智慧節(jié)水灌溉云系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王建華，葉　彪（.浙江省錢(qián)塘江建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，浙江 蕭山 30000；.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 30000）

智慧節(jié)水灌溉云系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王建華1，葉彪2
（1.浙江省錢(qián)塘江建設(shè)開(kāi)發(fā)總公司，浙江 蕭山 310000；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，切合實(shí)際情況，將采用一個(gè)基于云服務(wù)的智能化節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)嘉興海寧錢(qián)塘江種植基地的節(jié)水灌溉自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化和先進(jìn)性，為浙江省提供一個(gè)示范基地。在控制系統(tǒng)中，采用了云服務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了系統(tǒng)管理、大數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、智能灌溉控制、移動(dòng)視頻監(jiān)管、移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控等組成系統(tǒng)。核心功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地自動(dòng)滴灌、自動(dòng)控制操作；實(shí)現(xiàn)智能控制閉環(huán)；實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的典型點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與顯示，通過(guò)手機(jī)自動(dòng)控制基地控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能灌溉，可以查詢基地的溫度、濕度狀態(tài)等特色功能。解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。實(shí)踐表明，采用智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化，不但能夠達(dá)到節(jié)水的目的，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地狀態(tài)，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效益，減少人工投入的成本以及基地的安全。該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)提高基地的智能化現(xiàn)代化水平、提高生產(chǎn)效益、減少水資源浪費(fèi)、提高基地安全監(jiān)管水平、增強(qiáng)基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。完成后將為基地高端節(jié)水灌溉合作產(chǎn)業(yè)化、搭建節(jié)水灌溉科技創(chuàng)新和推廣平臺(tái)打下一定基礎(chǔ)。

節(jié)水灌溉；智能；推廣；實(shí)施；云服務(wù)；示范

1　引言

據(jù)資料，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80％左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45％，而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70％～80％，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源緊缺是非常重要的。現(xiàn)有的節(jié)水灌溉系統(tǒng)雖然在降低作物灌溉成本，提高作物產(chǎn)量上有明顯的作用，但由于常規(guī)滴灌系統(tǒng)存在許多問(wèn)題尚待解決，致使灌溉的合理性無(wú)法得到有效執(zhí)行。主要有如下幾方面的問(wèn)題：

（1）人工操作的隨意性過(guò)大，不能夠嚴(yán)格執(zhí)行灌溉制度；

（2）經(jīng)驗(yàn)灌溉，無(wú)法保證灌溉的均勻度；

（3）全部人工操作，工做量大，無(wú)法解放勞動(dòng)力。

通過(guò)實(shí)施灌溉自動(dòng)化控制，可減少或避免人為因素的影響。因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)需要水肥供應(yīng)，而水肥供應(yīng)靠精準(zhǔn)灌溉來(lái)實(shí)現(xiàn)，滴灌技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)是精準(zhǔn)灌溉最有效的技術(shù)解決途徑。滴灌技術(shù)為作物生長(zhǎng)提供了技術(shù)保證，也為自動(dòng)控制技術(shù)提供了應(yīng)用平臺(tái)。因此可以說(shuō)，滴灌自動(dòng)化控制與智能化管理技術(shù)將使灌溉達(dá)到真正節(jié)水增產(chǎn)增效之目的。

2　總體方案構(gòu)建

2.1總體目標(biāo)

實(shí)施的總體目標(biāo)是：建立一個(gè)基于云服務(wù)的智能化節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)嘉興寧海錢(qián)塘江種植基地的節(jié)水灌溉自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化和先進(jìn)性，為浙江省提供一個(gè)示范基地。實(shí)施還引入先進(jìn)的移動(dòng)互聯(lián)終端監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

其主要內(nèi)容包括：

（1）基地基礎(chǔ)灌溉設(shè)施建設(shè)（包括水泵、增壓泵、水池、管道、閥門(mén)、安全閥、渠道建設(shè)等）；

（2）現(xiàn)地自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)（包括傳感器、電磁閥、RS485通訊系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、控制機(jī)、現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)控軟件、移動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）；

圖1　總體框架設(shè)計(jì)圖

（3）智能視頻控制系統(tǒng)（球形攝像頭、無(wú)線節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、云臺(tái)、移動(dòng)控制終端系統(tǒng)）；

（4）云服務(wù)平臺(tái)（包括云空間、云數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、云后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制配置等）；

（5）移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)（包括狀態(tài)無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)、狀態(tài)無(wú)線接受系統(tǒng)、視頻無(wú)線接收系統(tǒng)、移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)）。

2.2總體功能分析及主要內(nèi)容

（1）基地基礎(chǔ)灌溉設(shè)施建設(shè)

主要實(shí)現(xiàn)灌溉的基礎(chǔ)設(shè)備及設(shè)施，為可控系統(tǒng)。包括實(shí)施水泵、水池、管道、閥門(mén)、安全閥、渠道等。

（2）現(xiàn)地自動(dòng)化控制系統(tǒng)建設(shè)

主要實(shí)現(xiàn)基本的現(xiàn)地控制功能，為后續(xù)的移動(dòng)監(jiān)控服務(wù)。傳感器、電磁閥、RS485通訊系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、控制機(jī)、現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)控軟件、移動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）智能視頻控制系統(tǒng)

主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻安全監(jiān)管。主要包括球形攝像頭、無(wú)線節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、云臺(tái)、移動(dòng)控制終端系統(tǒng)。

（4）云服務(wù)平臺(tái)

主要實(shí)現(xiàn)云技術(shù)，升級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。云空間、云數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、云后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制配置等。

（5）移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)

主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)，手機(jī)終端的狀態(tài)和視頻監(jiān)控和監(jiān)管。包括狀態(tài)無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)、狀態(tài)無(wú)線接受系統(tǒng)、視頻無(wú)線接收系統(tǒng)、移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。

3　核心功能描述

3.1系統(tǒng)管理

系統(tǒng)的初始配置，包括用戶登錄、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)配置。基于云服務(wù)的角色訪問(wèn)控制，可以對(duì)各模塊的訪問(wèn)進(jìn)行授權(quán)設(shè)置。

3.2大數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

采用基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)與管理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、歷史回放、狀態(tài)數(shù)據(jù)歷史查詢、報(bào)表、打印等功能。

3.3智能灌溉控制

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地自動(dòng)滴灌、自動(dòng)控制操作；實(shí)現(xiàn)智能控制閉環(huán)。實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的典型點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與顯示。

3.4移動(dòng)視頻監(jiān)管

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)管，手機(jī)直接監(jiān)管基地現(xiàn)場(chǎng)。

3.5移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過(guò)手機(jī)自動(dòng)控制基地控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能灌溉。手機(jī)界面可以查詢基地的溫度、濕度狀態(tài)。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1云服務(wù)

為了提高整個(gè)基地的示范和輻射作用，準(zhǔn)備將最先進(jìn)的云服務(wù)技術(shù)融入到整個(gè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程。

浙江同濟(jì)水能水資源研究所和浙江禹貢信息科技有限公司聯(lián)合對(duì)智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)公關(guān)和升級(jí)，并成功地將云服務(wù)技術(shù)應(yīng)用到智能自動(dòng)化灌溉領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)達(dá)到先進(jìn)水平，該項(xiàng)技術(shù)獲得浙江省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣獎(jiǎng)。

本項(xiàng)目的實(shí)施擬采用最新版本的、最先進(jìn)的“基于云技術(shù)的智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)”，旨在整個(gè)基地的灌溉現(xiàn)代化、智能化、高端化方面取得階段性的成效。

（1）基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，節(jié)約了服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等投資成本，也使得數(shù)據(jù)更加安全可靠，是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)，在提高系統(tǒng)可靠性、安全性、可拓性的方面之外，節(jié)約了投資成本。使整個(gè)系統(tǒng)更加符合基地的實(shí)際需求。云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)如圖2所示。

（2）基于西門(mén)子PLC-200型現(xiàn)地智能灌溉控制系統(tǒng)

基于西門(mén)子PLC-200型為核心控制器的灌溉控制系統(tǒng)，如圖3所示。

1）嵌入智能現(xiàn)地控制軟件，與傳感器、采集器、串行通訊系統(tǒng)、觸摸屏、PC機(jī)、電磁閥等形成閉環(huán)控制。

2）采用無(wú)線網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)基于云服務(wù)的遠(yuǎn)程移動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控。

3）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地智能控制，觸摸屏控制，現(xiàn)地計(jì)算機(jī)控制等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、打印等。

圖2　基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

圖3　基于西門(mén)子PLC-200型現(xiàn)地智能灌溉控制系統(tǒng)

4.2移動(dòng)互聯(lián)

基于云服務(wù)技術(shù)的融入和技術(shù)突破，為客戶端的移動(dòng)互聯(lián)提供了技術(shù)平臺(tái)保障。為了解決整個(gè)基地的遠(yuǎn)程無(wú)縫監(jiān)管問(wèn)題，本項(xiàng)目的實(shí)施將引入先進(jìn)的移動(dòng)互聯(lián)終端監(jiān)控平臺(tái)。浙江同濟(jì)水能水資源研究所和浙江禹貢信息科技有限公司聯(lián)合對(duì)智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)終端進(jìn)行了基于移動(dòng)互聯(lián)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)，目前已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)農(nóng)業(yè)基地的生產(chǎn)與安全監(jiān)管。

移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)的引入，減少了項(xiàng)目的硬件投入成本、加強(qiáng)了遠(yuǎn)程監(jiān)管的水平以及實(shí)現(xiàn)了“隨地可監(jiān)管、無(wú)時(shí)不監(jiān)控”等功能。

（1）基于移動(dòng)互聯(lián)的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)

為了方便管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離智能監(jiān)測(cè)與控制，開(kāi)發(fā)了基于云服務(wù)的移動(dòng)互聯(lián)型遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以基于西門(mén)子PLC-200型現(xiàn)地智能灌溉控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，在手機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉控制。手機(jī)上也可以查詢基地的溫度和濕度等狀態(tài)參數(shù)。本系統(tǒng)的控制可以配合移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行。

（2）基于移動(dòng)互聯(lián)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)

為了加強(qiáng)安全監(jiān)管，采用基于移動(dòng)互聯(lián)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的視頻監(jiān)測(cè)，通過(guò)基于移動(dòng)互聯(lián)的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能，同時(shí)具有手機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)報(bào)警裝置，防止閑人進(jìn)入基地，保障基地的安全。

5　實(shí)施案例分析

5.1實(shí)施基地介紹

本基地位于嘉興地區(qū)海寧市錢(qián)塘江江畔，基地總面積達(dá)到100畝，現(xiàn)在準(zhǔn)備對(duì)核心基地實(shí)施該項(xiàng)目。其中，基于移動(dòng)互聯(lián)終端視頻安全監(jiān)控區(qū)域50畝，建設(shè)典型灌溉基地15畝，基地分為南北2塊種植區(qū)，其中左邊種植區(qū)長(zhǎng)200 m，寬24 m，右邊種植區(qū)長(zhǎng)200 m，寬26 m，在地塊大的土地上建立一個(gè)水池，進(jìn)行渠道改造等，嘉興基地如圖4所示。

圖4　嘉興基地圖

當(dāng)?shù)貕K水分濕度值低于要求時(shí)自動(dòng)加水，高于要求時(shí)自動(dòng)停水，本項(xiàng)目采用滴灌灌溉。

具體指標(biāo)及功能要求為：

（1）遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制每塊地的含水率，也可手動(dòng)操作控制；

（2）可隨時(shí)查看土壤含水?dāng)?shù)據(jù)；

（3）可隨時(shí)查看基地的溫度數(shù)據(jù)，并能查詢歷史數(shù)據(jù)；

（4）實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)視頻監(jiān)控，能夠手機(jī)遠(yuǎn)程報(bào)警；

（5）實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)智能灌溉控制；

（6）實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理，級(jí)別越高，登錄權(quán)限越大。

5.2安裝技術(shù)流程路線及內(nèi)容

基于云服務(wù)的智能灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的推廣與實(shí)施的總體技術(shù)路線如圖5所示。

圖5　項(xiàng)目的總技術(shù)路線圖

實(shí)施工作內(nèi)容：

（1）水池建設(shè)，管路及電纜的敷設(shè)；

（2）狀態(tài)控制系統(tǒng)的集成安裝、調(diào)試；

（3）遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)安裝與調(diào)試；

（4）系統(tǒng)聯(lián)合功能測(cè)試、技術(shù)支持與集成調(diào)試；

（5）匯總建設(shè)成果，組織項(xiàng)目驗(yàn)收。

5.3主要成效

智能節(jié)水灌溉是浙江省“五水共治”節(jié)水環(huán)節(jié)的重要組成部分，采用智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化，不但能夠達(dá)到節(jié)水的目的，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地狀態(tài)，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效益，減少人工投入的成本以及提高基地的安全。因此該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)提高基地的智能化現(xiàn)代化水平、提高生產(chǎn)效益、減少水資源浪費(fèi)、提高基地安全監(jiān)管水平、增強(qiáng)基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。

為提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)灌溉、適時(shí)灌溉、解放勞動(dòng)力、發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)管等新技術(shù)，對(duì)土壤濕度和作物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行節(jié)水灌溉智能化、水肥一體化管理。節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)，并成功應(yīng)用于溫州市等各地區(qū)節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制工程。

（1）將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益；

（2）通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量；

（3）將使灌溉更加科學(xué)，方便、提高管理水平。

6　結(jié)束語(yǔ)

基于云技術(shù)的智能節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)，由無(wú)線閥門(mén)控制器、電磁閥、無(wú)線中繼器、無(wú)線水泵控制器、無(wú)線水分采集器、無(wú)線氣象站等設(shè)備和監(jiān)控中心組成。節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有布點(diǎn)靈活、施工方便、維護(hù)容易和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)變灌溉方式，提高作物品質(zhì)、增加作物產(chǎn)品，節(jié)約灌溉用水，提高灌溉管理水平。

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S274.2

A

1672-5387（2016）05-0022-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.008

2016-04-01

王建華（1975-），男，高級(jí)工程師，研究方向：水利水電工程。