基于物聯網的智慧灌溉信息管理系統設計

張 麗，唐有為

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

淡水資源短缺一直是世界范圍內面臨的嚴峻問題之一，農業灌溉是淡水資源消耗的主要原因，占據著用水量的80%。我國是農業大國，農業灌溉長期采用粗放式灌溉，造成了大量的水資源浪費。因此，采用合理有效的節水灌溉措施，制定科學智慧的灌溉方法，實現淡水資源的充分合理利用是解決淡水資源短缺、浪費的關鍵和必經之路。

利用物聯網、計算機等技術，通過采集火龍果種植示范區的降雨量數據、土壤墑情數據和管道流量數據，利用大數據分析，展開智慧灌溉信息系統的研究，可以為果園管理人員提供依據，從而快速、精準地作出灌溉決策，不僅可以縮減人力物力投入，提高經濟效益，還可以提升淡水資源的利用效率。

1 系統整體結構

本系統設計采用B/S架構，后端實現采用Spring Boot框架，前端實現采用Vue.js框架，監控數據和業務數據庫采用MySQL數據庫。整個系統組成框圖如圖1所示，主要由3大模塊組成：數據庫、數據收發系統、業務分析展示系統。①系統數據庫主要分為3類：實時采集數據庫、業務數據庫、系統管理數據庫；②數據收發系統負責與不同要素遙測站之間的通信，包括遙測站發送的降雨量、土壤墑情、管道流量等實時信息數據的接收、檢查、解析、計算、入庫以及發送下行命令給遙測站；③業務展示系統通過從數據庫中讀取監測數據，以報表或圖形的方式向用戶提供實時信息數據及歷史數據信息的查詢、展示、分析功能，并提供測點管理、系統管理功能。

圖1 智慧灌溉信息管理系統框圖

2 系統實現

2.1 數據庫設計

本系統數據庫設計采用MySQL數據庫。主要分為實時采集數據庫、業務數據庫和系統管理數據庫。①實時采集數據庫根據《基礎水文數據庫表結構及標識符標準》（SL324-2016）和《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》（SL323-2011）兩個國家標準進行表結構設計，如設備傳感器信息表、降雨量數據表、墑情數據表、流量數據表等；②業務數據庫表結構則根據需要建設相關表，如火龍果長勢及干旱多媒體數據表、火龍果產銷量數據表、智慧灌溉分析數據表等；③系統管理數據庫主要包括用戶信息表、角色信息表和權限信息表等。

2.2 數據收發系統設計

數據收發系統主要是實現對降雨量、墑情、流量等監測要素以及監測站點工況（信號強度、電池電壓等）數據的接收入庫。按照《水文監測數據通信規約》（SL651-2014）相關要求進行開發。為保證數據穩定正確接收，系統還需要對原始報文數據進行分類、糾錯、校驗等分析判斷處理，不符合要求的報文進行舍棄。同時，系統還對數據接收過程進行監控，記錄異常信息、數據量等日志。

在與遙測站保持通信的狀態下，系統還支持利用業務平臺往遙測站下發指令，遠程召測遙測站當前監測數據以及遙測站的相關配置參數和記錄信息，對遙測站進行校時、設置參數、控制管道電磁閥門開閉等。

2.3 業務分析展示系統設計

業務分析展示系統主要包含實時信息、測點管理、監測數據報表、監測數據圖、智慧灌溉分析、系統管理等模塊。①實時信息模塊用于展示各個監測站點雨量、墑情、流量的最新數據等，展示各測站的位置及基本信息等，同時可根據設置的閾值，對所接收到的實時數據發出警告；②測點管理可以查看測點的站點信息、遙測終端機的運行狀態、蓄電池電壓以及無線通信信號強度等；③監測數據報表功能可以統計導出雨量、墑情、流量等監測數據信息的Excel文件報表；④監測數據圖模塊是利用柱形圖或折線圖查詢展示雨量、墑情、流量等數據信息；⑤智慧灌溉分析模塊為利用園區感知設備采集到的雨量、墑情、流量等數據進行分析后進行自動灌溉決策，制定灌溉方案，通過下發指令給流量監測遙測站，控制管道電磁閥開啟或關閉，從而達到提高灌溉水利用率的目的；⑥系統管理功能包括用戶登錄驗證、菜單管理、角色設置、日志查看等。業務展示系統界面如圖2所示。

圖2 業務展示系統界面

3 智慧灌溉分析

火龍果智慧灌溉的難點在于需要根據不同季節火龍果的長勢和產量調節需水量，設定不同時期不同的閥門開啟灌溉閾值V max和V min。當監測到土壤墑情值小于V min時，自動開啟灌溉閥門；當監測到土壤墑情值大于V max時，自動關閉灌溉閥門。自動灌溉流程示意圖見圖3。

圖3 自動灌溉流程示意圖

本設計分為手動和自動兩種設定V max和V min值的方式。自動狀態下，系統通過分析園區當前和歷史不同區域的墑情值，結合雨量監測數據和管道流量數據，采用線性回歸的方式計算出V max和V min值，作為開啟和關閉閥門的閾值。若改為手動模式，管理人員可以人工設置V max和V min值，系統根據人工設置閾值進行灌溉控制。土壤水分變化圖見圖4。

圖4 土壤水分變化圖

4 結論

本設計系統以火龍果種植示范園區為背景，實現了一個雨量、墑情、流量數據信息的自動測報，并根據測報數據進行自動灌溉控制的基于物聯網的智慧灌溉信息管理系統。系統通過分析當前和歷史土地墑情數據，結合雨量數據和管道流量數據預測閥門開啟閾值，實現了火龍果園區的自動灌溉，減輕了人工管理的成本，提高了用水的灌溉效率。下一步，系統將根據使用情況，在監測站點布局、灌溉閾值計算等方面繼續進行優化和探究。