智能农业灌溉监控系统的实现

李雪纯 孟利清 王征

摘   要：针对传统作物补水模式造成的水资源浪费问题，文章基于Java平台设计出了一套智能农业工程监控系统。合法身份用户可以根据个人需要选择所需的功能模块，并将参数通过智能网关来传达和执行，从而对系统进行控制管理。管理界面信息比较丰富，包括水源首部、农业灌溉工程监控、出地桩监控和地块阀门信息显示等主要模块。另外，通过设定的便捷搜索窗口，能够在简短步骤内完成搜索且准确度和速度较高。因此，该智能监控系统具有相对较好的应用前景。

关键词：智能农业;智能网关;工程监控;便捷搜索

农田灌溉是农业生产的重要环节，而传统的作物补水模式容易导致水资源浪费，每年有近亿亩农田无法得到充足灌溉，农业缺水量每年可达300亿m2 [1-2]。要改变传统灌溉利用率低的农业模式必须研究精准水量控制的先进技术，科学利用水资源才能实现高品质、高产量的农业生產[3-4]。

20世纪80年代Benami和Offen提出了一种基于控制器的土壤水分检测方法，且能将系统的运行效率和相关硬件等密切结合[5]。Raul Morais等[6]解决了ZigBee网络的供能问题，把太阳能、风能等资源利用起来并辅以ZigBee技术进行葡萄精密栽培。邱林等[7]基于太阳能光伏技术研制出了一套具有模糊理论控制水电能转换功能的精准灌溉控制系统。关林芳等[8]基于安卓手机平台提出了采用无线传感和通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）的农田灌溉预约模式。

鉴于以上研究，为了给用户提供更加高效、便捷的服务，本文设计的智能农业工程监控系统是一款基于Java平台的农业灌溉监控系统。用户需要以合法身份信息登录平台并根据自身需要选择必要的功能模块，且能依照不同农作物不同生长阶段特性进行模块参数设置。环境参数和控制模块可通过智能网关对灌溉系统的相应指令进行传达和执行。经实际验证该系统能够满足对农作物灌溉实时监控的需求且效果良好。

1    系统总体方案设计

此智能信息化农业工程监控系统主要是用来对农业灌溉进行监控管理，合理分析系统的相关参数，对软件进行控制管理。系统具有便捷的搜索栏，可以快速、准确搜索内容。用户只需执行较少的步骤即可获取需要的信息。

在服务器的模块设计方面，账户管理模块可以实现Web服务器登录、注册等功能。数据访问支持模块可给客户端提供灌溉信息数据的访问接口，用于数据查询。指令控制模块可接收环境的调控指令信息，并将其发送至信息模块与控制模块。数据存储模块主要储存灌溉管理系统的用户信息以及信息模块和控制模块的数据等。客户端接入模块主要是接收客户端的访问请求和建立Socket连接，并实现客户端和服务器的信息交互。监控模块可以通过摄像头让用户实时观测到灌溉动态。下面将对该系统能够实现的各部分模块进行介绍。

2    系统功能模块设计

2.1  水源首部

在水源首部方面，系统可以根据需要对不同的水源首部进行编号，能够实现对水泵前后管道压力报警值进行显示和对三相电的电压值、电流值、警告值进行输出显示。

2.2  农业灌溉工程监控

设计的农业灌溉工程监控系统如图1所示。

该系统不仅能够将压力表、水泵的压力值进行有效显示，还能完成对三相电流和三相电压的显示，并对累计电量、累计水量和瞬时流量进行统计。通过对冲肥阀和吸肥阀开关的控制，实现对施肥池液位高度A和液位高度B的控制。

2.2.1  灌溉预报

灌溉预报这一模块中，根据农作物所处的花期、不同深度土壤的含水量情况对农作物日耗水量进行统计，可以得到空气温度、作物日耗水量、降雨量和亩均灌溉量等信息。以1号土地的春玉米为例，对灌溉预报模块进行功能检测，检测时间为7月24日，春玉米处于开花阶段，日需水量为5.01 mm;1号土地土壤类型主要以砂壤土为主;当日土壤10 cm含水率21.3%，土壤20 cm含水率为21.0%，土壤40 cm含水率为20.7%，根据作物日耗水量预计未来几日灌溉情况如表1所示。

2.2.2  轮灌组监控

在轮灌组监控模块中，系统可以实现对不同轮灌组、不同阀门累计出水量的显示和对当前轮灌状态的实时监控。通过合理预判和评估，还可以预估出下次轮灌执行的合理时间，并对灌溉时长、累计次数和轮灌方式进行显示。

2.2.3  水量综合统计

在水量统计分析模块中，可以得出累计水量与亩均水量统计图，能够对不同出地桩灌溉面积、灌溉时长、累计灌水量和亩均灌水量的基本信息进行分析。

2.2.4  水量平衡分析

在水量平衡分析模块中，可以根据每年12个月份将首部与田间水量进行对比，分析指标包括水源出水量、水源耗电量、田间灌溉量、水源能耗系数和水量平衡状态。

2.3  出地桩监控与地块、阀门信息

在出地桩监控模块中，可以统计某农作物年灌溉总量、年灌溉时长和年灌溉次数。该系统还能够输出不同出地桩的累计流量、瞬时流量、灌溉时长、供电电压、电池电压、信号质量、管道压力、定位情况、警报信息和采集时间等基本信息。

地块信息模块可以将地块编号、名称、面积、灌溉定额、所属地域、地块拥有者和种植时间等进行直观显示。

阀门信息模块可以将阀门编号、名称、出地桩ID、首部ID、灌溉面积、供电电压、电池电压、管道压力、用户ID、规格型号、生产批次、网关编号和名称显示出来。

3    结语

文章基于Java设计的智能农业工程监控系统平台，能够为水资源浪费问题提供良好的解决方案。给用户提供的管理界面信息丰富，包括水源首部、农业灌溉工程监控、出地桩监控和地块阀门信息显示等主要模块。便捷搜索窗口可以在简短步骤内完成搜索且准确度较高、速度较快，为智慧水利发展提供了参考，在实现最优化灌溉方式道路上更前进了一步。在后期优化工作中，更要多考虑测量的影响因素，比如地下温湿度和酸碱度对传感器的影响等。

[参考文献]

[1]牟玉娟.我国农业节水灌溉现状与发展趋势[J].山东农业科学，2014（1）：124-126.

[2]郭珺.我国灌溉水利用系数的预测方法及对策研究[D].邯郸：河北工程大学，2009.

[3]韩建明，何志刚，钱亚明，等.作物智能化精准节水灌溉系统的研究[J].江西农业学报，2012（7）：130-132.

[4]李志博，田军仓.农田智能灌溉系统的研究进展[J].宁夏工程技术，2019（3）：275-279.

[5]HOLDER R，COCKSHULL K E.Effects of humidity on the growth and yield of glasshouse tomatoes[J].Journal of Horticultural Science，1990（1）：31-39.

[6]RAUL M，SAMUEL G，MATOS，et al.Sun，wind and water flow as energy supply for small stationary data acquisition platforms[J].Computers and Electronics in Agriculture，2008（2）：120-132.

[7]邱林，覃江峰.基于太陽能光伏技术的农田智能化灌溉系统[J].江苏农业科学，2016（5）：373-376.

[8]关林芳，胡彧.基于Andriod智能手机的农田灌溉预约系统设计[J].人民长江，2017（S1）：297-300.

Abstract：Aiming at the waste of water resources caused by the traditional crop water supply model， this paper designs a set of intelligent agricultural engineering monitoring system based on Java platform. Legal identity users can select the required functional models according to the needs of the individual and communicate and execute the parameters through the intelligent gateway， so as to control and manage the system. The management interface is rich in information， including the main modules such as water source head， agricultural irrigation project monitoring， exit pile monitoring and block valve information display. In addition， by setting a convenient search window， the search can be completed in short steps with high accuracy and speed. Therefore， the intelligent monitoring system has had relatively good application prospects.

Key words：intelligent agriculture; intelligent gateway; engineering monitoring; convenient search