基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉新剛，郝呈波

(1.萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100； 2.萊蕪市水資源管理辦公室，山東 萊蕪 271100)

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基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉新剛1，郝呈波2

(1.萊蕪市水土保持辦公室，山東 萊蕪 271100； 2.萊蕪市水資源管理辦公室，山東 萊蕪 271100)

節(jié)水灌溉；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)控制

介紹了移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了系統(tǒng)核心構(gòu)件的設(shè)計(jì)方案。利用無線通信終端或中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以及開發(fā)的智能管控裝置及其灌溉管理用APP和計(jì)算機(jī)軟件等控件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物灌水的遠(yuǎn)程自動(dòng)精確控制，具有顯著的節(jié)水節(jié)能、節(jié)約土地、省工省時(shí)、增產(chǎn)增收等綜合效益。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于山東省多個(gè)地市的山丘區(qū)及平原灌區(qū)，并取得了良好的應(yīng)用效果。

我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，人均耕地面積僅為世界平均數(shù)的1/3。多年來，全國98%以上的灌溉面積依然采用傳統(tǒng)的地面灌溉模式，其用水量占全國總用水量的68%，而水的有效利用率僅為50%左右，灌溉定額普遍偏高，實(shí)際灌水量平均高達(dá)6 000～7 500 m3/hm2。相比于平原地區(qū)，山丘區(qū)的灌溉面臨更為嚴(yán)峻的局面。我國山地和丘陵區(qū)面積占國土總面積的43%以上，約為平原地區(qū)面積的3倍。因水源條件差、地形地貌復(fù)雜、土地開發(fā)難度大，農(nóng)業(yè)、林果業(yè)等種植業(yè)長期靠天祈水，收益平平。以北方土石山區(qū)為例，山丘區(qū)大量的種植業(yè)因干旱缺水而歉收，糧食作物單產(chǎn)不足平原地區(qū)的60%，甚至不足南方山丘區(qū)的50%，林果業(yè)與南方山丘區(qū)比較則相差更遠(yuǎn)；而可灌溉的山丘區(qū)農(nóng)田，因粗放的灌溉管理方式，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，大量浪費(fèi)緊缺的水資源，而且容易導(dǎo)致土壤漬害，造成大量的水土肥流失。多年來，黨和國家堅(jiān)持不懈地把加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、保障糧食安全作為一項(xiàng)重要戰(zhàn)略來推進(jìn)，為新時(shí)期加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)吹響了沖鋒號(hào)，也為加快高效節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與應(yīng)用注入了新動(dòng)力。2013年以來，基于各級(jí)對(duì)加快發(fā)展高效節(jié)水灌溉、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的重大部署，為探索研究山丘區(qū)節(jié)水灌溉新模式，有效解決山丘區(qū)地面灌溉水、土、肥流失嚴(yán)重的問題，我們積極爭取山東省水利廳的科研與推廣項(xiàng)目支持，在萊蕪市棲龍灣水土保持科技示范園開展了“基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”研究，以研發(fā)和應(yīng)用灌溉自動(dòng)控制技術(shù)，提高節(jié)水灌溉設(shè)備的信息化和自動(dòng)化水平，以期在破解山丘區(qū)耕地面積有限、淡水資源緊缺、水土肥流失嚴(yán)重和糧食需求不斷增強(qiáng)的難題上有所突破。

棲龍灣水土保持科技示范園是水利部命名的“國家水土保持科技示范園區(qū)”，地處萊蕪市口鎮(zhèn)棲龍灣小流域，占地112 hm2，其地形地貌在北方土石山區(qū)具有典型代表性。該示范園建成以來，已形成集生態(tài)、科研、技術(shù)推廣、科普教育和休閑觀光為一體且功能完備的科技示范體系，并充分發(fā)揮了在服務(wù)和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的引領(lǐng)、支撐、輻射和帶動(dòng)作用。本研究項(xiàng)目遴選此地實(shí)施，不僅切合選題方向，有助于增強(qiáng)課題研究的針對(duì)性，而且研究成果能集中展示、快速完善、持續(xù)發(fā)揮效用，對(duì)輻射帶動(dòng)同類地區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉、保護(hù)水土資源具有重要意義。

1　技術(shù)路線

應(yīng)用計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)提高節(jié)水灌溉設(shè)備的自動(dòng)控制水平，是當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的研發(fā)，我們采取“灌區(qū)工程規(guī)劃建設(shè)—系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)—布設(shè)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備—增強(qiáng)人機(jī)交互功能—運(yùn)行檢測(cè)與改進(jìn)完善”的技術(shù)路線，重點(diǎn)開展了“灌溉智能控制系統(tǒng)”和“微灌技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)”兩項(xiàng)研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉技術(shù)綜合應(yīng)用模式，以指導(dǎo)農(nóng)民適時(shí)、適量、科學(xué)灌溉。

1.1灌溉智能控制系統(tǒng)

采用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)，研究灌溉計(jì)量、設(shè)備運(yùn)行控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸、自動(dòng)化管理等內(nèi)容，研發(fā)智能灌溉控制設(shè)備及其應(yīng)用系統(tǒng)(基于Android平臺(tái)操作系統(tǒng)的手機(jī)客戶端和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件)，以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控、水文氣象監(jiān)測(cè)、土壤墑情檢測(cè)、泵站運(yùn)行控制、灌溉系統(tǒng)自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息開發(fā)利用等綜合應(yīng)用目標(biāo)。

1.2微灌技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)

采取微灌、滴灌、小管出流等技術(shù)建設(shè)節(jié)水灌溉示范區(qū)，研究灌區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)布置和灌溉制度設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行水量及電能消耗測(cè)試、灌溉均勻度測(cè)試，土地節(jié)約利用、增產(chǎn)增收等對(duì)比分析。

根據(jù)灌區(qū)氣候特征、水源條件、土壤特性、植物類型等情況，采取如下設(shè)計(jì)參數(shù)：①微灌設(shè)計(jì)日耗水量Ea=6 mm/d；②設(shè)計(jì)土壤濕潤比P=55%；③設(shè)計(jì)灌水均勻度Cu=95%；④灌溉水利用系數(shù)T1=0.95；⑤土壤容重1.45 g/cm3；⑥田間持水量26%。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)檢驗(yàn)，確定以下灌溉制度：①梯田及坡地計(jì)劃濕潤層50 cm，設(shè)計(jì)灌水定額27.3 mm；設(shè)計(jì)灌水周期5 d；一次灌水延續(xù)時(shí)間9.8 h。②苗木綠化區(qū)計(jì)劃濕潤層30 cm，設(shè)計(jì)灌水定額16.4 mm；設(shè)計(jì)灌水周期3 d；一次灌水延續(xù)時(shí)間4.4 h。同時(shí)，為盡量節(jié)省工程投資，優(yōu)化利用有限水資源，對(duì)各灌溉小區(qū)實(shí)行輪灌工作制度，梯田及坡地確定兩條支管為一個(gè)輪灌組，苗木綠化區(qū)確定一條支管為一個(gè)輪灌組。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心構(gòu)件由管控裝置主控單元、移動(dòng)控制管理終端和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件三部分組成。

2.1管控裝置主控單元

管控裝置主控單元硬件見圖1。研制的智能控制模塊，采用S50高頻射頻信號(hào)64位加密形式設(shè)置射頻用戶識(shí)別碼，以解決當(dāng)前用戶正在使用灌溉設(shè)備時(shí)其他用戶發(fā)出手機(jī)信號(hào)干擾的問題；采用多頻次驗(yàn)證編程方法，實(shí)現(xiàn)智能模塊和與之連接的無線通信裝置在接收手機(jī)遠(yuǎn)程控制指令時(shí)，在智能自動(dòng)拒接的同時(shí)智能識(shí)別來電身份信息[1]。

圖1　管控裝置主控單元硬件

采取以上關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用工業(yè)控制專用CPU芯片開發(fā)的管控裝置主控單元，能支持移動(dòng)和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)了以下主要功能：①采取S50高頻射頻信號(hào)64位加密形式設(shè)置射頻用戶識(shí)別碼，可智能自動(dòng)識(shí)別合法用戶，自動(dòng)排除非法指令，防止誤操作發(fā)生，專業(yè)適應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉多用戶使用同臺(tái)設(shè)備的環(huán)境；②采取多頻次驗(yàn)證編程方法，獨(dú)創(chuàng)了適時(shí)糾錯(cuò)技術(shù)，可徹底解決數(shù)據(jù)安全性問題，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性高、無故障免維護(hù)驗(yàn)證；③應(yīng)用大號(hào)紅色8位LED數(shù)碼管顯示，克服了漢字液晶顯示在陽光下看不清楚的缺點(diǎn)；④具備節(jié)電功能，待機(jī)5 min無人操作即自動(dòng)休眠；⑤具備防竊電功能，以及超壓、過載、缺相、防雷保護(hù)功能；⑥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)，材質(zhì)強(qiáng)度高，具有良好的運(yùn)行記錄，能夠很好地適應(yīng)野外安裝使用環(huán)境。

2.2移動(dòng)控制管理終端

基于Android操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)專業(yè)化灌溉管理用APP，用水戶可通過APP發(fā)出指令，并經(jīng)過管控裝置主控單元判斷是否為合法灌溉用水戶，繼而對(duì)各用水灌溉控制節(jié)點(diǎn)的電磁閥等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[2-3]。

開發(fā)的移動(dòng)控制管理終端具有響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高、自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)如下功能：①灌溉控制功能。用戶無須在灌溉現(xiàn)場(chǎng)，即可通過智能手機(jī)對(duì)灌溉設(shè)備(如水泵、電磁閥等)進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制，系統(tǒng)安全，使用方便。②遠(yuǎn)程服務(wù)功能。系統(tǒng)維護(hù)方與用戶之間能夠通過手機(jī)服務(wù)中心建立直聯(lián)，即時(shí)傳輸圖片及文字等信息，既便于雙方的溝通交流，從而為用戶在最短時(shí)間內(nèi)保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行節(jié)約了寶貴時(shí)間，使用戶享受到快捷、便利、周全的服務(wù)，又節(jié)省了維護(hù)方到實(shí)地進(jìn)行檢修的業(yè)務(wù)成本。③視頻監(jiān)控功能。用戶可通過手機(jī)實(shí)時(shí)查看田間配置的遠(yuǎn)程攝像頭監(jiān)控畫面，及時(shí)、全面地了解現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)。

2.3計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件

針對(duì)節(jié)水灌溉項(xiàng)目管理的復(fù)雜性、用戶層次的多樣性、需求的多變性、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分散性等特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫訪問接口與控制接口的基礎(chǔ)上，將每個(gè)業(yè)務(wù)功能抽象成服務(wù)信息模塊、基本信息模塊、基本功能模塊、GIS模塊等11個(gè)模塊單元(圖2)，使軟件便于操作、易于擴(kuò)展。

圖2　系統(tǒng)應(yīng)用軟件模塊結(jié)構(gòu)

應(yīng)用軟件在功能配置上，具備參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集控制和管理等功能。參數(shù)設(shè)置功能方面，可將植物生存閾值、氣象信息等各類數(shù)值的上下限和時(shí)長在軟件模塊中預(yù)設(shè)，使系統(tǒng)能夠在接收現(xiàn)場(chǎng)信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)所控制的設(shè)備自動(dòng)發(fā)出指令，決定是否啟閉設(shè)備。數(shù)據(jù)管理功能方面，突出數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)曲線顯示功能，使系統(tǒng)能夠配合管理人員快速準(zhǔn)確地對(duì)灌水量、降水量等多種信息進(jìn)行匯總、分析和研判。

3　硬件鏈接

基于以上設(shè)計(jì)理念，我們聯(lián)合一家高新技術(shù)企業(yè)開發(fā)了一款智能管控裝置及其灌溉管理用APP和計(jì)算機(jī)軟件等控件。

3.1智能管控裝置

開發(fā)的智能管控裝置，單機(jī)裝置由主控單元、功能模塊、電源單元和專用機(jī)柜四部分組成。該裝置底部直徑500 mm，頂部直徑1 000 mm，高1 100 mm，單臺(tái)設(shè)備占地0.4 m2；控制器箱體材質(zhì)為SMC模壓高強(qiáng)度玻璃鋼材料，經(jīng)機(jī)械模具高溫模壓而成，蘑菇狀的外形與周邊自然環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一；箱體內(nèi)部元器件選用工業(yè)級(jí)器件，線路板波峰焊機(jī)流水線生產(chǎn)；工業(yè)級(jí)芯片、程序編制方法經(jīng)長期驗(yàn)證使用，先進(jìn)性和可靠性達(dá)到了優(yōu)化狀態(tài)；感應(yīng)操作區(qū)設(shè)置在圓蓋下面，防雨、防滲。

主要技術(shù)參數(shù)：①處理器為工業(yè)控制專用CPU芯片，具備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；②射頻卡符合ISO/IEC14443A協(xié)議，32位唯一序列號(hào)；③工作頻率為13.56 MHz，通信速率為106 kbps，感應(yīng)距離≤15 cm；④顯示8位數(shù)(999999.99)；⑤數(shù)字信號(hào)接口為RS-232/RS-485；⑥控制部分工作電壓為220Ⅴ±10%；⑦環(huán)境溫度-30～+70 ℃，相對(duì)濕度≤90%。

3.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備鏈接

對(duì)灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配置的自動(dòng)氣象站、土壤水分儀、電磁閥、視頻監(jiān)控器等檢測(cè)及監(jiān)控設(shè)備，分別采取無線傳輸、有線直聯(lián)等方式與智能管控裝置及手機(jī)APP和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通(圖3)，并通過手機(jī)指令或互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遙測(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)等功能。

圖3　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備鏈接

3.3主要工作程序

無線通信終端遠(yuǎn)程智能灌溉控制方法：通過存儲(chǔ)有用戶信息和手機(jī)號(hào)的信息卡，與讀寫模塊、連接有無線通信終端的智能模塊進(jìn)行通信并智能識(shí)別合法指令，繼而通過控制板實(shí)現(xiàn)控制電磁閥或水泵啟停灌溉。

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)智能灌溉自動(dòng)控制方法：土壤水分儀對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，用A/D轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；管控裝置主控單元與土壤水分儀和電磁閥實(shí)時(shí)通信，通過無線模塊與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，根據(jù)土壤水分儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)比系統(tǒng)軟件控制相關(guān)單元設(shè)定的土壤濕度范圍值，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)決策是否啟閉灌排設(shè)備[4]。

4　應(yīng)用效果

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)，可將管網(wǎng)設(shè)施與電磁閥、智能管控裝置鏈接，組成簡易版的灌溉控制系統(tǒng)，成本低、實(shí)用性強(qiáng)；也可將土壤水分儀、自動(dòng)氣象站、監(jiān)控器等現(xiàn)場(chǎng)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備及灌溉管網(wǎng)設(shè)施等系統(tǒng)控制單元閉合鏈接，組裝高配版的智能灌溉控制系統(tǒng)，形成完整的智能灌溉控制體系。采用該系統(tǒng)發(fā)展節(jié)水灌溉，具有顯著的節(jié)水增效作用。與傳統(tǒng)全面積濕潤的地面灌溉相比，能夠以較小的流量濕潤作物根區(qū)附近的部分土壤，并可根據(jù)土壤墑情變化情況，由智能灌溉系統(tǒng)相機(jī)實(shí)施自動(dòng)灌溉，以較小的水量來滿足作物的生長要求。項(xiàng)目區(qū)已建工程效益分析表明：林果生產(chǎn)可增加產(chǎn)量15%以上；較渠道灌溉可節(jié)地3%～5%；與渠道灌溉相比可節(jié)水60%以上，水的利用率達(dá)到95%以上，灌水均勻度達(dá)到0.9；每年每公頃土地灌溉用工可節(jié)省30～45個(gè)；可節(jié)約用電30%以上。采用該技術(shù)發(fā)展節(jié)水灌溉，在平原地區(qū)也有巨大發(fā)展空間，具有投資更小、維護(hù)更便利、使用更廣泛的特點(diǎn)。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于山東省多個(gè)地市的山丘區(qū)及平原灌區(qū)，累計(jì)發(fā)展節(jié)水灌溉面積超過1 067 hm2，平原灌區(qū)糧食作物單產(chǎn)增加10%以上，節(jié)水、節(jié)地和省工效益也高于山丘區(qū)。

5　結(jié)　語

采用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展智能節(jié)水灌溉，可應(yīng)用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)灌區(qū)的雨情、水情、土壤墑情等基礎(chǔ)信息，對(duì)不同作物不同生長期的需水量進(jìn)行精確測(cè)算和遠(yuǎn)程自動(dòng)灌溉控制，具有顯著的節(jié)水節(jié)能、節(jié)約土地、省工省時(shí)、增產(chǎn)增收等綜合效益。該技術(shù)在山丘區(qū)應(yīng)用，能明顯改善山丘區(qū)土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，避免土地板結(jié)硬化，有效防止水、土、肥流失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，拉動(dòng)山丘區(qū)經(jīng)濟(jì)增長，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益非常顯著；該技術(shù)適用于平原地區(qū)大面積發(fā)展節(jié)水灌溉及林業(yè)、園藝、蔬菜種植等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊，能夠?yàn)榘l(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)創(chuàng)造有利條件，對(duì)推進(jìn)新形勢(shì)下節(jié)水灌溉事業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

[1] 趙燕東，張軍，王海蘭，等．精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010:18-59．

[2] 薛慧霞，高林，王璐，等．基于智能手機(jī)的果園灌溉無線自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(19)：138-141．

[3] 孫燕，曹成茂，馬傳貴．基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(3)：1444-1445．

[4] 胡海彬．果園土壤水分監(jiān)視與灌溉自動(dòng)控制研究[J]．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,12(4)：5-32．

(責(zé)任編輯張培虎)

2015-08-06

山東省水利科研與技術(shù)推廣項(xiàng)目(魯水財(cái)字〔2014〕13號(hào))

S157；TP23

A

1000-0941(2016)04-0070-04

劉新剛(1973—)，男，山東萊蕪市人，工程師，研究生學(xué)歷，從事水土保持和信息自動(dòng)化管理工作。