的EIA-485标准，在不采用中继方式的情况下，可靠传输距离约为

5、1.2km，多数情况下不能满足实际对通讯距离的要[1]求，采用中继方式不仅增加投入，而且管理不便。国内也有利用电话线路采用互联网技术和设备进行灌溉系统的远距离控制，这在技术上比较容易实现，且已有现成设备可用，但受控端要配置计算机设备，不仅设备投入大，还要向电讯部门交纳线路占用费，运行费用高。此外，灌溉控制系统采用互联网传输数据目前还有一个难以克服的问题，就是互联网上计算机病毒传播迅速，使控制系统显得非常脆弱，主控计算机一旦感染病毒，缺乏计算机知识的基层管理人员很难处理。此外，有线传输还存在维护困难，

6、信号线容收稿日期：2003-08-19基金项目：“十五”国家科技攻关课题(2001BA508B02)；国家重大科技产业化工程项目(99-021-01-08)；国家863重大专项2002AA2Z4241作者简介：齐学斌(1963-)，男，陕西西安人，副研究员，主要从事地下水位监测预报、地表水与地下水相互作用及农业水资源与环境等方面的研究。1水利学报2005年2月SHUILIXUEBAO第2期易丢失等问题。与工业领域的自动化不同，农业灌溉自动化要获得推广应用首先必须解决低造价与高可靠性之间的矛盾，同时考

7、虑到使用对象，必须做到操作简单，维护方便。井群自动控制系统如果采用无线传输方式，可以通过调整发射机功率方便控制传输距离，在一定范围内不受距离限制；同时在野外干扰源少，无线信号传输质量好，便于维护。考虑到井群自动控制系统对信息通讯传输速率要求不高，而对可靠性要求较高的实际情况，本系统采用无线半双工应答的通讯传输方式。该方式可在保证通讯可靠的情况下，有效地减少硬件的投入。2系统硬件研制2.1系统结构井群无线自动控制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)，以及若干台内置单片机的

8、控制子站(置于测控现场)组成的分布式测控系统。控制总站由无线遥控遥测总控模块、调频无线半双工收发模块以及天线组成。控制子站设备包括：控制子站，传感器，强电控制箱和天线等组成，控制子站由无线遥控遥测子控模块、调频无线半双工收发模块和天线组成。系统结构如图1、图2所示。图3为系统遥控遥测总控模块进行数据传输的流程图。图1井群无线自动控制系统控制总站结构示意2.2硬件设备特点(1)硬件设备采用先进的模块化结构，模块之间采用不重样的插接件连接，便于装配和维修。(2)传输方式采