作者：劉磊安 閆大順 洪棉煜 單位：仲愷農業(yè)工程學院計算機科學與工程學院

近年來，我國頻繁發(fā)生的嚴重水旱災害造成了重大生命財產損失，暴露出我國水利設施基礎十分薄弱，農田水利建設嚴重落后。這些問題勢必影響到經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定，我國必須大力加強水利建設。2011年中央推出了《關于加快水利改革發(fā)展的決定》一號文件，為我國的水利建設跨越式發(fā)展奠定了政策基礎，這將是二十世紀五六十年代農田水利建設之后的第二個高潮。農田水利建設是一個投資大、建設周期長的項目，改革開放的三十年經濟發(fā)展也為新的水利建設奠定了物質基礎。隨著國家、省、市政府的投資加大，勢必建成各種類型農田水利設施，配合已有的農田水利工程來調節(jié)、改善農田水分狀況和地區(qū)水利條件，提高抵御天災的能力，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，使之有利于農作物的生產。把無線射頻識別技術（RFID，RadioFrequencyIdentification）引入到農田水利設施之中，充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geo-graphicInformationSystem）等現(xiàn)代技術實施綜合性的農田水利設施管理和維護，實現(xiàn)了水利工程管理的便利性和高效性，同時也可以提高農業(yè)水資源的使用效率，為農業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展奠定基礎。

1農田水利設施管理之困境

農田水利主要是發(fā)展灌溉排水系統(tǒng)，調節(jié)農田地區(qū)水情，改善農田水分狀況，防治旱、澇、鹽、堿等災害，以促進農業(yè)穩(wěn)產、高產的綜合性科學技術。農田水利在國外一般稱為灌溉和排水（IrrigationandDrainage），與農業(yè)發(fā)展有密切的關系，農業(yè)生產的成敗在很大程度上決定于農田水利事業(yè)的興衰。隨著新中國的成立，農田水利建設工程多、工程大且分布廣，全國性地投入了大量的人、財、物等資源，建設了很多影響深遠的水利設施，有力地保證了新中國的農業(yè)生產。二十世紀的五十年代和六十年代是第一個農田水利建設的高峰期；七十年代的文革時期由于物資匱乏，水利建設處于停頓時期；八十年代開始經濟建設，農村實施家庭聯(lián)產承包責任制，對國家對農田水利建設的投入不足，這種情況一直延續(xù)到20世紀末；2000年以后，國家逐步加大了水利建設，如三峽水電站、南水北調等國家級水利工程，但是對灌溉區(qū)的農田水利工程建設的投資不足。我國農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施嚴重不足，給現(xiàn)在的農田生產帶來了極大的影響。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、田間工程配套以及五小水利工程建設，這樣農田水利設施數(shù)量將大規(guī)模增加。

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

2嵌入RFID的農田水利設施

RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預。RFID技術具有防水、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，即電子標簽和讀寫器，系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。RFID標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，標簽可以不用電源。讀寫器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎設施，是對RFID標簽進行讀/寫操作的設備，當RFID標簽進入讀寫器的作用區(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，在標簽芯片通路中形成微弱電流，將激活RFID標簽芯片電路工作，基本處理單元對標簽芯片中的存儲器進行讀/寫操作，并通過微弱電磁信號與讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。對農田水利設施進行統(tǒng)一的編碼，使每個設施都有一個惟一的編碼，把此編碼寫入RFID標簽，同時把設施的狀態(tài)信息也寫入標簽中，在標簽的表面印刷所代表設施的編碼、名稱和位置信息，把制作好的RFID標簽嵌入到每一個相應的水利設施之中。隨著IT技術的發(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標簽信息的設備，即農田水利監(jiān)測器。它完成某個區(qū)域內RFID標簽的讀寫，同時能夠根據(jù)水利設施編碼和狀態(tài)等從移動數(shù)據(jù)庫調出設施的名稱、行政區(qū)域位置、創(chuàng)建時間、負責人信息、維護資料、設施維修狀態(tài)以及相關的數(shù)據(jù)圖像等信息，并能夠根據(jù)當前情況記錄新的信息。

農田水利設施的檢查人員可以使用監(jiān)測器對某個區(qū)域的水利設施進行檢查。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施所在地才能讀寫嵌入的RFID標簽，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施狀態(tài)，避免發(fā)生旱澇災害時這些設施不能發(fā)揮出效用。另外，也能夠對不能正常工作的、損壞的水利設施進行及時維護，大大提高水利設施的使用年限。通過巡查水利設施，還能夠掌握比較詳盡的設施維護信息，并可以對需要維護的水利設施進行分類，大大提高維護的效率，節(jié)省維護的費用。農田水利監(jiān)測器是嵌入式設備，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施資料。為此需要建立整個行政區(qū)域或者整個大面積農田的水利設施管理和維護系統(tǒng)作為支撐平臺，可通過高性能的服務器、巨量的存儲系統(tǒng)和快速網絡系統(tǒng)設施整個區(qū)域的管理。管護系統(tǒng)能夠做出水利設施巡查的方案，按照巡查的區(qū)域把相應的信息通過以太網、無線局域網等下載到農田水利監(jiān)測器中，讓檢查人員進行指定區(qū)域的檢查。基于嵌入RFID的農田水利管護系統(tǒng)如附圖所示。

3基于GIS農田水利設施管護系統(tǒng)

嵌入式RFID的農田水利設施管護系統(tǒng)是以水利設施惟一的RFID標簽信息進行標識，依賴設施所處的位置進行列表管理，雖然可以提高效率，但對于農田進行基于農田區(qū)域管理才是最為方便的形式，特別是結合地圖則更加有效。系統(tǒng)把GIS技術作為基礎，整合了點、線、面的空間資料與專題資料，重新構建了農田水利設施管護系統(tǒng)，管理者和決策者可以快速了解某一個區(qū)域內農田水利信息資料，掌握農田水利設施的運行情況和故障情況，決定設備巡檢的區(qū)域和水利設施維護的路徑，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)采用面向對象的存儲方法，屬性數(shù)據(jù)采用面向關系的存儲方法。