作者：劉磊安 閆大順 洪棉煜 單位：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院

近年來，我國頻繁發(fā)生的嚴(yán)重水旱災(zāi)害造成了重大生命財產(chǎn)損失，暴露出我國水利設(shè)施基礎(chǔ)十分薄弱，農(nóng)田水利建設(shè)嚴(yán)重落后。這些問題勢必影響到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定，我國必須大力加強水利建設(shè)。2011年中央推出了《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》一號文件，為我國的水利建設(shè)跨越式發(fā)展奠定了政策基礎(chǔ)，這將是二十世紀(jì)五六十年代農(nóng)田水利建設(shè)之后的第二個高潮。農(nóng)田水利建設(shè)是一個投資大、建設(shè)周期長的項目，改革開放的三十年經(jīng)濟(jì)發(fā)展也為新的水利建設(shè)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著國家、省、市政府的投資加大，勢必建成各種類型農(nóng)田水利設(shè)施，配合已有的農(nóng)田水利工程來調(diào)節(jié)、改善農(nóng)田水分狀況和地區(qū)水利條件，提高抵御天災(zāi)的能力，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，使之有利于農(nóng)作物的生產(chǎn)。把無線射頻識別技術(shù)（RFID，RadioFrequencyIdentification）引入到農(nóng)田水利設(shè)施之中，充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geo-graphicInformationSystem）等現(xiàn)代技術(shù)實施綜合性的農(nóng)田水利設(shè)施管理和維護(hù)，實現(xiàn)了水利工程管理的便利性和高效性，同時也可以提高農(nóng)業(yè)水資源的使用效率，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1農(nóng)田水利設(shè)施管理之困境

農(nóng)田水利主要是發(fā)展灌溉排水系統(tǒng)，調(diào)節(jié)農(nóng)田地區(qū)水情，改善農(nóng)田水分狀況，防治旱、澇、鹽、堿等災(zāi)害，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的綜合性科學(xué)技術(shù)。農(nóng)田水利在國外一般稱為灌溉和排水（IrrigationandDrainage），與農(nóng)業(yè)發(fā)展有密切的關(guān)系，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成敗在很大程度上決定于農(nóng)田水利事業(yè)的興衰。隨著新中國的成立，農(nóng)田水利建設(shè)工程多、工程大且分布廣，全國性地投入了大量的人、財、物等資源，建設(shè)了很多影響深遠(yuǎn)的水利設(shè)施，有力地保證了新中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。二十世紀(jì)的五十年代和六十年代是第一個農(nóng)田水利建設(shè)的高峰期；七十年代的文革時期由于物資匱乏，水利建設(shè)處于停頓時期；八十年代開始經(jīng)濟(jì)建設(shè)，農(nóng)村實施家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，對國家對農(nóng)田水利建設(shè)的投入不足，這種情況一直延續(xù)到20世紀(jì)末；2000年以后，國家逐步加大了水利建設(shè)，如三峽水電站、南水北調(diào)等國家級水利工程，但是對灌溉區(qū)的農(nóng)田水利工程建設(shè)的投資不足。我國農(nóng)田水利的投資是國家形式的政府行為，集體和個人投資非常少，從而致使溝渠到田間地頭的最后一兩公里的水利設(shè)施嚴(yán)重不足，給現(xiàn)在的農(nóng)田生產(chǎn)帶來了極大的影響。在國家的十二五規(guī)劃中提出，必須增強灌區(qū)末級渠系建設(shè)、田間工程配套以及五小水利工程建設(shè)，這樣農(nóng)田水利設(shè)施數(shù)量將大規(guī)模增加。

農(nóng)田水利設(shè)施隨著逐年的建設(shè)，累計下來的設(shè)施數(shù)量也是巨大的；這些水利設(shè)施建設(shè)年代不同、老化不一，發(fā)揮的效用也都不同。如何有效管理和維護(hù)數(shù)量巨大的農(nóng)田水利設(shè)施已經(jīng)成為當(dāng)前關(guān)注的重點。我國農(nóng)田水利是公共設(shè)施，為所在的農(nóng)田生產(chǎn)進(jìn)行整體性服務(wù)，具有很強的公共性。我國農(nóng)田水利設(shè)施的管理和維護(hù)比較落后，同時農(nóng)田水利設(shè)施歸屬所在地行政部門和流域水利部門的交叉管理，致使很多農(nóng)田水利設(shè)施不能得到及時的管理和維護(hù)，許多新建的水利設(shè)施沒有得到及時的管護(hù)而不能發(fā)揮作用，大大縮短了設(shè)施的使用壽命，損壞的設(shè)施也不能及時發(fā)揮農(nóng)田水利設(shè)施的效用，使農(nóng)田生產(chǎn)得不到保障。另外，農(nóng)田水利設(shè)施分布區(qū)域廣較廣，很多設(shè)施在偏遠(yuǎn)的地方，而且數(shù)量非常龐大，為其管理和維護(hù)帶來巨大的困難。

2嵌入RFID的農(nóng)田水利設(shè)施

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。RFID技術(shù)具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，即電子標(biāo)簽和讀寫器，系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。RFID標(biāo)簽中的存儲空間通常為64、96、154位甚至更多，能夠存儲物體編碼及其他信息，標(biāo)簽可以不用電源。讀寫器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是對RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀/寫操作的設(shè)備，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的作用區(qū)域，就可以根據(jù)電感耦合原理或電磁反向散射耦合原理，在標(biāo)簽芯片通路中形成微弱電流，將激活RFID標(biāo)簽芯片電路工作，基本處理單元對標(biāo)簽芯片中的存儲器進(jìn)行讀/寫操作，并通過微弱電磁信號與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。對農(nóng)田水利設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的編碼，使每個設(shè)施都有一個惟一的編碼，把此編碼寫入RFID標(biāo)簽，同時把設(shè)施的狀態(tài)信息也寫入標(biāo)簽中，在標(biāo)簽的表面印刷所代表設(shè)施的編碼、名稱和位置信息，把制作好的RFID標(biāo)簽嵌入到每一個相應(yīng)的水利設(shè)施之中。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，RFID讀寫器可以集成到手持式計算機中，形成可以移動的讀寫RFID標(biāo)簽信息的設(shè)備，即農(nóng)田水利監(jiān)測器。它完成某個區(qū)域內(nèi)RFID標(biāo)簽的讀寫，同時能夠根據(jù)水利設(shè)施編碼和狀態(tài)等從移動數(shù)據(jù)庫調(diào)出設(shè)施的名稱、行政區(qū)域位置、創(chuàng)建時間、負(fù)責(zé)人信息、維護(hù)資料、設(shè)施維修狀態(tài)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)圖像等信息，并能夠根據(jù)當(dāng)前情況記錄新的信息。

農(nóng)田水利設(shè)施的檢查人員可以使用監(jiān)測器對某個區(qū)域的水利設(shè)施進(jìn)行檢查。由于RFID只能實現(xiàn)幾厘米到幾十厘米的通信距離，要求檢查人員必須親自到水利設(shè)施所在地才能讀寫嵌入的RFID標(biāo)簽，能防檢查人員作假，同時能夠使管理人員和決策人員掌握真正的設(shè)施狀態(tài)，避免發(fā)生旱澇災(zāi)害時這些設(shè)施不能發(fā)揮出效用。另外，也能夠?qū)Σ荒苷９ぷ鞯摹p壞的水利設(shè)施進(jìn)行及時維護(hù)，大大提高水利設(shè)施的使用年限。通過巡查水利設(shè)施，還能夠掌握比較詳盡的設(shè)施維護(hù)信息，并可以對需要維護(hù)的水利設(shè)施進(jìn)行分類，大大提高維護(hù)的效率，節(jié)省維護(hù)的費用。農(nóng)田水利監(jiān)測器是嵌入式設(shè)備，人機界面、運算速度、存儲容量都是有限的，只能存儲某個區(qū)域要管理和檢查的水利設(shè)施資料。為此需要建立整個行政區(qū)域或者整個大面積農(nóng)田的水利設(shè)施管理和維護(hù)系統(tǒng)作為支撐平臺，可通過高性能的服務(wù)器、巨量的存儲系統(tǒng)和快速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)施整個區(qū)域的管理。管護(hù)系統(tǒng)能夠做出水利設(shè)施巡查的方案，按照巡查的區(qū)域把相應(yīng)的信息通過以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等下載到農(nóng)田水利監(jiān)測器中，讓檢查人員進(jìn)行指定區(qū)域的檢查。基于嵌入RFID的農(nóng)田水利管護(hù)系統(tǒng)如附圖所示。

3基于GIS農(nóng)田水利設(shè)施管護(hù)系統(tǒng)

嵌入式RFID的農(nóng)田水利設(shè)施管護(hù)系統(tǒng)是以水利設(shè)施惟一的RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行標(biāo)識，依賴設(shè)施所處的位置進(jìn)行列表管理，雖然可以提高效率，但對于農(nóng)田進(jìn)行基于農(nóng)田區(qū)域管理才是最為方便的形式，特別是結(jié)合地圖則更加有效。系統(tǒng)把GIS技術(shù)作為基礎(chǔ)，整合了點、線、面的空間資料與專題資料，重新構(gòu)建了農(nóng)田水利設(shè)施管護(hù)系統(tǒng)，管理者和決策者可以快速了解某一個區(qū)域內(nèi)農(nóng)田水利信息資料，掌握農(nóng)田水利設(shè)施的運行情況和故障情況，決定設(shè)備巡檢的區(qū)域和水利設(shè)施維護(hù)的路徑，從而大大提高管理的便捷性和效率。系統(tǒng)基于ARCGIS實施了空間數(shù)據(jù)的管理，水利設(shè)施的資料管理則采用了數(shù)據(jù)庫Oracle，它的spa-tial模塊專門用于空間信息的存儲，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。為了方便系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢和傳輸，對于空間數(shù)據(jù)采用面向?qū)ο蟮拇鎯Ψ椒ǎ瑢傩詳?shù)據(jù)采用面向關(guān)系的存儲方法。