基于移動互聯網的智能灌溉系統設計與開發

劉新剛，郝呈波

(1.萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100； 2.萊蕪市水資源管理辦公室，山東 萊蕪 271100)

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基于移動互聯網的智能灌溉系統設計與開發

劉新剛1，郝呈波2

(1.萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100； 2.萊蕪市水資源管理辦公室，山東 萊蕪 271100)

節水灌溉；移動互聯網；自動控制

介紹了移動通信和互聯網技術在節水灌溉自動控制系統中的應用，提出了系統核心構件的設計方案。利用無線通信終端或中央監控計算機，以及開發的智能管控裝置及其灌溉管理用APP和計算機軟件等控件，可實現對作物灌水的遠程自動精確控制，具有顯著的節水節能、節約土地、省工省時、增產增收等綜合效益。目前，該系統已應用于山東省多個地市的山丘區及平原灌區，并取得了良好的應用效果。

我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，人均耕地面積僅為世界平均數的1/3。多年來，全國98%以上的灌溉面積依然采用傳統的地面灌溉模式，其用水量占全國總用水量的68%，而水的有效利用率僅為50%左右，灌溉定額普遍偏高，實際灌水量平均高達6 000～7 500 m3/hm2。相比于平原地區，山丘區的灌溉面臨更為嚴峻的局面。我國山地和丘陵區面積占國土總面積的43%以上，約為平原地區面積的3倍。因水源條件差、地形地貌復雜、土地開發難度大，農業、林果業等種植業長期靠天祈水，收益平平。以北方土石山區為例，山丘區大量的種植業因干旱缺水而歉收，糧食作物單產不足平原地區的60%，甚至不足南方山丘區的50%，林果業與南方山丘區比較則相差更遠；而可灌溉的山丘區農田，因粗放的灌溉管理方式，不僅勞動強度大，大量浪費緊缺的水資源，而且容易導致土壤漬害，造成大量的水土肥流失。多年來，黨和國家堅持不懈地把加快發展現代農業、保障糧食安全作為一項重要戰略來推進，為新時期加快發展現代農業吹響了沖鋒號，也為加快高效節水灌溉技術的研究與應用注入了新動力。2013年以來，基于各級對加快發展高效節水灌溉、促進農業現代化進程的重大部署，為探索研究山丘區節水灌溉新模式，有效解決山丘區地面灌溉水、土、肥流失嚴重的問題，我們積極爭取山東省水利廳的科研與推廣項目支持，在萊蕪市棲龍灣水土保持科技示范園開展了“基于移動互聯網的智能灌溉系統設計與開發”研究，以研發和應用灌溉自動控制技術，提高節水灌溉設備的信息化和自動化水平，以期在破解山丘區耕地面積有限、淡水資源緊缺、水土肥流失嚴重和糧食需求不斷增強的難題上有所突破。

棲龍灣水土保持科技示范園是水利部命名的“國家水土保持科技示范園區”，地處萊蕪市口鎮棲龍灣小流域，占地112 hm2，其地形地貌在北方土石山區具有典型代表性。該示范園建成以來，已形成集生態、科研、技術推廣、科普教育和休閑觀光為一體且功能完備的科技示范體系，并充分發揮了在服務和促進區域經濟社會發展中的引領、支撐、輻射和帶動作用。本研究項目遴選此地實施，不僅切合選題方向，有助于增強課題研究的針對性，而且研究成果能集中展示、快速完善、持續發揮效用，對輻射帶動同類地區發展節水灌溉、保護水土資源具有重要意義。

1　技術路線

應用計算機與信息技術提高節水灌溉設備的自動控制水平，是當前節水灌溉技術發展的一個趨勢。對智能灌溉系統的研發，我們采取“灌區工程規劃建設—系統設計與開發—布設監測監控設備—增強人機交互功能—運行檢測與改進完善”的技術路線，重點開展了“灌溉智能控制系統”和“微灌技術應用系統”兩項研究，并在此基礎上開發了基于移動互聯網的智能灌溉技術綜合應用模式，以指導農民適時、適量、科學灌溉。

1.1灌溉智能控制系統

采用移動通信和互聯網技術、智能控制技術，研究灌溉計量、設備運行控制、監測數據采集與傳輸、自動化管理等內容，研發智能灌溉控制設備及其應用系統(基于Android平臺操作系統的手機客戶端和計算機應用軟件)，以實現灌區現場視頻監控、水文氣象監測、土壤墑情檢測、泵站運行控制、灌溉系統自動控制和監測數據信息開發利用等綜合應用目標。

1.2微灌技術應用系統

采取微灌、滴灌、小管出流等技術建設節水灌溉示范區，研究灌區節水灌溉系統布置和灌溉制度設計等內容，并結合工程實例進行水量及電能消耗測試、灌溉均勻度測試，土地節約利用、增產增收等對比分析。

根據灌區氣候特征、水源條件、土壤特性、植物類型等情況，采取如下設計參數：①微灌設計日耗水量Ea=6 mm/d；②設計土壤濕潤比P=55%；③設計灌水均勻度Cu=95%；④灌溉水利用系數T1=0.95；⑤土壤容重1.45 g/cm3；⑥田間持水量26%。經計算和試驗檢驗，確定以下灌溉制度：①梯田及坡地計劃濕潤層50 cm，設計灌水定額27.3 mm；設計灌水周期5 d；一次灌水延續時間9.8 h。②苗木綠化區計劃濕潤層30 cm，設計灌水定額16.4 mm；設計灌水周期3 d；一次灌水延續時間4.4 h。同時，為盡量節省工程投資，優化利用有限水資源，對各灌溉小區實行輪灌工作制度，梯田及坡地確定兩條支管為一個輪灌組，苗木綠化區確定一條支管為一個輪灌組。

2　系統設計

系統核心構件由管控裝置主控單元、移動控制管理終端和計算機應用軟件三部分組成。

2.1管控裝置主控單元

管控裝置主控單元硬件見圖1。研制的智能控制模塊，采用S50高頻射頻信號64位加密形式設置射頻用戶識別碼，以解決當前用戶正在使用灌溉設備時其他用戶發出手機信號干擾的問題；采用多頻次驗證編程方法，實現智能模塊和與之連接的無線通信裝置在接收手機遠程控制指令時，在智能自動拒接的同時智能識別來電身份信息[1]。

圖1　管控裝置主控單元硬件

采取以上關鍵技術，并應用工業控制專用CPU芯片開發的管控裝置主控單元，能支持移動和互聯網系統，實現遠程傳輸數據、執行遠程控制指令，實現了以下主要功能：①采取S50高頻射頻信號64位加密形式設置射頻用戶識別碼，可智能自動識別合法用戶，自動排除非法指令，防止誤操作發生，專業適應農業灌溉多用戶使用同臺設備的環境；②采取多頻次驗證編程方法，獨創了適時糾錯技術，可徹底解決數據安全性問題，實現了穩定性高、無故障免維護驗證；③應用大號紅色8位LED數碼管顯示，克服了漢字液晶顯示在陽光下看不清楚的缺點；④具備節電功能，待機5 min無人操作即自動休眠；⑤具備防竊電功能，以及超壓、過載、缺相、防雷保護功能；⑥結構設計科學，材質強度高，具有良好的運行記錄，能夠很好地適應野外安裝使用環境。

2.2移動控制管理終端

基于Android操作系統，設計開發專業化灌溉管理用APP，用水戶可通過APP發出指令，并經過管控裝置主控單元判斷是否為合法灌溉用水戶，繼而對各用水灌溉控制節點的電磁閥等設備實現遠程控制[2-3]。

開發的移動控制管理終端具有響應時間短、可靠性高、自適應能力強等特點，可實現如下功能：①灌溉控制功能。用戶無須在灌溉現場，即可通過智能手機對灌溉設備(如水泵、電磁閥等)進行遠程開關控制，系統安全，使用方便。②遠程服務功能。系統維護方與用戶之間能夠通過手機服務中心建立直聯，即時傳輸圖片及文字等信息，既便于雙方的溝通交流，從而為用戶在最短時間內保障系統的正常運行節約了寶貴時間，使用戶享受到快捷、便利、周全的服務，又節省了維護方到實地進行檢修的業務成本。③視頻監控功能。用戶可通過手機實時查看田間配置的遠程攝像頭監控畫面，及時、全面地了解現場動態。

2.3計算機應用軟件

針對節水灌溉項目管理的復雜性、用戶層次的多樣性、需求的多變性、監測點的分散性等特點，采用模塊化設計理念，在統一數據庫訪問接口與控制接口的基礎上，將每個業務功能抽象成服務信息模塊、基本信息模塊、基本功能模塊、GIS模塊等11個模塊單元(圖2)，使軟件便于操作、易于擴展。

圖2　系統應用軟件模塊結構

應用軟件在功能配置上，具備參數設置、數據采集控制和管理等功能。參數設置功能方面，可將植物生存閾值、氣象信息等各類數值的上下限和時長在軟件模塊中預設，使系統能夠在接收現場信息的基礎上，實現對所控制的設備自動發出指令，決定是否啟閉設備。數據管理功能方面，突出數據查詢和數據曲線顯示功能，使系統能夠配合管理人員快速準確地對灌水量、降水量等多種信息進行匯總、分析和研判。

3　硬件鏈接

基于以上設計理念，我們聯合一家高新技術企業開發了一款智能管控裝置及其灌溉管理用APP和計算機軟件等控件。

3.1智能管控裝置

開發的智能管控裝置，單機裝置由主控單元、功能模塊、電源單元和專用機柜四部分組成。該裝置底部直徑500 mm，頂部直徑1 000 mm，高1 100 mm，單臺設備占地0.4 m2；控制器箱體材質為SMC模壓高強度玻璃鋼材料，經機械模具高溫模壓而成，蘑菇狀的外形與周邊自然環境協調統一；箱體內部元器件選用工業級器件，線路板波峰焊機流水線生產；工業級芯片、程序編制方法經長期驗證使用，先進性和可靠性達到了優化狀態；感應操作區設置在圓蓋下面，防雨、防滲。

主要技術參數：①處理器為工業控制專用CPU芯片，具備大容量數據存儲空間；②射頻卡符合ISO/IEC14443A協議，32位唯一序列號；③工作頻率為13.56 MHz，通信速率為106 kbps，感應距離≤15 cm；④顯示8位數(999999.99)；⑤數字信號接口為RS-232/RS-485；⑥控制部分工作電壓為220Ⅴ±10%；⑦環境溫度-30～+70 ℃，相對濕度≤90%。

3.2現場設備鏈接

對灌區現場配置的自動氣象站、土壤水分儀、電磁閥、視頻監控器等檢測及監控設備，分別采取無線傳輸、有線直聯等方式與智能管控裝置及手機APP和計算機實現互聯互通(圖3)，并通過手機指令或互聯網應用平臺實現中央監控與調度系統對現場設備的遙測、遙控、遙信和遙調等功能。

圖3　現場設備鏈接

3.3主要工作程序

無線通信終端遠程智能灌溉控制方法：通過存儲有用戶信息和手機號的信息卡，與讀寫模塊、連接有無線通信終端的智能模塊進行通信并智能識別合法指令，繼而通過控制板實現控制電磁閥或水泵啟停灌溉。

中央監控計算機智能灌溉自動控制方法：土壤水分儀對土壤濕度進行檢測，用A/D轉換器將檢測信號轉換為數字信號；管控裝置主控單元與土壤水分儀和電磁閥實時通信，通過無線模塊與中央監控計算機通信，根據土壤水分儀檢測的數據，對比系統軟件控制相關單元設定的土壤濕度范圍值，由計算機自動決策是否啟閉灌排設備[4]。

4　應用效果

基于移動互聯網的智能灌溉系統，可將管網設施與電磁閥、智能管控裝置鏈接，組成簡易版的灌溉控制系統，成本低、實用性強；也可將土壤水分儀、自動氣象站、監控器等現場各類監測設備及灌溉管網設施等系統控制單元閉合鏈接，組裝高配版的智能灌溉控制系統，形成完整的智能灌溉控制體系。采用該系統發展節水灌溉，具有顯著的節水增效作用。與傳統全面積濕潤的地面灌溉相比，能夠以較小的流量濕潤作物根區附近的部分土壤，并可根據土壤墑情變化情況，由智能灌溉系統相機實施自動灌溉，以較小的水量來滿足作物的生長要求。項目區已建工程效益分析表明：林果生產可增加產量15%以上；較渠道灌溉可節地3%～5%；與渠道灌溉相比可節水60%以上，水的利用率達到95%以上，灌水均勻度達到0.9；每年每公頃土地灌溉用工可節省30～45個；可節約用電30%以上。采用該技術發展節水灌溉，在平原地區也有巨大發展空間，具有投資更小、維護更便利、使用更廣泛的特點。目前，該系統已應用于山東省多個地市的山丘區及平原灌區，累計發展節水灌溉面積超過1 067 hm2，平原灌區糧食作物單產增加10%以上，節水、節地和省工效益也高于山丘區。

5　結　語

采用移動通信和互聯網技術發展智能節水灌溉，可應用多種監測技術實測灌區的雨情、水情、土壤墑情等基礎信息，對不同作物不同生長期的需水量進行精確測算和遠程自動灌溉控制，具有顯著的節水節能、節約土地、省工省時、增產增收等綜合效益。該技術在山丘區應用，能明顯改善山丘區土壤的團粒結構，避免土地板結硬化，有效防止水、土、肥流失，保護生態環境，拉動山丘區經濟增長，經濟、社會和生態效益非常顯著；該技術適用于平原地區大面積發展節水灌溉及林業、園藝、蔬菜種植等多個領域，應用前景廣闊，能夠為發展綠色農業、有機農業、生態農業創造有利條件，對推進新形勢下節水灌溉事業的快速發展具有重要意義。

[1] 趙燕東，張軍，王海蘭，等．精準節水灌溉控制技術[M]．北京：電子工業出版社，2010:18-59．

[2] 薛慧霞，高林，王璐，等．基于智能手機的果園灌溉無線自動控制系統研究[J]．湖南農業科學，2010(19)：138-141．

[3] 孫燕，曹成茂，馬傳貴．基于無線數據傳輸的節水灌溉控制系統研究[J]．安徽農業科學，2010，38(3)：1444-1445．

[4] 胡海彬．果園土壤水分監視與灌溉自動控制研究[J]．河北農業大學學報，2012,12(4)：5-32．

(責任編輯張培虎)

2015-08-06

山東省水利科研與技術推廣項目(魯水財字〔2014〕13號)

S157；TP23

A

1000-0941(2016)04-0070-04

劉新剛(1973—)，男，山東萊蕪市人，工程師，研究生學歷，從事水土保持和信息自動化管理工作。