节水增粮行动项目信息化工程设计

节水增粮行动项目信息化工程设计摘要该节水增粮行动项目信息化工程对灌区地下水位、用水流量、气象信息、土壤墒情、实时视频等因子进行综合采集，并为方便用户用水设计了射频卡机井灌溉控制装置。

通过构建的节水增粮行动项目信息化远程监控管理信息平台，对监测采集的数据进行存储、管理、分析、描述，最终达到节水增粮的目的。

该文详细讨论了系统的结构和原理，并给出了系统的软硬件设计方案。

关键词节水增粮；信息平台；地下水监测；土壤墒情；视频监控中图分类号 tp391 文献标识码 a 文章编号 1007-5739（2013）14-0343-031 项目背景我国水资源严重短缺，尤其是北方粮食主产区水资源供需矛盾尖锐。

水资源短缺是制约我国粮食稳定发展的主要瓶颈；干旱频繁已成为农业生产的主要威胁，必须把节水灌溉作为发展现代农业的根本性措施来抓[1]。

多年来，各地围绕发展节水灌溉做了大量工作，取得了显著成效，通过大力发展高效节水灌溉信息化建设，可大幅度提高水资源利用效率，充分发挥地区土地资源优势，用有限的水资源发展更大规模的灌溉面积，从而提高粮食综合生产能力，推进现代农业发展，以为地区粮食安全提供坚实的支撑[2]。

2 主要建设内容节水增粮行动项目信息化系统，以现场数据分布自动采集为基础，以公共通信网络gprs数据传输为依托，以地理信息系统（gis）为框架，整合先进的信息集成技术，远程监控管理信息平台集中管理，可实时对节水增粮行动项目监控区域内的各监控点进行地下水位、流量、土壤墒情、气象和视频图像监控，从而形成一个智能化、网络化、多功能的节水增粮行动项目远程数字化监控网络，为节水增粮高效管理提供有力的技术支撑，亦可与上级相关项目数据中心实现资源共享和互联互通。

此次信息化工程的主要建设任务如图1所示。

2.1 节水增粮行动项目远程监控管理信息平台建设建设内容包括信息化平台软硬件及网络建设。

应结合节水增粮行动项目信息化系统的建设，统筹考虑节水增粮信息化业务的需求，能够充分支撑水利综合信息化业务的需要，完成对节水增粮信息化管理系统的顶层规划设计。

2.2 射频卡机井灌溉综合控制工程该部分包括射频卡机井灌溉控制和地下水位动态监测2个部分。

完成射频卡机井灌溉控制工程的建设，主要是射频卡机井灌溉控制装置的建设，该控制器应耐老化、防破坏，混凝土浇筑固定，带软启动装置或变频控制器，智能采集终端可实现gprs远传功能，可实时将流量信息远传至信息平台。

管理人员对控制器进行设置时，在划卡区划一下设置卡即可，用户浇地时，在划卡区划用户卡即可开泵浇地；浇地完成后只需在划卡区再次划卡即可关闭水泵。

地下水位动态监测终端现场采用浮子式水位计，水位数据采集并转换为标准信号后由智能采集终端将水位数据和用户流量数据一起通过gprs传输至节水增粮行动项目远程监控管理信息平台。

2.3 气象土壤墒情综合观测站建设根据预报预警服务需要，在监控区域布设包括雨量、温度、湿度、风向、风速、气压、太阳能辐射强度、土壤温度和土壤含水量等要素的综合观测站。

所配置的气象传感器类型和测量准确度指标必须符合《地面气象观测规范》的要求。

数据采集终端的数据采样速率及算法必须符合《地面气象观测规范》的有关规定。

能够形成《地面气象观测数据文件和记录簿表格式》规定的采集数据文件、状态信息文件、上传数据文件。

观测站供电采用风光互补电源。

土壤墒情监测点采用3个土壤温度传感器和3个土壤含水量传感器，实现不同深度土壤含水率数据和温度数据的自动采集和存储，数据采集并转换为标准信号后和气象监测数据一起由综合监测站智能采集终端经gprs打包发送至节水增粮行动项目远程监控管理信息平台。

供电采用气象观测支架上的风光互补电源[3]。

2.4 视频监控工程在每处灌区设置远程视频监控点1处，监控点具有夜视、视频录像及云台控制功能，监控采用分布式网络存储结构，避免单机存储容量有限的缺点，避免单机接口读写速度有限、无法同时存取几十路视频的大量数据的缺陷。

由于视频传输通道为gprs，要求监控点远程传输延时小，图像清晰流畅并支持多码流，确保监控图像稳定运行，不死机。

视频监控探头及视频编码器安装在气象土壤综合监测站支架上，供电采用风光互补电源。

3 现场监控参数的确定射频卡机井灌溉综合控制工程：用户流量、地下水位。

气象土壤墒情综合观测站：雨量、温度、湿度、风向、风速、气压、太阳能辐射强度、土壤温度、土壤含水量。

视频监控工程：实时视频图像。

4 现场监控终端的结构射频卡机井灌溉综合控制工程现场设备采用一杆式结构，智能数据采集终端、数据无线通讯设备，以及射频卡机井灌溉控制器等，安装到监控杆上，再连接监测井内的水位计。

气象土壤墒情综合观测站的气象传感器、智能传输终端、风光互补电源均安装在气象观测支架上，支架整体采用烤瓷工艺，具有良好的防腐蚀性，可长期运行于各种恶劣的室外环境，安装支架高度大于3 m，能够根据不同规范安装气象传感器。

土壤温度和土壤含水量传感器由数据线连接至气象土壤墒情综合观测站智能采集终端。

视频探头和视频编码器均安装在气象土壤墒情综合观测站支架上，供电也由气象土壤墒情综合观测站的风光互补电源提供。

5 数据传输方式现场数据采集使用中国移动gprs无线数据通信方式。

该网络具有传输速度快、信道稳定、价格适宜、支持环境丰富等特点，适合监测数据与视频图像的远程传输。

每处灌区监控点共有3个gprs传输通道，射频卡机井灌溉控制与地下水位动态监测工程共用一个gprs通道传输数据，气象监测与土壤墒情监测共用一个gprs传输通道，视频监控单独使用一个gprs传输通道。

6 节水增粮行动项目远程监控管理信息平台建设以节水增粮行动项目信息化工程建设为契机，以构建区域节水灌溉信息化为目标，对节水灌溉信息化建设进行顶层规划。

建成较为完善的节水增粮远程实时监控管理信息平台，可实现各业务应用系统的数据交换、资源共享和集中管理，实现灌区监测信息的互联互通和数据采集控制的标准化管理，大幅提高水资源的管理能力。

通过制定统一的技术标准，加强科学管理，使系统更加适应水资源监控与管理业务的需要，为管理部门提供及时、准确、全面的灌溉监控管理信息。

信息平台建设从系统工程的角度出发，充分考虑系统建设后的长期可维护性、可扩充性和可升级性等要求，建设一个综合运用多学科、多种现代信息处理技术，具有先进水平和较高技术含量的平台。

6.1 信息平台总体架构信息平台以数据库为核心，以开放式协议语言为基础，采用面向对象（oop）和图形化的可编程技术，具有较强的兼容性和可扩展性；运行环境采用故障转移和均衡负载群集技术，保证了监控平台运行的安全性、稳定性以及数据处理的高效性；监控类型的多样化，可以在很短的时间内为用户定制新的服务流程，把新的待监控设备纳入监控平台，可以整合原有不同公司、不同语言开发的系统，实现多种监控设备及数据的集中管理。

平台具备开放的业务接口，只需在平台上增加相应软件模块和接口，即可实现对各种新业务的监控和管理。

另外，平台自身的管理模块可以同时将所有的子系统整合到一起，避免出现多套监控系统各自为政的混乱局面，实现资源的整合与统一管理。

6.2 计算机网络层设计对于节水增粮行动项目远程监测系统的建设，如何方便地向使用者提供良好的服务是设计考虑的重点。

由于该系统的用户分布广，在网络基本普及的时代，最佳方式是采用web方式提供服务，现场分布采集的数据集中上传，利用信息平台向用户提供统一的网络内容服务。

信息平台通过用户名和密码，鉴别用户的合法性与层级，提供相应授权内的技术数据、资料和图像供用户使用。

信息平台需要管理全局性和众多监控站点的海量数据，在水利系统内部以及各级部门实现数据共享与交换，并为业务应用提供服务支撑，为用户提供“一站式”信息展示与查询服务，同时还会根据水资源监控业务的调整或拓展不断“成长”。

在利用已建信息网络的基础上，平台采用大型关系型数据库存储数据，保证数据存储的安全性与可管理性；通过建设信息采集传输设施、数据管理中心及软件平台水资源的信息化管理水平，为经济发展提供基础数据。

6.3 数据资源层设计采用微软的sql server 作为存储数据库，与.net兼容性好，能达到本系统需求，并具有较高的性价比。

数据库系统由数据库管理系统、数据库和公共数据字典组成。

节水增粮远程监控管理系统中数据库主要包括地下水情数据库、流量信息数据库、气象预报数据库、墒情数据库、基础信息数据库等。

系统涉及水资源、视频、区域等多方面信息，数据包括数字、文字、表格、图片、影像等多种形式，数据的存储与应用比较复杂，必须建立强大的综合数据库系统，以实现信息的管理与应用。

同时，数据库系统作为远程监控管理系统的基础功能部件，为各个应用系统提供所需的数据和信息服务，协调系统间的数据关系，实现各种信息的一致性共享。

根据节水增粮远程监控管理系统站点布设原则，系统需要共享相关部门的各种数据信息，因此数据库管理系统的选择首要考虑与相关部门的数据库系统一致或兼容，以减少部门数据共享交换成本。

另外，数据库管理系统选择还要考虑与服务器操作系统的匹配，以发挥数据库的强大功能。

6.4 应用支撑层设计应用支撑层以网络运行环境和数据中心为基础，调用、解释数据支撑数据库中的资源和业务规则，驱动各项业务操作，同时创建、使用、修改业务数据库和调用基础数据库，实现业务的流转和处理。

在系统安全体系的支撑下形成具有统一安全认证和用户单点登录支持下的大规模、多应用的电子政务业务工作平台。

通过应用支撑层的建设把独立的业务应用及其数据库、静态的网站等建立和集成到一个可管理的环境中，实现一体化、集成式信息化应用，同时利用业务系统构建工具，不需重新开发而快速搭建应用系统。

并随着应用的深入而及时扩展和调整，缩短开发周期、避免重复建设、提高维护水平，实现业务系统信息共享和互联互通。

6.5 业务应用层设计（1）地下水监控应用程序。

提供地下水信息同步采集的控制，可将从上级平台同步下载的信息直接保存到数据库；支持分级分域的管理、灵活的用户权限管理、自动的设备批量配置、全网设备的统一拓扑视图、拓扑自动发现管理、全网设备状态管理、故障自动告警及定位管理功能等，主要内容包括实时数据监控、实时数据显示、监测数据分析、报表打印、多视角实时数据动态展示方式、等值线分析等内容。

（2）流量监控应用程序。

流量监控应用程序实现了实时在线监测、数据统计与查询、取水计划管理与控制，从而为落实最严格的水资源管理制度提供技术支撑，促进水资源可持续利用和节约用水。

（3）气象监控应用程序。

气象监控应用程序自动采集气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、气压、日照、辐射、地温等气象要素，并可按业务需求通过计算机输入人工观测数据。

程序自动计算海平面气压、相对湿度、露点温度以及所需的各种统计量。