“互联网+”智慧灌溉平台开发与应用

陈一飞，吕辛未，罗玉峰

（1.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，430072，武汉；2.武汉达润达科技发展有限公司，430072，武汉）

“互联网+”智慧灌溉平台开发与应用

陈一飞1，2，吕辛未2，罗玉峰1

（1.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，430072，武汉；2.武汉达润达科技发展有限公司，430072，武汉）

农业灌溉用水占我国水资源需求最大部分，针对我国现存的水资源利用问题以及农业现代化发展的内在要求，团队搭建了一种基于移动网络的“互联网+”智慧灌溉平台，并开展了初步试验。阐述了该智慧灌溉平台的设计与开发过程，简要介绍了平台的使用方法和试点情况，对未来应用前景予以展望。

节水；智慧灌溉；物联网；灌区信息化

我国人均水资源占有量低，在农业用水的保有部分大，农田灌溉用水又是农业主要的用水对象，其比例一直保持在农业用水量的90%以上，因此采用先进节水灌溉决策技术发展节水型灌溉农业是解决我国水资源供应短缺问题的关键。目前的节水灌溉技术主要有“浅—湿—晒”、间歇灌溉、控制灌溉、蓄雨灌溉等方式。在南方地区多雨的气候条件下，为最大限度保证作物的需水，通过天气预报获取未来降水情况、实时调整灌溉策略是多雨气候区实现节水灌溉的一条重要路径。

随着20世纪末物联网概念的提出，智慧灌溉成了一个新兴热门课题：Vellidi等展示了以土壤湿度和温度传感器布置及对数据的分析为主要研究成果的灌溉系统；Manzano等建立了一个田间作物生长信息实时监测系统；蔡学良与崔远来等基于可视化VB语言开发了灌溉配水实时决策支持系统；陈维榕等开发了基于物联网的果园水肥一体化灌溉系统，并已投入应用。现有的灌溉决策系统多是以历史气象、墒情数据为基础由回归算法、神经网络算法进行计算，并制定灌溉策略，且局限于单个系统，未考虑各系统、各数据源间的联合分析。部分决策系统所做的工作仅仅是完成了机械化，仍为人工控制。

在相关国家基金项目支持下，团队利用LAMP架构，基于GPRS网络和传感器技术搭建了“互联网+”智慧灌溉平台（以下简称灌溉平台），并在武汉、南昌等地开展了初步试验，收集了作物生育期间的水分数据，并计划对现有平台进行深度扩展开发，开展商业化运营。

一、平台设计与开发

1.灌溉平台架构

灌溉平台通过GPRS网络传输信号与数据，可以收集大范围、分属不同灌溉系统管辖的土壤水分数据，并通过发送预先设定的控制指令完成控制过程。用户可以通过网页客户端和手机APP查询、下载数据，管理自己的系统，并设定灌溉策略与完成手动调试。同时，灌溉平台具备在后台将各灌溉系统水分数据归类、统一的能力，并收集、抓取各地的天气数据以供实现灌溉决策，可同时进行多终端、多设备、多系统的管理，实现了从系统到平台的跨越。

智慧灌溉系统实行的灌溉策略为：通过水位传感器、土壤水分传感器得到数据，判断土壤水分或水层深度是否达到所设定的下限。同时结合从网站上自动抓取的本地天气预报信息，可以根据平台独有的灌溉策略对每个控制器的对应开关做出判断和自动控制，从而根据预设条件启闭阀门，完成一次灌溉。不同于以往自动控制系统“到下限自动灌”的模式，程序会根据智慧灌溉策略并结合未来的天气信息，决定是否进行充分灌溉，充分利用降雨，做到节水灌溉、高效用水。

2.灌溉平台设计

灌溉平台架设于云服务器，跳出了工业局域网的限制，扩大了数据传输的范围。用户可通过域名访问，并自助完成注册、登录、添加灌溉设备、提交必要信息等操作。

（1）灌溉平台技术结构

灌溉平台的技术结构为：灌溉平台的底层采用了Linux操作系统，通过其上搭载的Apache服务器软件和MySQL数据库软件，使用PHP语言和 CodeIgniter框架实现控制与数据库调用，在用户界面层上使用了Html、CSS、Javascript等前端技术。

（2）灌溉平台功能实现

一是建立灌溉平台各功能模块所需数据库，保存水分数据、用户信息、天气预报、灌溉决策等信息，并方便存取，保证处理效率。二是利用PHP爬虫程序和Python通信程序通过Linux云服务器的定时任务功能实现自动抓取专业天气预报网站气象数据和自动收集传感器水分信息，并存入对应数据库。三是用户可登录用户界面查看并定制要求，通过定时任务功能执行灌溉决策核心程序，从数据库中读取所需信息并输出判断结果，如灌溉命令、灌溉时长等信息，并通过移动网络发送给终端设备。四是接收到传输信号并确认无误后，终端设备打开指定开关，开始执行灌溉计划，并在完成后反馈给灌溉平台。未来还将通过当地气象站等反馈实际天气信息，作为灌溉平台自动学习功能的数据基础。

3.灌溉平台开发工具与技术

灌溉平台的开发采用浏览器/服务器（B/C）模式，网站以 LAMP（Linux+Apache+PHP+MySQL）架构为基础。以“新浪云”服务器上的Linux操作系统为底层运行灌溉预报核心程序以及Linux自带的Crontab（计划任务）功能，采用免费开源的MySQL数据库管理系统以及PHP扩展库中内置的数据库操作函数，可以方便地对数据进行增、删、改、查操作。由方便内嵌于Web页面的CSS、JS语言等组成交互友好的前端界面，采用MVC设计模式，可以将灌溉平台模块化，分离系统的数据控制和表示功能，并通过Code Igniter框架整合统一，为灌溉平台的后续升级提供便捷。采用具有承载能力、多并发、开源免费的Apache Web Server软件向用户、管理人员提供安全、稳定的网络连接。

①Linux服务器 （云服务器）。Linux作为服务器端的操作系统具有许多优势，如支持多用户多线程、权限制度完善、使用动态链接、内置多种实用功能、目录与URL体系统一等。近年云服务器发展迅速，具有操作简单、运行维护成本低、访问速度快等优点，将灌溉平台部署于云服务器上有利于对灌溉平台进行管理、不同地区用户访问以及跨地区数据收集。

②Apache Web Server。Apache配置简单，设置模块化，同时服务器软件与Linux系统高度兼容，可以满足客户端的绝大部分访问要求。

③MySQL数据库。MySQL数据库本身与Linux操作系统结合紧密，支持多用户多线程，支持SQL查询语言，访问速度快，查询结果快速而可靠。

④PHP语言。PHP语言是一种开源、免费、功能强大的编程语言，其目的是为静态网页提供交互能力，同时Apache也为PHP语言提供了很好的支持。智慧灌溉决策主程序与天气抓取程序都由PHP编写，通过定时运行功能实现日常的判断、抓取信息、发送信息等动作，实现软硬件交互。

⑤通信服务程序。灌溉平台的现有通信解决方案是利用 Modbus协议、TCP/IP协议、Redis数据库、GPRS移动网络，通过Python通信程序整合来实现与传感终端的通信。通过在终端指定域名和端口，可使平台通信程序接收终端控制器所收集的数据，并通过通信程序的调用向控制器发送开关命令，实现信息交互。

⑥其他工具与技术。MVC（Model-View-Controller）设计模式将灌溉平台分为三个层次：输入、处理、输出。控制器通过视图（前端页面）获取用户的查询条件、设置信息等，调用模型根据输入的数据进行查询与处理，再由控制器把结果通过控制器返回到视图，在信息完成交换的同时将前端与后端分隔，以保持代码有序、保证数据安全。CSS语言内嵌于Web页面中，规定了页面元素的显示样式，是构建交互友好的操作界面的基础，在此基础上使用了 Bootstrap框架；JavaScript语言是内嵌于 Web页面代码中的编程语言，可以实现页面资源调用、条件触发、动态页面等功能；两者共同配合，有助于用户界面的开发与美化。

二、灌溉平台使用及实际应用

1.平台使用

平台采用模块化的设计方法，使各模块相互独立、互不影响，分工明确而覆盖完全，采用对功能菜单分类的方法分别设计相应的界面。灌溉平台的功能选项主要有：控制终端设备、管理设备信息、读取与整理水分数据、实施智慧灌溉策略、数据下载等，通过一系列功能的配合完成对土壤、作物水分参数的精确管理，并达到“智慧灌溉”的目标。图1展现了灌溉平台的功能模块。

①登陆界面。首页右上角下拉菜单中可选择登录、注册，左侧菜单栏可选择包括控制、管理、查询信息、下载数据等一系列功能，平台需在用户登录后才可使用。

②控制中心。用户合法登录后，可在“控制中心”页实时观测用户账号所属的设备的水分数据，并可观察设备在线状态，进行手动操作和调试（如图2）。用户界面中可实时查看传感器数据，并通过继电器开关手动控制农田用水。

③设备添加。用户在设备管理标签下可添加设备，选择必要参数，并自主为设备命名。此处地理位置较为重要，主程序将读取所设置地区的天气预报以进行智慧灌溉决策。

④传感器数据整理。通过“传感器数据校正”选项卡，用户可以通过公式编写自行对传感器数据进行校正，也可以在“传感器数据”页面查看近期内数据。平台同时提供数据下载功能。

2.灌溉平台实际应用

目前灌溉平台已成功管理武汉大学灌溉排水试验场、江西省灌溉试验中心站的灌溉系统，其中武汉大学灌溉排水试验场内种植作物为吉祥草，江西省灌溉试验中心站试验基地种植作物为水稻。灌溉平台现可支持水稻及多种旱作物，用水管理高效。通过灌溉平台将水分数据收集归纳，节省了手动录入数据的人工成本，避免了潜在的记录误差，保证了数据的真实性、可靠性。

江西省灌溉试验中心站内的灌溉系统是江西省水利厅科技项目“南方灌区节水减排关键技术研究与示范”（编号KT201427）的一部分。经过前期的设备安装、管道铺设，现可正常运行，减少了人力资源投入与人工干预，目前正在进行节水灌溉试验，进展良好。

武汉达润达科技发展有限公司将着力于灌溉平台的推广应用，以建设服务于灌区、城市、园林的灌溉平台为目的，通过推广灌区信息化工程与管理服务、小区园林绿化灌溉系统、整合大数据资源等方式实现盈利和灌溉管理的高度智能化、集成化。

图1 灌溉平台功能模块图

图2 控制中心界面

三、结论与展望

“互联网+”灌溉平台利用移动通信、大数据、云计算、机器智能等技术以及互联网平台，将互联网思维深度融合于灌溉管理之中。灌溉平台具有实际应用价值，同时实现了节水灌溉与作物的优质高产，实现两者的统一和有效水资源的充分利用。未来将通过海量灌溉相关数据，采用大数据方法，进行自主学习并实时改进灌溉策略，显著提高灌溉智慧化水平。

“互联网+”智慧灌溉平台已具有比较成熟的灌溉解决方案，可提供高度智能化的灌溉决策。在水分状况等实时信息监测的基础上，精确预报未来作物需水，并考虑未来降水，综合考虑降水有效利用和受旱减产风险。

在国家大力号召支持“互联网+”创新的浪潮下，智慧灌溉平台的应用前景广阔。灌溉平台既可以管理成千上万个小型灌溉系统，也可通过全田块水循环实时模拟模型及灌区水流精准“快递”技术管理复杂的大型灌区。灌溉平台的应用还将大幅度提高管理效率，降低软件成本及人力成本；同时获取海量灌溉管理数据，为智能决策提供数据支持。通过有效推广，扩大覆盖范围，普及节水灌溉，可有效推进节水型社会建设。 ■

责任编辑 董明锐

Development and application of internet-plus-based wise irrigation system//

Chen Yifei,Lv Xinwei,Luo Yufeng

Agricultural irrigation has been the largest water consumer in China.According to the needs of modern agricultural development and current situation of water resources utilization,an internet-plus-based wise irrigation system has developed and passed the preliminary test.The paper makes an introduction on system design and development as well as its future application and implementation of pilot project.

water conservation;wise irrigation;internet of things;informatization of irrigation district

S275

B

1000-1123（2017）02-0046-03

2016-12-09

陈一飞，在读硕士研究生。

国家自然科学基金项目（51179048），江西省水利厅科技项目（KT201427）。