Web 下节水灌溉远程监控系统 ——评《节水灌溉规划》

周晓娟

（河南经贸职业学院计算机工程学院，郑州 453003）

我国水资源人均占有量仅为全球人均水量的25%左右，是世界贫水大国。在水资源消耗中，农业用水量约为总用水量的90%左右。在开展大棚种植及大规模的农田种植中，传统需要进行人工灌溉，以确保农业种植的产量。现如今，农业灌溉系统采用多个传感器分布节点进行水量控制，实现多点灌溉。为减少灌溉用水量，达成节水灌溉，要求开展节水灌溉的远程监控系统设计，依托监控系统对灌溉点出水量进行监测，并开展智能调节，进而确保灌溉效率。因此，研究节水灌溉远程监控系统在降低灌溉成本，提升农业产品方面有着十分重要的现实意义。节水灌溉远程监控系统受诸多因素影响，控制参数复杂，对节水灌溉精确控制、监控存在不小难度。为满足远程监控灌溉系统需求，本文提出Web 下的节水灌溉远程监控系统，以满足节水灌溉远程监控的实际需求。由高峰等编著黄河水利出版社出版的《节水灌溉规划》立足于近年来我国在节水灌溉科学研究和生产实践中积累的大量成果与经验，以我国实行一系列与节水灌溉规划相关的技术标准为准则，并借鉴国外先进的节水灌溉技术和工程管理经验，同时参考了1999 年版《水土资源评价与节水灌溉规划》的部分内容编写而成，表现出极强的实用性。本文便以该书为指导，对Web 下节水灌溉远程监控系统展开探索研究。

《节水灌溉规划》分为12 章，在第一章中，作者首先阐述了节水灌溉在我国农业发展中的作用，其次介绍了节水灌溉发展概况，再次阐述了节水灌溉规划的重要作用，最后探讨了节水灌溉规划现状与展望。在第二章中，分别阐述了节水灌溉的规划原则和规划内容。在第三章中，首先分析评价了区域水资源量和水质状况，其次阐述了水资源利用现状，最后探讨了可利用量与可供农业水量。在第四章中，分别分析了区域需水结构、用水定额以及需水量。在第五章中，首先介绍了土地资源利用分类，其次阐述了土地资源调查，再次评价了土地适宜性和土地经济。在第六章中，分别阐述了水土资源供需平衡分析内容与原则、水资源供需平衡分析方法、土地资源供需平衡分析方法等内容。在第七章中，分别阐述了工程类型的选择、工程设计标准、工程设计流量等内容，最后五章分别论述了灌溉管理、工程概（估）算、效益分析与经济评价、环境影响评价、实例等内容。本书内容覆盖面广泛，逻辑结构明确，紧随时代发展步伐，兼具理论性和实用性，作者立足于基础理论知识介绍，通过构建基本理论体系，同时结合各式各样的规划实例，以唤起读者的阅读兴趣，提高读者对节水灌溉规划有效理解与认识。通过对本书的学习，可提高学生对节水灌溉规划的掌握水平，并可为节水灌溉规划实践提供有力指导。《节水灌溉规划》不仅可供培训基层水利人员及从事节水灌溉规划的工作者使用借鉴，还可作为相关专业院校师生及科研人员在教学、科研、生产工作的参考用书。

《节水灌溉规划》一书指出，节水灌溉是通过采用各式各样工程节水措施、农业节水技术手段等，以减少从地表水、地下水或其他水源中引取的灌溉水量。节水灌溉的普及，有助于提升农业机械化、集约化以及现代化水平，进一步可推动农业发展。同时，发展节水灌溉还可促进节水灌溉设备制造等相关产业的发展，提升农业灌溉设备的科学技术水平，对实现农田灌溉现代化、管理科学化，实现传统农业向现代农业的转变有着十分重要的意义。节水灌溉第一步要结合具体的测量资料分析获取实际需要向农作物灌溉的水量，这一环节涉及到作物水分生理、生态关系等内容的分析。紧接着，深入研究作物产量与水分的关系，借助灌溉经济学、系统工程学等理论获取作物水分生产函数，为节水灌溉和经济用水提供有力依据。对节水灌溉量进行合理控制是节水灌溉的一项重要内容，其旨在提升农田灌溉用水效率及水分生产率。随着我国节水灌溉理论、技术的不断发展完善，研究人员不断应用各式各样的科学技术来改善灌溉方法，以确保适时适量灌溉，提升水资源利用效率，控制灌溉成本。在此背景下，节水灌溉远程监控系统应运而生。

为了提升灌溉效率，降低灌溉成本，满足节水灌溉远程监控需求，本文提出一种基于Web 的节水灌溉远程监控系统。经过对节水灌溉使用需求调研，该系统需要具备以下几项功能：第一，现场控制功能。一是需要进行实时监测，将各类仪表设备所收集的数据与阀门信息情况清晰全面的显示在监控界面上，并按照所采集的信息自动生成报表，便于实时查询与分析；二是需要实时控制阀门水泵，并在系统主界面展示阀门、水泵的不同状态，并直接反映控制阀门水泵的操作结果；三是自动形成操作日志，对控制水泵、阀门等操作行为进行自动记录，生成操作日志，对操作时间、动作、对象、操作员等信息进行记录；四是根据所采集的雨量信息、水位信息等数据，结合灌区所需供水量，自动判断是否需要供水以及供水量，自动控制阀门与水泵，实现自动供水。第二，远程监控功能。一是进行远程监控，采集数据，查看灌区阀门与水泵状态，并采集灌区流量等信息，并对数据进行分析处理；二是局域网查询，加入局域网且拥有操作权限的计算机可以远程实现灌区信息插叙分析。系统设计方面，首先，在监控系统总体设计构架上，节水灌溉远程监控系统是以互联网为基础依托浏览器远程控制现场设备，并对现场开展图像、视频等信息采集的一个信息化系统。因为各泵站与控制中心存在一定距离，本次选取3G 路由器实现各泵站与控制中心的通讯。在控制中心，管理人员通过连接互联网的计算机或移动终端即可实现对现场设备的实时查看与调控。本系统主要由控制中心和现场设备两大部分构成，其中，控制中心包括数据采集、抓图、Web 服务器及数据库服务器等部分；现场设备包括3G 路由器、食品服务器及PLC 等部分。对于控制中心各组成部分而言，数据采集模式通过与各站点路由器建立连接，可实现对开关状态、水位状况等数据的采集，并可实现对网页上相关控制指令的转发。抓图模块可结合路由器IP 地址定时从视频服务器采集图片，并将采集图片存储于数据库中。Web 服务器可实现对采集数据、图片的对外发布，便于用户对数据库中相关信息数据进行查看。对于现场设备各组成部分而言，3G路由器主要可实现数据转发、地址映射功能。数据转发是对数据采集模块传输的采集指令进行响应，并将相关的数据予以返回便对PLC 控制指令进行转发，进一步实现远程控制。地址映射则是将公网的IP 映射到私网中的视频服务器IP，使抓图模块可经由IP 地址、端口号采集视频服务器上的图片。视频服务器主要可实现现场视频采集、现场图片抓拍功能。在视频服务器的支持下，可对现场设备进行实时监控。PLC 主要作用于采集闸门开关、水位状况等数据，并执行路由器串口传输来的数据采集命令及闸门的开关状态。

作为基于Socket 通信的服务器，本系统通过服务端开启监控，现场3G 路由器被用作客户端有序向服务器传输套接字连接请求。建立连接后服务器有序向客户端传输查询指令，路由器接收到指令后结合相关规则，将指令传输至PLC，进一步将PLC 返回的指令经由Socket 返回至服务器。现阶段，软件的系统架构包括有C/S 架构、B/S 架构等，对于系统的设计选取合理的架构尤为关键，本系统设计选取B/S 模式。在服务器中，B/S 模块可实现各项逻辑功能，其数据则存储于服务器中。客户端仅需通过浏览器向服务器提出数据请求，便可对内网中的相关数据进行访问。对于这一功能的具体实现，是系统数据库的信息及采集的图片通过网页服务器进行发布，进一步提供给外网用户查看。数据采集模块中相关端口可实现与网络的有效连接，并将网页的控制指令传输至PLC，PLC 响应并将执行结果经由数据采集模块反馈给Web 模块。远程视频监控系统可分为普通模式、节流模式2 种；在第一种模式下，系统可对视频服务器中的视频信息进行直接读取，并通过路由器进行传输，以此可实现对视频信息的实时查看，不过同样会造成较大的流量消耗，以此不宜使用。而在后一种模式下，每隔若干分钟后抓取现场的一张图片，以此来实现对现场的监控。本系统大多数站点均选取节流模式，制定合理的抓图时间间隔，不仅确保了数据的实时性，还降低了流量成本。在本系统监控图像的动态显示上，传统途径是经由定时刷新页面以实现对数据的更新，然而这一方式每次刷新均会重新再如全面HTML 文件，这样不仅会提高服务器的负荷，在网速受限时，还会产生监控图像卡顿情况，进而造成不良的用户体验。为了弥补这一不足，本系统借助Ajax 技术以实现实时更新网页数据，缓解服务器压力。在克服端向服务器传输Ajax 请求时，服务器可对是否有新的图片信息进行检测，如果有新的图片数据则返回新的图片信息并刷新相应页面，若没有则返回孔的数据包。系统设计完成后，用户通过浏览器进入系统，可实现对不同站点的数据信息的有效查看，并对相关数据进行远程管理，有效提高了节水灌溉系统的自动化水平。