基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

楊 琳 吳光星 羅玉峰

（1.中工武大設(shè)計研究有限公司，湖北 武漢 430070；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是信息時代發(fā)展的重要階段。我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向規(guī)模化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的大跨越階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植上的應(yīng)用不僅可以有效節(jié)約化肥、水、農(nóng)藥和勞動力等的投入，各種原材料的使用可以控制到非常精確的水平，種植管理可以像工業(yè)過程一樣自動進(jìn)行，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)向規(guī)模化經(jīng)營和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。應(yīng)用先進(jìn)的自動化控制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以作物實(shí)際需水為依據(jù)，以信息技術(shù)為手段，提高灌溉精準(zhǔn)度，減少灌溉用工，降低管理成本成為必然趨勢。

在湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)（重大項(xiàng)目）支持下，團(tuán)隊(duì)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及信息化技術(shù)，搭建農(nóng)業(yè)智慧灌溉云平臺，在武漢、宜昌等地進(jìn)行了初步試驗(yàn)。收集了作物生長期間的土壤水分和氣象數(shù)據(jù)，并計劃進(jìn)一步開發(fā)現(xiàn)有平臺并使用商業(yè)化運(yùn)營。

1 系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為客戶層、服務(wù)層和執(zhí)行層，客戶層主要包括Web網(wǎng)頁端和手機(jī)端；服務(wù)層主要是維持系統(tǒng)功能的云服務(wù)器；執(zhí)行層包括井房遠(yuǎn)程控制、田間信息采集、視頻采集、氣象信息采集、施肥機(jī)控制等。客戶端與服務(wù)層、服務(wù)層與執(zhí)行層均通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接，執(zhí)行層內(nèi)各模塊通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1所示。

圖1 智能灌溉系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)設(shè)計包括硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能和灌溉策略。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸及控制；軟件功能主要分為通訊功能、界面功能和算法功能；灌溉策略為實(shí)現(xiàn)結(jié)合土壤墑情和氣象數(shù)據(jù)的智能灌溉。

1.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要分布在服務(wù)層和執(zhí)行層，服務(wù)層主要為云服務(wù)器，執(zhí)行層硬件設(shè)備較多，主要包括電源設(shè)備、控制系統(tǒng)、水泵、電磁閥、監(jiān)控視頻等。執(zhí)行層中的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集、傳輸、控制等任務(wù)。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件部署在服務(wù)器和工控機(jī)上，主要軟件功能包括通信服務(wù)、網(wǎng)頁服務(wù)、通信服務(wù)和視頻服務(wù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 系統(tǒng)灌溉策略

系統(tǒng)采集作物的土壤墑情數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，通過灌溉策略分析是否需要對作物進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)的灌溉策略示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的灌溉策略示意圖

1.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺灌溉系統(tǒng)開發(fā)工具與技術(shù)

瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式用于物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)免費(fèi)開源的MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及JDBC（Java Database Connectivity，簡稱JDBC）。Tomcat服務(wù)器軟件具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力、高安全性、跨平臺、開源、免費(fèi)，為用戶和管理者提供安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)平臺的系統(tǒng)開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)平臺使用的系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計方法，這樣可以讓各模塊之間相互獨(dú)立且互不影響，還能分工明確，使之覆蓋的范圍更加完整。用戶管理、園區(qū)信息管理、田間環(huán)境信息管理、灌溉施肥計劃操作等，界面提供了一鍵式實(shí)時控制、傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

目前該物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)已應(yīng)用于秭歸縣天翼柑橘種植園、武漢柏泉苗圃花卉種植園，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的自動化、智能化，提高了農(nóng)業(yè)種植效率。該物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)在武漢柏泉苗圃花卉種植園區(qū)運(yùn)營情況見圖5。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)開發(fā)主要功能展示

4 結(jié)論與展望

物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)主要形成集合氣象信息、田間信息、水肥一體化控制、灌溉輔助決策等功能的智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用B/S模式，可使用網(wǎng)頁及手機(jī)對田間種植進(jìn)行查詢與管理。系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了信息采集、灌溉、施肥等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并采用計劃控制的模式為用戶提供方便、快捷、科學(xué)的操作功能。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，必將有效推進(jìn)節(jié)水型社會的建設(shè)，大幅度提高管理效率，降低軟件成本及人力成本，具有廣闊的發(fā)展前景。