“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺開發(fā)與應用

陳一飛，呂辛未，羅玉峰

（1.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，430072，武漢；2.武漢達潤達科技發(fā)展有限公司，430072，武漢）

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺開發(fā)與應用

陳一飛1，2，呂辛未2，羅玉峰1

（1.武漢大學水資源與水電工程國家重點實驗室，430072，武漢；2.武漢達潤達科技發(fā)展有限公司，430072，武漢）

農(nóng)業(yè)灌溉用水占我國水資源需求最大部分，針對我國現(xiàn)存的水資源利用問題以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的內(nèi)在要求，團隊搭建了一種基于移動網(wǎng)絡的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺，并開展了初步試驗。闡述了該智慧灌溉平臺的設(shè)計與開發(fā)過程，簡要介紹了平臺的使用方法和試點情況，對未來應用前景予以展望。

節(jié)水；智慧灌溉；物聯(lián)網(wǎng)；灌區(qū)信息化

我國人均水資源占有量低，在農(nóng)業(yè)用水的保有部分大，農(nóng)田灌溉用水又是農(nóng)業(yè)主要的用水對象，其比例一直保持在農(nóng)業(yè)用水量的90%以上，因此采用先進節(jié)水灌溉決策技術(shù)發(fā)展節(jié)水型灌溉農(nóng)業(yè)是解決我國水資源供應短缺問題的關(guān)鍵。目前的節(jié)水灌溉技術(shù)主要有“淺—濕—曬”、間歇灌溉、控制灌溉、蓄雨灌溉等方式。在南方地區(qū)多雨的氣候條件下，為最大限度保證作物的需水，通過天氣預報獲取未來降水情況、實時調(diào)整灌溉策略是多雨氣候區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉的一條重要路徑。

隨著20世紀末物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，智慧灌溉成了一個新興熱門課題：Vellidi等展示了以土壤濕度和溫度傳感器布置及對數(shù)據(jù)的分析為主要研究成果的灌溉系統(tǒng)；Manzano等建立了一個田間作物生長信息實時監(jiān)測系統(tǒng)；蔡學良與崔遠來等基于可視化VB語言開發(fā)了灌溉配水實時決策支持系統(tǒng)；陳維榕等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水肥一體化灌溉系統(tǒng)，并已投入應用。現(xiàn)有的灌溉決策系統(tǒng)多是以歷史氣象、墑情數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)由回歸算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行計算，并制定灌溉策略，且局限于單個系統(tǒng)，未考慮各系統(tǒng)、各數(shù)據(jù)源間的聯(lián)合分析。部分決策系統(tǒng)所做的工作僅僅是完成了機械化，仍為人工控制。

在相關(guān)國家基金項目支持下，團隊利用LAMP架構(gòu)，基于GPRS網(wǎng)絡和傳感器技術(shù)搭建了“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺（以下簡稱灌溉平臺），并在武漢、南昌等地開展了初步試驗，收集了作物生育期間的水分數(shù)據(jù)，并計劃對現(xiàn)有平臺進行深度擴展開發(fā)，開展商業(yè)化運營。

一、平臺設(shè)計與開發(fā)

1.灌溉平臺架構(gòu)

灌溉平臺通過GPRS網(wǎng)絡傳輸信號與數(shù)據(jù)，可以收集大范圍、分屬不同灌溉系統(tǒng)管轄的土壤水分數(shù)據(jù)，并通過發(fā)送預先設(shè)定的控制指令完成控制過程。用戶可以通過網(wǎng)頁客戶端和手機APP查詢、下載數(shù)據(jù)，管理自己的系統(tǒng)，并設(shè)定灌溉策略與完成手動調(diào)試。同時，灌溉平臺具備在后臺將各灌溉系統(tǒng)水分數(shù)據(jù)歸類、統(tǒng)一的能力，并收集、抓取各地的天氣數(shù)據(jù)以供實現(xiàn)灌溉決策，可同時進行多終端、多設(shè)備、多系統(tǒng)的管理，實現(xiàn)了從系統(tǒng)到平臺的跨越。

智慧灌溉系統(tǒng)實行的灌溉策略為：通過水位傳感器、土壤水分傳感器得到數(shù)據(jù)，判斷土壤水分或水層深度是否達到所設(shè)定的下限。同時結(jié)合從網(wǎng)站上自動抓取的本地天氣預報信息，可以根據(jù)平臺獨有的灌溉策略對每個控制器的對應開關(guān)做出判斷和自動控制，從而根據(jù)預設(shè)條件啟閉閥門，完成一次灌溉。不同于以往自動控制系統(tǒng)“到下限自動灌”的模式，程序會根據(jù)智慧灌溉策略并結(jié)合未來的天氣信息，決定是否進行充分灌溉，充分利用降雨，做到節(jié)水灌溉、高效用水。

2.灌溉平臺設(shè)計

灌溉平臺架設(shè)于云服務器，跳出了工業(yè)局域網(wǎng)的限制，擴大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?。用戶可通過域名訪問，并自助完成注冊、登錄、添加灌溉設(shè)備、提交必要信息等操作。

（1）灌溉平臺技術(shù)結(jié)構(gòu)

灌溉平臺的技術(shù)結(jié)構(gòu)為：灌溉平臺的底層采用了Linux操作系統(tǒng)，通過其上搭載的Apache服務器軟件和MySQL數(shù)據(jù)庫軟件，使用PHP語言和 CodeIgniter框架實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)庫調(diào)用，在用戶界面層上使用了Html、CSS、Javascript等前端技術(shù)。

（2）灌溉平臺功能實現(xiàn)

一是建立灌溉平臺各功能模塊所需數(shù)據(jù)庫，保存水分數(shù)據(jù)、用戶信息、天氣預報、灌溉決策等信息，并方便存取，保證處理效率。二是利用PHP爬蟲程序和Python通信程序通過Linux云服務器的定時任務功能實現(xiàn)自動抓取專業(yè)天氣預報網(wǎng)站氣象數(shù)據(jù)和自動收集傳感器水分信息，并存入對應數(shù)據(jù)庫。三是用戶可登錄用戶界面查看并定制要求，通過定時任務功能執(zhí)行灌溉決策核心程序，從數(shù)據(jù)庫中讀取所需信息并輸出判斷結(jié)果，如灌溉命令、灌溉時長等信息，并通過移動網(wǎng)絡發(fā)送給終端設(shè)備。四是接收到傳輸信號并確認無誤后，終端設(shè)備打開指定開關(guān)，開始執(zhí)行灌溉計劃，并在完成后反饋給灌溉平臺。未來還將通過當?shù)貧庀笳镜确答亴嶋H天氣信息，作為灌溉平臺自動學習功能的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.灌溉平臺開發(fā)工具與技術(shù)

灌溉平臺的開發(fā)采用瀏覽器/服務器（B/C）模式，網(wǎng)站以 LAMP（Linux+Apache+PHP+MySQL）架構(gòu)為基礎(chǔ)。以“新浪云”服務器上的Linux操作系統(tǒng)為底層運行灌溉預報核心程序以及Linux自帶的Crontab（計劃任務）功能，采用免費開源的MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及PHP擴展庫中內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，可以方便地對數(shù)據(jù)進行增、刪、改、查操作。由方便內(nèi)嵌于Web頁面的CSS、JS語言等組成交互友好的前端界面，采用MVC設(shè)計模式，可以將灌溉平臺模塊化，分離系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制和表示功能，并通過Code Igniter框架整合統(tǒng)一，為灌溉平臺的后續(xù)升級提供便捷。采用具有承載能力、多并發(fā)、開源免費的Apache Web Server軟件向用戶、管理人員提供安全、穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。

①Linux服務器 （云服務器）。Linux作為服務器端的操作系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，如支持多用戶多線程、權(quán)限制度完善、使用動態(tài)鏈接、內(nèi)置多種實用功能、目錄與URL體系統(tǒng)一等。近年云服務器發(fā)展迅速，具有操作簡單、運行維護成本低、訪問速度快等優(yōu)點，將灌溉平臺部署于云服務器上有利于對灌溉平臺進行管理、不同地區(qū)用戶訪問以及跨地區(qū)數(shù)據(jù)收集。

②Apache Web Server。Apache配置簡單，設(shè)置模塊化，同時服務器軟件與Linux系統(tǒng)高度兼容，可以滿足客戶端的絕大部分訪問要求。

③MySQL數(shù)據(jù)庫。MySQL數(shù)據(jù)庫本身與Linux操作系統(tǒng)結(jié)合緊密，支持多用戶多線程，支持SQL查詢語言，訪問速度快，查詢結(jié)果快速而可靠。

④PHP語言。PHP語言是一種開源、免費、功能強大的編程語言，其目的是為靜態(tài)網(wǎng)頁提供交互能力，同時Apache也為PHP語言提供了很好的支持。智慧灌溉決策主程序與天氣抓取程序都由PHP編寫，通過定時運行功能實現(xiàn)日常的判斷、抓取信息、發(fā)送信息等動作，實現(xiàn)軟硬件交互。

⑤通信服務程序。灌溉平臺的現(xiàn)有通信解決方案是利用 Modbus協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、Redis數(shù)據(jù)庫、GPRS移動網(wǎng)絡，通過Python通信程序整合來實現(xiàn)與傳感終端的通信。通過在終端指定域名和端口，可使平臺通信程序接收終端控制器所收集的數(shù)據(jù)，并通過通信程序的調(diào)用向控制器發(fā)送開關(guān)命令，實現(xiàn)信息交互。

⑥其他工具與技術(shù)。MVC（Model-View-Controller）設(shè)計模式將灌溉平臺分為三個層次：輸入、處理、輸出。控制器通過視圖（前端頁面）獲取用戶的查詢條件、設(shè)置信息等，調(diào)用模型根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進行查詢與處理，再由控制器把結(jié)果通過控制器返回到視圖，在信息完成交換的同時將前端與后端分隔，以保持代碼有序、保證數(shù)據(jù)安全。CSS語言內(nèi)嵌于Web頁面中，規(guī)定了頁面元素的顯示樣式，是構(gòu)建交互友好的操作界面的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上使用了 Bootstrap框架；JavaScript語言是內(nèi)嵌于 Web頁面代碼中的編程語言，可以實現(xiàn)頁面資源調(diào)用、條件觸發(fā)、動態(tài)頁面等功能；兩者共同配合，有助于用戶界面的開發(fā)與美化。

二、灌溉平臺使用及實際應用

1.平臺使用

平臺采用模塊化的設(shè)計方法，使各模塊相互獨立、互不影響，分工明確而覆蓋完全，采用對功能菜單分類的方法分別設(shè)計相應的界面。灌溉平臺的功能選項主要有：控制終端設(shè)備、管理設(shè)備信息、讀取與整理水分數(shù)據(jù)、實施智慧灌溉策略、數(shù)據(jù)下載等，通過一系列功能的配合完成對土壤、作物水分參數(shù)的精確管理，并達到“智慧灌溉”的目標。圖1展現(xiàn)了灌溉平臺的功能模塊。

①登陸界面。首頁右上角下拉菜單中可選擇登錄、注冊，左側(cè)菜單欄可選擇包括控制、管理、查詢信息、下載數(shù)據(jù)等一系列功能，平臺需在用戶登錄后才可使用。

②控制中心。用戶合法登錄后，可在“控制中心”頁實時觀測用戶賬號所屬的設(shè)備的水分數(shù)據(jù)，并可觀察設(shè)備在線狀態(tài)，進行手動操作和調(diào)試（如圖2）。用戶界面中可實時查看傳感器數(shù)據(jù)，并通過繼電器開關(guān)手動控制農(nóng)田用水。

③設(shè)備添加。用戶在設(shè)備管理標簽下可添加設(shè)備，選擇必要參數(shù)，并自主為設(shè)備命名。此處地理位置較為重要，主程序?qū)⒆x取所設(shè)置地區(qū)的天氣預報以進行智慧灌溉決策。

④傳感器數(shù)據(jù)整理。通過“傳感器數(shù)據(jù)校正”選項卡，用戶可以通過公式編寫自行對傳感器數(shù)據(jù)進行校正，也可以在“傳感器數(shù)據(jù)”頁面查看近期內(nèi)數(shù)據(jù)。平臺同時提供數(shù)據(jù)下載功能。

2.灌溉平臺實際應用

目前灌溉平臺已成功管理武漢大學灌溉排水試驗場、江西省灌溉試驗中心站的灌溉系統(tǒng)，其中武漢大學灌溉排水試驗場內(nèi)種植作物為吉祥草，江西省灌溉試驗中心站試驗基地種植作物為水稻。灌溉平臺現(xiàn)可支持水稻及多種旱作物，用水管理高效。通過灌溉平臺將水分數(shù)據(jù)收集歸納，節(jié)省了手動錄入數(shù)據(jù)的人工成本，避免了潛在的記錄誤差，保證了數(shù)據(jù)的真實性、可靠性。

江西省灌溉試驗中心站內(nèi)的灌溉系統(tǒng)是江西省水利廳科技項目“南方灌區(qū)節(jié)水減排關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（編號KT201427）的一部分。經(jīng)過前期的設(shè)備安裝、管道鋪設(shè)，現(xiàn)可正常運行，減少了人力資源投入與人工干預，目前正在進行節(jié)水灌溉試驗，進展良好。

武漢達潤達科技發(fā)展有限公司將著力于灌溉平臺的推廣應用，以建設(shè)服務于灌區(qū)、城市、園林的灌溉平臺為目的，通過推廣灌區(qū)信息化工程與管理服務、小區(qū)園林綠化灌溉系統(tǒng)、整合大數(shù)據(jù)資源等方式實現(xiàn)盈利和灌溉管理的高度智能化、集成化。

圖1 灌溉平臺功能模塊圖

圖2 控制中心界面

三、結(jié)論與展望

“互聯(lián)網(wǎng)+”灌溉平臺利用移動通信、大數(shù)據(jù)、云計算、機器智能等技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺，將互聯(lián)網(wǎng)思維深度融合于灌溉管理之中。灌溉平臺具有實際應用價值，同時實現(xiàn)了節(jié)水灌溉與作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，實現(xiàn)兩者的統(tǒng)一和有效水資源的充分利用。未來將通過海量灌溉相關(guān)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)方法，進行自主學習并實時改進灌溉策略，顯著提高灌溉智慧化水平。

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺已具有比較成熟的灌溉解決方案，可提供高度智能化的灌溉決策。在水分狀況等實時信息監(jiān)測的基礎(chǔ)上，精確預報未來作物需水，并考慮未來降水，綜合考慮降水有效利用和受旱減產(chǎn)風險。

在國家大力號召支持“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新的浪潮下，智慧灌溉平臺的應用前景廣闊。灌溉平臺既可以管理成千上萬個小型灌溉系統(tǒng)，也可通過全田塊水循環(huán)實時模擬模型及灌區(qū)水流精準“快遞”技術(shù)管理復雜的大型灌區(qū)。灌溉平臺的應用還將大幅度提高管理效率，降低軟件成本及人力成本；同時獲取海量灌溉管理數(shù)據(jù)，為智能決策提供數(shù)據(jù)支持。通過有效推廣，擴大覆蓋范圍，普及節(jié)水灌溉，可有效推進節(jié)水型社會建設(shè)。 ■

責任編輯 董明銳

Development and application of internet-plus-based wise irrigation system//

Chen Yifei,Lv Xinwei,Luo Yufeng

Agricultural irrigation has been the largest water consumer in China.According to the needs of modern agricultural development and current situation of water resources utilization,an internet-plus-based wise irrigation system has developed and passed the preliminary test.The paper makes an introduction on system design and development as well as its future application and implementation of pilot project.

water conservation;wise irrigation;internet of things;informatization of irrigation district

S275

B

1000-1123（2017）02-0046-03

2016-12-09

陳一飛，在讀碩士研究生。

國家自然科學基金項目（51179048），江西省水利廳科技項目（KT201427）。