基于移动互联网的智能灌溉系统设计与开发

刘新刚，郝呈波

(1.莱芜市水土保持办公室，山东 莱芜 271100； 2.莱芜市水资源管理办公室，山东 莱芜 271100)



基于移动互联网的智能灌溉系统设计与开发

刘新刚1，郝呈波2

(1.莱芜市水土保持办公室，山东 莱芜 271100； 2.莱芜市水资源管理办公室，山东 莱芜 271100)

节水灌溉；移动互联网；自动控制

介绍了移动通信和互联网技术在节水灌溉自动控制系统中的应用，提出了系统核心构件的设计方案。利用无线通信终端或中央监控计算机，以及开发的智能管控装置及其灌溉管理用APP和计算机软件等控件，可实现对作物灌水的远程自动精确控制，具有显著的节水节能、节约土地、省工省时、增产增收等综合效益。目前，该系统已应用于山东省多个地市的山丘区及平原灌区，并取得了良好的应用效果。

我国人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，人均耕地面积仅为世界平均数的1/3。多年来，全国98%以上的灌溉面积依然采用传统的地面灌溉模式，其用水量占全国总用水量的68%，而水的有效利用率仅为50%左右，灌溉定额普遍偏高，实际灌水量平均高达6 000～7 500 m3/hm2。相比于平原地区，山丘区的灌溉面临更为严峻的局面。我国山地和丘陵区面积占国土总面积的43%以上，约为平原地区面积的3倍。因水源条件差、地形地貌复杂、土地开发难度大，农业、林果业等种植业长期靠天祈水，收益平平。以北方土石山区为例，山丘区大量的种植业因干旱缺水而歉收，粮食作物单产不足平原地区的60%，甚至不足南方山丘区的50%，林果业与南方山丘区比较则相差更远；而可灌溉的山丘区农田，因粗放的灌溉管理方式，不仅劳动强度大，大量浪费紧缺的水资源，而且容易导致土壤渍害，造成大量的水土肥流失。多年来，党和国家坚持不懈地把加快发展现代农业、保障粮食安全作为一项重要战略来推进，为新时期加快发展现代农业吹响了冲锋号，也为加快高效节水灌溉技术的研究与应用注入了新动力。2013年以来，基于各级对加快发展高效节水灌溉、促进农业现代化进程的重大部署，为探索研究山丘区节水灌溉新模式，有效解决山丘区地面灌溉水、土、肥流失严重的问题，我们积极争取山东省水利厅的科研与推广项目支持，在莱芜市栖龙湾水土保持科技示范园开展了“基于移动互联网的智能灌溉系统设计与开发”研究，以研发和应用灌溉自动控制技术，提高节水灌溉设备的信息化和自动化水平，以期在破解山丘区耕地面积有限、淡水资源紧缺、水土肥流失严重和粮食需求不断增强的难题上有所突破。

栖龙湾水土保持科技示范园是水利部命名的“国家水土保持科技示范园区”，地处莱芜市口镇栖龙湾小流域，占地112 hm2，其地形地貌在北方土石山区具有典型代表性。该示范园建成以来，已形成集生态、科研、技术推广、科普教育和休闲观光为一体且功能完备的科技示范体系，并充分发挥了在服务和促进区域经济社会发展中的引领、支撑、辐射和带动作用。本研究项目遴选此地实施，不仅切合选题方向，有助于增强课题研究的针对性，而且研究成果能集中展示、快速完善、持续发挥效用，对辐射带动同类地区发展节水灌溉、保护水土资源具有重要意义。

1　技术路线

应用计算机与信息技术提高节水灌溉设备的自动控制水平，是当前节水灌溉技术发展的一个趋势。对智能灌溉系统的研发，我们采取“灌区工程规划建设—系统设计与开发—布设监测监控设备—增强人机交互功能—运行检测与改进完善”的技术路线，重点开展了“灌溉智能控制系统”和“微灌技术应用系统”两项研究，并在此基础上开发了基于移动互联网的智能灌溉技术综合应用模式，以指导农民适时、适量、科学灌溉。

1.1灌溉智能控制系统

采用移动通信和互联网技术、智能控制技术，研究灌溉计量、设备运行控制、监测数据采集与传输、自动化管理等内容，研发智能灌溉控制设备及其应用系统(基于Android平台操作系统的手机客户端和计算机应用软件)，以实现灌区现场视频监控、水文气象监测、土壤墒情检测、泵站运行控制、灌溉系统自动控制和监测数据信息开发利用等综合应用目标。

1.2微灌技术应用系统

采取微灌、滴灌、小管出流等技术建设节水灌溉示范区，研究灌区节水灌溉系统布置和灌溉制度设计等内容，并结合工程实例进行水量及电能消耗测试、灌溉均匀度测试，土地节约利用、增产增收等对比分析。

根据灌区气候特征、水源条件、土壤特性、植物类型等情况，采取如下设计参数：①微灌设计日耗水量Ea=6 mm/d；②设计土壤湿润比P=55%；③设计灌水均匀度Cu=95%；④灌溉水利用系数T1=0.95；⑤土壤容重1.45 g/cm3；⑥田间持水量26%。经计算和试验检验，确定以下灌溉制度：①梯田及坡地计划湿润层50 cm，设计灌水定额27.3 mm；设计灌水周期5 d；一次灌水延续时间9.8 h。②苗木绿化区计划湿润层30 cm，设计灌水定额16.4 mm；设计灌水周期3 d；一次灌水延续时间4.4 h。同时，为尽量节省工程投资，优化利用有限水资源，对各灌溉小区实行轮灌工作制度，梯田及坡地确定两条支管为一个轮灌组，苗木绿化区确定一条支管为一个轮灌组。

2　系统设计

系统核心构件由管控装置主控单元、移动控制管理终端和计算机应用软件三部分组成。

2.1管控装置主控单元

管控装置主控单元硬件见图1。研制的智能控制模块，采用S50高频射频信号64位加密形式设置射频用户识别码，以解决当前用户正在使用灌溉设备时其他用户发出手机信号干扰的问题；采用多频次验证编程方法，实现智能模块和与之连接的无线通信装置在接收手机远程控制指令时，在智能自动拒接的同时智能识别来电身份信息[1]。

图1　管控装置主控单元硬件

采取以上关键技术，并应用工业控制专用CPU芯片开发的管控装置主控单元，能支持移动和互联网系统，实现远程传输数据、执行远程控制指令，实现了以下主要功能：①采取S50高频射频信号64位加密形式设置射频用户识别码，可智能自动识别合法用户，自动排除非法指令，防止误操作发生，专业适应农业灌溉多用户使用同台设备的环境；②采取多频次验证编程方法，独创了适时纠错技术，可彻底解决数据安全性问题，实现了稳定性高、无故障免维护验证；③应用大号红色8位LED数码管显示，克服了汉字液晶显示在阳光下看不清楚的缺点；④具备节电功能，待机5 min无人操作即自动休眠；⑤具备防窃电功能，以及超压、过载、缺相、防雷保护功能；⑥结构设计科学，材质强度高，具有良好的运行记录，能够很好地适应野外安装使用环境。

2.2移动控制管理终端

基于Android操作系统，设计开发专业化灌溉管理用APP，用水户可通过APP发出指令，并经过管控装置主控单元判断是否为合法灌溉用水户，继而对各用水灌溉控制节点的电磁阀等设备实现远程控制[2-3]。

开发的移动控制管理终端具有响应时间短、可靠性高、自适应能力强等特点，可实现如下功能：①灌溉控制功能。用户无须在灌溉现场，即可通过智能手机对灌溉设备(如水泵、电磁阀等)进行远程开关控制，系统安全，使用方便。②远程服务功能。系统维护方与用户之间能够通过手机服务中心建立直联，即时传输图片及文字等信息，既便于双方的沟通交流，从而为用户在最短时间内保障系统的正常运行节约了宝贵时间，使用户享受到快捷、便利、周全的服务，又节省了维护方到实地进行检修的业务成本。③视频监控功能。用户可通过手机实时查看田间配置的远程摄像头监控画面，及时、全面地了解现场动态。

2.3计算机应用软件

针对节水灌溉项目管理的复杂性、用户层次的多样性、需求的多变性、监测点的分散性等特点，采用模块化设计理念，在统一数据库访问接口与控制接口的基础上，将每个业务功能抽象成服务信息模块、基本信息模块、基本功能模块、GIS模块等11个模块单元(图2)，使软件便于操作、易于扩展。

图2　系统应用软件模块结构

应用软件在功能配置上，具备参数设置、数据采集控制和管理等功能。参数设置功能方面，可将植物生存阈值、气象信息等各类数值的上下限和时长在软件模块中预设，使系统能够在接收现场信息的基础上，实现对所控制的设备自动发出指令，决定是否启闭设备。数据管理功能方面，突出数据查询和数据曲线显示功能，使系统能够配合管理人员快速准确地对灌水量、降水量等多种信息进行汇总、分析和研判。

3　硬件链接

基于以上设计理念，我们联合一家高新技术企业开发了一款智能管控装置及其灌溉管理用APP和计算机软件等控件。

3.1智能管控装置

开发的智能管控装置，单机装置由主控单元、功能模块、电源单元和专用机柜四部分组成。该装置底部直径500 mm，顶部直径1 000 mm，高1 100 mm，单台设备占地0.4 m2；控制器箱体材质为SMC模压高强度玻璃钢材料，经机械模具高温模压而成，蘑菇状的外形与周边自然环境协调统一；箱体内部元器件选用工业级器件，线路板波峰焊机流水线生产；工业级芯片、程序编制方法经长期验证使用，先进性和可靠性达到了优化状态；感应操作区设置在圆盖下面，防雨、防渗。

主要技术参数：①处理器为工业控制专用CPU芯片，具备大容量数据存储空间；②射频卡符合ISO/IEC14443A协议，32位唯一序列号；③工作频率为13.56 MHz，通信速率为106 kbps，感应距离≤15 cm；④显示8位数(999999.99)；⑤数字信号接口为RS-232/RS-485；⑥控制部分工作电压为220Ⅴ±10%；⑦环境温度-30～+70 ℃，相对湿度≤90%。

3.2现场设备链接

对灌区现场配置的自动气象站、土壤水分仪、电磁阀、视频监控器等检测及监控设备，分别采取无线传输、有线直联等方式与智能管控装置及手机APP和计算机实现互联互通(图3)，并通过手机指令或互联网应用平台实现中央监控与调度系统对现场设备的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。

图3　现场设备链接

3.3主要工作程序

无线通信终端远程智能灌溉控制方法：通过存储有用户信息和手机号的信息卡，与读写模块、连接有无线通信终端的智能模块进行通信并智能识别合法指令，继而通过控制板实现控制电磁阀或水泵启停灌溉。

中央监控计算机智能灌溉自动控制方法：土壤水分仪对土壤湿度进行检测，用A/D转换器将检测信号转换为数字信号；管控装置主控单元与土壤水分仪和电磁阀实时通信，通过无线模块与中央监控计算机通信，根据土壤水分仪检测的数据，对比系统软件控制相关单元设定的土壤湿度范围值，由计算机自动决策是否启闭灌排设备[4]。

4　应用效果

基于移动互联网的智能灌溉系统，可将管网设施与电磁阀、智能管控装置链接，组成简易版的灌溉控制系统，成本低、实用性强；也可将土壤水分仪、自动气象站、监控器等现场各类监测设备及灌溉管网设施等系统控制单元闭合链接，组装高配版的智能灌溉控制系统，形成完整的智能灌溉控制体系。采用该系统发展节水灌溉，具有显著的节水增效作用。与传统全面积湿润的地面灌溉相比，能够以较小的流量湿润作物根区附近的部分土壤，并可根据土壤墒情变化情况，由智能灌溉系统相机实施自动灌溉，以较小的水量来满足作物的生长要求。项目区已建工程效益分析表明：林果生产可增加产量15%以上；较渠道灌溉可节地3%～5%；与渠道灌溉相比可节水60%以上，水的利用率达到95%以上，灌水均匀度达到0.9；每年每公顷土地灌溉用工可节省30～45个；可节约用电30%以上。采用该技术发展节水灌溉，在平原地区也有巨大发展空间，具有投资更小、维护更便利、使用更广泛的特点。目前，该系统已应用于山东省多个地市的山丘区及平原灌区，累计发展节水灌溉面积超过1 067 hm2，平原灌区粮食作物单产增加10%以上，节水、节地和省工效益也高于山丘区。

5　结　语

采用移动通信和互联网技术发展智能节水灌溉，可应用多种监测技术实测灌区的雨情、水情、土壤墒情等基础信息，对不同作物不同生长期的需水量进行精确测算和远程自动灌溉控制，具有显著的节水节能、节约土地、省工省时、增产增收等综合效益。该技术在山丘区应用，能明显改善山丘区土壤的团粒结构，避免土地板结硬化，有效防止水、土、肥流失，保护生态环境，拉动山丘区经济增长，经济、社会和生态效益非常显著；该技术适用于平原地区大面积发展节水灌溉及林业、园艺、蔬菜种植等多个领域，应用前景广阔，能够为发展绿色农业、有机农业、生态农业创造有利条件，对推进新形势下节水灌溉事业的快速发展具有重要意义。

[1] 赵燕东，张军，王海兰，等．精准节水灌溉控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2010:18-59．

[2] 薛慧霞，高林，王璐，等．基于智能手机的果园灌溉无线自动控制系统研究[J]．湖南农业科学，2010(19)：138-141．

[3] 孙燕，曹成茂，马传贵．基于无线数据传输的节水灌溉控制系统研究[J]．安徽农业科学，2010，38(3)：1444-1445．

[4] 胡海彬．果园土壤水分监视与灌溉自动控制研究[J]．河北农业大学学报，2012,12(4)：5-32．

(责任编辑张培虎)

2015-08-06

山东省水利科研与技术推广项目(鲁水财字〔2014〕13号)

S157；TP23

A

1000-0941(2016)04-0070-04

刘新刚(1973—)，男，山东莱芜市人，工程师，研究生学历，从事水土保持和信息自动化管理工作。