基于物联网的智能灌溉系统开发与应用

杨 琳 吴光星 罗玉峰

（1.中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430070；2.武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是信息时代发展的重要阶段。我国农业正处于从传统农业向规模化现代农业发展的大跨越阶段，物联网技术在农业种植上的应用不仅可以有效节约化肥、水、农药和劳动力等的投入，各种原材料的使用可以控制到非常精确的水平，种植管理可以像工业过程一样自动进行，从而促进农业向规模化经营和产业化发展。应用先进的自动化控制物联网技术，以作物实际需水为依据，以信息技术为手段，提高灌溉精准度，减少灌溉用工，降低管理成本成为必然趋势。

在湖北省技术创新专项（重大项目）支持下，团队结合互联网、物联网及信息化技术，搭建农业智慧灌溉云平台，在武汉、宜昌等地进行了初步试验。收集了作物生长期间的土壤水分和气象数据，并计划进一步开发现有平台并使用商业化运营。

1 系统的设计与开发

1.1 物联网系统架构

物联网平台系统总体结构分为客户层、服务层和执行层，客户层主要包括Web网页端和手机端；服务层主要是维持系统功能的云服务器；执行层包括井房远程控制、田间信息采集、视频采集、气象信息采集、施肥机控制等。客户端与服务层、服务层与执行层均通过Internet网络连接，执行层内各模块通过光纤网络连接，如图1所示。

图1 智能灌溉系统架构示意图

1.2 物联网平台系统设计

物联网平台系统设计包括硬件结构、软件功能和灌溉策略。硬件结构设计主要实现信息的远程传输及控制；软件功能主要分为通讯功能、界面功能和算法功能；灌溉策略为实现结合土壤墒情和气象数据的智能灌溉。

1.2.1 系统硬件设计

系统中的硬件系统结构图如图2所示，主要分布在服务层和执行层，服务层主要为云服务器，执行层硬件设备较多，主要包括电源设备、控制系统、水泵、电磁阀、监控视频等。执行层中的控制系统负责采集、传输、控制等任务。

图2 系统的硬件结构图

1.2.2 系统软件功能设计

系统软件部署在服务器和工控机上，主要软件功能包括通信服务、网页服务、通信服务和视频服务，如图3所示。

图3 系统的软件功能结构图

1.2.3 系统灌溉策略

系统采集作物的土壤墒情数据以及气象数据，通过灌溉策略分析是否需要对作物进行灌溉。系统的灌溉策略示意图如图4所示。

图4 系统的灌溉策略示意图

1.3 物联网平台灌溉系统开发工具与技术

浏览器/服务器（B/S）模式用于物联网平台系统的开发，系统免费开源的MySQL数据库管理系统以及JDBC（Java Database Connectivity，简称JDBC）。Tomcat服务器软件具有强大的扩展能力、高安全性、跨平台、开源、免费，为用户和管理者提供安全稳定的网络服务。

2 物联网平台的系统开发

物联网平台使用的系统采用的是模块化设计方法，这样可以让各模块之间相互独立且互不影响，还能分工明确，使之覆盖的范围更加完整。用户管理、园区信息管理、田间环境信息管理、灌溉施肥计划操作等，界面提供了一键式实时控制、传感器实时数据、历史数据查看等功能。

3 物联网平台系统实际应用

目前该物联网平台系统已应用于秭归县天翼柑橘种植园、武汉柏泉苗圃花卉种植园，实现了农业生产管理的自动化、智能化，提高了农业种植效率。该物联网平台系统在武汉柏泉苗圃花卉种植园区运营情况见图5。

图5 物联网平台系统开发主要功能展示

4 结论与展望

物联网平台系统主要形成集合气象信息、田间信息、水肥一体化控制、灌溉辅助决策等功能的智能灌溉系统。该系统采用B/S模式，可使用网页及手机对田间种植进行查询与管理。系统有效地实现了信息采集、灌溉、施肥等系统的远程控制，并采用计划控制的模式为用户提供方便、快捷、科学的操作功能。因此，基于物联网的智能灌溉系统的推广与应用，必将有效推进节水型社会的建设，大幅度提高管理效率，降低软件成本及人力成本，具有广阔的发展前景。