智慧节水灌溉云系统的开发与应用

王建华，叶　彪（.浙江省钱塘江建设开发总公司，浙江 萧山 30000；.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 30000）

智慧节水灌溉云系统的开发与应用

王建华1，叶彪2
（1.浙江省钱塘江建设开发总公司，浙江 萧山 310000；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

针对我国农业灌溉效率普遍低下，切合实际情况，将采用一个基于云服务的智能化节水灌溉自动控制系统，实现嘉兴海宁钱塘江种植基地的节水灌溉自动化、智能化、现代化和先进性，为浙江省提供一个示范基地。在控制系统中，采用了云服务、移动互联网平台等关键技术，构建了系统管理、大数据库服务、智能灌溉控制、移动视频监管、移动远程监控等组成系统。核心功能实现现地自动滴灌、自动控制操作；实现智能控制闭环；实现温度、湿度的典型点数据监测与显示，通过手机自动控制基地控制系统，实现远程智能灌溉，可以查询基地的温度、湿度状态等特色功能。解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。实践表明，采用智能节水灌溉自动化，不但能够达到节水的目的，而且可以实时监控整个农业生产基地状态，提高农作物的生产效益，减少人工投入的成本以及基地的安全。该项目的实施对提高基地的智能化现代化水平、提高生产效益、减少水资源浪费、提高基地安全监管水平、增强基地的示范和辐射作用等方面具有重要意义。完成后将为基地高端节水灌溉合作产业化、搭建节水灌溉科技创新和推广平台打下一定基础。

节水灌溉；智能；推广；实施；云服务；示范

1　引言

据资料，我国农业用水量约占总用水量的80％左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45％，而水资源利用率高的国家已达70％～80％，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源紧缺是非常重要的。现有的节水灌溉系统虽然在降低作物灌溉成本，提高作物产量上有明显的作用，但由于常规滴灌系统存在许多问题尚待解决，致使灌溉的合理性无法得到有效执行。主要有如下几方面的问题：

（1）人工操作的随意性过大，不能够严格执行灌溉制度；

（2）经验灌溉，无法保证灌溉的均匀度；

（3）全部人工操作，工做量大，无法解放劳动力。

通过实施灌溉自动化控制，可减少或避免人为因素的影响。因为作物生长需要水肥供应，而水肥供应靠精准灌溉来实现，滴灌技术和自动控制技术是精准灌溉最有效的技术解决途径。滴灌技术为作物生长提供了技术保证，也为自动控制技术提供了应用平台。因此可以说，滴灌自动化控制与智能化管理技术将使灌溉达到真正节水增产增效之目的。

2　总体方案构建

2.1总体目标

实施的总体目标是：建立一个基于云服务的智能化节水灌溉自动化控制系统，实现嘉兴宁海钱塘江种植基地的节水灌溉自动化、智能化、现代化和先进性，为浙江省提供一个示范基地。实施还引入先进的移动互联终端监控平台，对智能节水灌溉自动化系统的总体框架设计如图1所示。

其主要内容包括：

（1）基地基础灌溉设施建设（包括水泵、增压泵、水池、管道、阀门、安全阀、渠道建设等）；

（2）现地自动化控制系统建设（包括传感器、电磁阀、RS485通讯系统、PLC控制系统、控制机、现地状态监控软件、移动状态监控系统）；

图1　总体框架设计图

（3）智能视频控制系统（球形摄像头、无线节点、智能网关、云台、移动控制终端系统）；

（4）云服务平台（包括云空间、云数据库开发、云后台服务系统、大数据存储机制配置等）；

（5）移动互联平台（包括状态无线发送系统、状态无线接受系统、视频无线接收系统、移动监控平台）。

2.2总体功能分析及主要内容

（1）基地基础灌溉设施建设

主要实现灌溉的基础设备及设施，为可控系统。包括实施水泵、水池、管道、阀门、安全阀、渠道等。

（2）现地自动化控制系统建设

主要实现基本的现地控制功能，为后续的移动监控服务。传感器、电磁阀、RS485通讯系统、PLC控制系统、控制机、现地状态监控软件、移动状态监控系统。

（3）智能视频控制系统

主要实现远程视频安全监管。主要包括球形摄像头、无线节点、智能网关、云台、移动控制终端系统。

（4）云服务平台

主要实现云技术，升级监控系统。云空间、云数据库开发、云后台服务系统、大数据存储机制配置等。

（5）移动互联平台

主要实现移动互联，手机终端的状态和视频监控和监管。包括状态无线发送系统、状态无线接受系统、视频无线接收系统、移动监控平台。

3　核心功能描述

3.1系统管理

系统的初始配置，包括用户登录、权限管理、数据配置。基于云服务的角色访问控制，可以对各模块的访问进行授权设置。

3.2大数据库服务

采用基于云服务的大数据库开发与管理，数据存储在云空间，实现数据的实时查询、历史回放、状态数据历史查询、报表、打印等功能。

3.3智能灌溉控制

实现现地自动滴灌、自动控制操作；实现智能控制闭环。实现温度、湿度的典型点数据监测与显示。

3.4移动视频监管

实现远程无线视频监管，手机直接监管基地现场。

3.5移动远程监控

通过手机自动控制基地控制系统，实现远程智能灌溉。手机界面可以查询基地的温度、湿度状态。

4　关键技术

4.1云服务

为了提高整个基地的示范和辐射作用，准备将最先进的云服务技术融入到整个自动化灌溉系统的实施过程。

浙江同济水能水资源研究所和浙江禹贡信息科技有限公司联合对智能节水灌溉自动化系统进行技术公关和升级，并成功地将云服务技术应用到智能自动化灌溉领域，在国内达到先进水平，该项技术获得浙江省农业科技成果转化与推广奖。

本项目的实施拟采用最新版本的、最先进的“基于云技术的智能节水灌溉自动化控制系统”，旨在整个基地的灌溉现代化、智能化、高端化方面取得阶段性的成效。

（1）基于云服务的大数据库

数据库采用云服务的大数据库系统，节约了服务器、网络等投资成本，也使得数据更加安全可靠，是最新技术的数据实现。

本系统采用云服务的大数据库开发技术，在提高系统可靠性、安全性、可拓性的方面之外，节约了投资成本。使整个系统更加符合基地的实际需求。云服务的大数据库如图2所示。

（2）基于西门子PLC-200型现地智能灌溉控制系统

基于西门子PLC-200型为核心控制器的灌溉控制系统，如图3所示。

1）嵌入智能现地控制软件，与传感器、采集器、串行通讯系统、触摸屏、PC机、电磁阀等形成闭环控制。

2）采用无线网关，实现基于云服务的远程移动状态监控。

3）实现现地智能控制，触摸屏控制，现地计算机控制等功能，实现数据查询、打印等。

图2　基于云服务的大数据库平台设计图

图3　基于西门子PLC-200型现地智能灌溉控制系统

4.2移动互联

基于云服务技术的融入和技术突破，为客户端的移动互联提供了技术平台保障。为了解决整个基地的远程无缝监管问题，本项目的实施将引入先进的移动互联终端监控平台。浙江同济水能水资源研究所和浙江禹贡信息科技有限公司联合对智能节水灌溉自动化系统终端进行了基于移动互联的开发与升级，目前已经成功应用到多个农业基地的生产与安全监管。

移动互联平台的引入，减少了项目的硬件投入成本、加强了远程监管的水平以及实现了“随地可监管、无时不监控”等功能。

（1）基于移动互联的远程智能控制系统

为了方便管理人员进行远距离智能监测与控制，开发了基于云服务的移动互联型远程智能控制系统。

本系统以基于西门子PLC-200型现地智能灌溉控制系统为基础，通过无线网关，在手机上可以实现自动灌溉控制。手机上也可以查询基地的温度和湿度等状态参数。本系统的控制可以配合移动终端的远程视频监管系统进行。

（2）基于移动互联的远程视频监管系统

为了加强安全监管，采用基于移动互联的远程视频监管系统，该系统在移动平台上实现的视频监测，通过基于移动互联的远程智能控制系统实现控制功能，同时具有手机远程启动报警装置，防止闲人进入基地，保障基地的安全。

5　实施案例分析

5.1实施基地介绍

本基地位于嘉兴地区海宁市钱塘江江畔，基地总面积达到100亩，现在准备对核心基地实施该项目。其中，基于移动互联终端视频安全监控区域50亩，建设典型灌溉基地15亩，基地分为南北2块种植区，其中左边种植区长200 m，宽24 m，右边种植区长200 m，宽26 m，在地块大的土地上建立一个水池，进行渠道改造等，嘉兴基地如图4所示。

图4　嘉兴基地图

当地块水分湿度值低于要求时自动加水，高于要求时自动停水，本项目采用滴灌灌溉。

具体指标及功能要求为：

（1）远程和现地控制每块地的含水率，也可手动操作控制；

（2）可随时查看土壤含水数据；

（3）可随时查看基地的温度数据，并能查询历史数据；

（4）实现手机移动视频监控，能够手机远程报警；

（5）实现手机移动智能灌溉控制；

（6）实现权限管理，级别越高，登录权限越大。

5.2安装技术流程路线及内容

基于云服务的智能灌溉自动控制系统的推广与实施的总体技术路线如图5所示。

图5　项目的总技术路线图

实施工作内容：

（1）水池建设，管路及电缆的敷设；

（2）状态控制系统的集成安装、调试；

（3）远程状态监控系统安装与调试；

（4）系统联合功能测试、技术支持与集成调试；

（5）汇总建设成果，组织项目验收。

5.3主要成效

智能节水灌溉是浙江省“五水共治”节水环节的重要组成部分，采用智能节水灌溉自动化，不但能够达到节水的目的，而且可以实时监控整个农业生产基地状态，提高农作物的生产效益，减少人工投入的成本以及提高基地的安全。因此该项目的实施对提高基地的智能化现代化水平、提高生产效益、减少水资源浪费、提高基地安全监管水平、增强基地的示范和辐射作用等方面具有重要意义。

为提高水资源利用率，实现精细灌溉、适时灌溉、解放劳动力、发展高效农业，节水灌溉自动化控制系统应用互联网远程监管等新技术，对土壤湿度和作物生长实时监测，对灌区灌溉用水进行监测预报，实行节水灌溉智能化、水肥一体化管理。节水灌溉自动化控制系统具有如下优点，并成功应用于温州市等各地区节水灌溉自动化控制工程。

（1）将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益；

（2）通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量；

（3）将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。

6　结束语

基于云技术的智能节水灌溉自动化控制系统是基于物联网技术的无线灌溉自动化系统，由无线阀门控制器、电磁阀、无线中继器、无线水泵控制器、无线水分采集器、无线气象站等设备和监控中心组成。节水灌溉自动化控制系统具有布点灵活、施工方便、维护容易和成本低廉的优势，转变灌溉方式，提高作物品质、增加作物产品，节约灌溉用水，提高灌溉管理水平。

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S274.2

A

1672-5387（2016）05-0022-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.008

2016-04-01

王建华（1975-），男，高级工程师，研究方向：水利水电工程。