机埠远程智慧管理系统的设计与实现

余江远，邵冠军

（1.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310000；2.绍兴市上虞区上浦闸运行管理中心，浙江 绍兴 312000）

1 引言

机埠具有站点多、分布广、规模小等特点，在农业灌溉中发挥着极其重要的作用，其运行管理的智慧化水平关系到工程管理的效率，尤其是汛期，简单直接、快速高效地对机埠进行远程智慧管理能够保障工程运行安全和维护人民生命财产利益。当前机埠主要采用人工管理模式，每次启停都由工作人员现场手动操作，存在难以计量、水量浪费、时间滞后等问题[1]。部分机埠采用传统的自动化远程管理模式，即敷设光纤或租用VPN、集中建设控制调度中心、专人管理的模式，存在单点安装设备多、建设费用高、实施周期长、脱离实际使用等问题，不利于大面积推广和提高机埠使用功效。针对机埠的管理人员存在年龄偏大、文化水平较低、人多且管理分散等特点，宜采用集成费用低、轻量简洁、配置灵活、操作方便、基于移动端的机埠远程智慧管理系统，从而达到农业灌溉“总量控制，定额管理”的目的，有效减少灌溉用水浪费和提高操作可靠性、安全性[2]。

2 系统目标

机埠远程智慧管理系统利用远程数据采集、传输、物联组网等技术，通过手机App或微信小程序可以远程控制机埠水泵的启动和关闭、室内外视频查看、灌溉电量计量、灌溉水量折算等，做到机埠控制自动化、操作便捷化、数据定量化、运行可视化、管理信息化、利用高效化。

3 系统功能

（1）远程自动化控制系统集成。利用智能数据管理终端、空气开关、继电器、接触器等自动化设备，构建一套机埠远程自动控制系统[3]。通过该系统，实现控制指令的传输、执行和水泵的控制。

（2）远程视频监视系统集成。利用摄像机、物联网卡，将视频数据传输至视频云平台，以便远程智慧管理App 和微信小程序调用视频数据，查看灌溉实时情况，确保灌溉安全。

（3）灌溉电量获取及水量折算。通过在机埠内安装智能电量转换器，采集机埠灌溉用电数据并内置“以电折水”模型算法，计算灌溉水量。

（4）远程智能管理软件应用。利用Java、MySQL、数据链路等技术，开发手机端App和微信小程序，用于远程机埠状态查看、灌溉计量数据展示、视频信息监视和机电设备控制。

4 系统设计实现

机埠远程智慧管理系统主要由现地控制端、服务器端和移动应用端3个部分组成，系统结构如图1所示。

图1 机埠远程智慧管理系统结构

现地控制端主要由智能数据管理终端、智能电量转换器、现地控制单元、摄像机等组成。智能数据管理终端通过移动网络（GPRS/4G/5G）进行数据传输，是现地控制端的核心组件；智能电量转换器主要是采集现场电量并按一定的规则转换为水量；现地控制单元是现场电气化控制的组件，实现现地手动和电动控制，并为远程控制提供基础支撑；摄像机采集现场视频图像。

服务器端由数据库和数据通信服务软件构成。数据库用于系统运行、控制、存储数据等。数据通信服务软件用于服务器与智能数据管理终端的通信，建立服务器端和现地控制端数据通信的桥梁，是移动应用端指令的下发通道，也是现地控制端数据的上传通道，是数据传输、交换、解析的核心通道。

移动应用端由手机端智能管理App和微信小程序构成，是用户进行灌溉管理、远程智控、数据查看、视频浏览的应用软件。

4.1 远程自动化控制

远程自动化控制由智能数据管理终端、现地控制单元两部分实现。智能数据管理终端是接收用户传来的控制指令并对外围电路进行控制的单元，同时采集计量数据和水泵状态并传送至服务器。现地控制单元是控制水泵运行的执行单元，主要包含空气开关、继电器、转换开关、开关电源和接触器等设备[4]。通过现地控制单元，既可以实现水泵的现地手动控制，同时可以切换至远程控制状态，便于手机App的远程控制。

为了实现按需灌溉的自动化远程控制，远程自动控制需具备以下功能。

（1）现场、远程控制。①现场控制器控制：现场手动开启和关闭水泵；②手机App 端远程控制：通过App远程开启和关闭水泵，并查看现场视频。

（2）时序控制。可制定灌溉计划，按计划启停水泵，从而实现按计划时间进行灌溉[5]。

4.2 远程视频监测

远程视频监测由前端摄像机、物联网卡、视频云平台等实现。通过前端摄像头采集现场实时视频信息，再经过无线网络，传输至后端视频云平台进行视频数据整合，最终提供给手机端灌溉管理App 进行调用查看，保障启闭水泵的安全和现场监视。

4.3 水量电量折算传输

通过安装在机埠内的智能电量转换器，并经过RS485 与智能数据管理终端进行数据通信，由智能数据管理终端将用电量数据传输至服务器，服务器端采用“以电折水”计算模型，将用电量折算为用水量，从而测算出灌溉用水量，并在手机App端进行展示。电量计算公式为：

式中：E为电量（kW·h）；α 为常量，取9.8 kN/m3；q为流量（m3/s）；t为时间（h）；H为水泵净扬程（m）；η为泵站效率，取60%～80%。

将t单位转换为秒，则t=T/3 600，T为时间（s），由此可以推导出：

式中：Q为水量（m3），且Q=qT；其余变量含义同上。

由式（2）推导出水量计算公式为：

4.4 软件系统

（1）数据通信服务软件。数据通信服务软件运行于服务器上，属于系统的后台服务型软件。软件采用C/S 结构，依据定制的数据通信传输协议，实现一对多的通信服务，通过该软件可以接收智能数据管理终端远程传输的水泵状态、灌溉计量数据等信息，并按一定的协议规程解析数据，存储于数据库中；同时，还可通过智能数据管理终端发送指令，从而实现水泵控制。

（2）数据库软件。数据库软件是数据通信服务软件和手机App之间的桥梁，同时也是系统数据的存储中心。系统采用MySQL数据库，具有查询速度快、安全性能高、数据处理强的特点。在数据库中，创建不同的表来实现数据的存储，并通过数据库技术实现数据报表生成、数据信息查询、数据备份等功能。通过数据库软件能实现灌溉数据和水泵状态入库、计量报表生成、灌溉历史数据查询、控制策略制定等功能[6]。

（3）远程智能管理软件。远程智能管理软件包含手机App 和微信小程序，是用户数据交互的软件应用，主要实现以下主要功能：①灌溉控制功能：软件提供水泵控制界面，在页面中可以查看各机埠实时灌溉情况，并可通过示意图制定灌溉策略。②数据查看功能：通过该软件可以查看水泵的工作状态和灌溉用水量，同时通过查询页面可以对水泵运行记录、灌水历史记录、控制记录等进行查询。③设备管理功能：软件提供设备的采购时间、安装时间、运行时长、设备厂商等信息。④控制策略制定功能：通过App，自动控制分为2 种方式，一种是即时控制，即点击App界面的立刻开启或立即关闭按钮来直接干预水泵的工作状态，这种控制方式具有实时性，需要有人值守；另一种为预制控制方式，可以通过App预先制定灌溉启停时间、灌溉时长、灌溉水量等，系统在无人值守的情况下实现自动化灌溉。

5 结语

机埠远程智慧管理系统是针对当前机埠管理中存在的痛点，从设备控制、用水计量、视频监测、远程管理等角度出发而设计的系统，可以解决机埠缺少专业化、轻量化、便捷化和可视化辅助管理系统的问题，具有市场推广性和实用性。该系统的建设可以助力机埠管理向自动化、信息化、智慧化方向发展，节省工程运行管理费用，提升工程管理水平，提高工程运行效能。后续，该系统可以依据田间土壤墒情监测系统的墒情数据，再结合农作物的生长阶段、需水量和灌溉模型，构建农田自动灌溉系统，大力促进农业增产、生态节水和农民增收。