蔣堂農場節水灌溉物聯網云系統

汪雪根，施長興，邵紅艷，張家勝

（1. 金華市金蘭水利建設有限公司，浙江 金華321000；2. 浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州310009）

1 概況

智能水網和節水灌溉是長期以來國內外研究的重點和熱點問題[1]，隨著技術的進步，智能水網和節水灌溉也從傳統的智能水網及節水灌溉控制發展到智慧水網及節水灌溉階段。智能節水灌溉及控制是浙江省“五水共治”節水環節的重要組成部分，采用智能節水灌溉自動化，不但能夠達到節水的目的，而且可以實時監控整個農業生產基地狀態，提高農作物的生產效益，減少人工投入的成本以及基地的安全[2]。因此該項目的實施對提高基地的智能化現代化水平、減少水資源浪費、提高基地安全監管水平、增強基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。

但是目前的傳統的節水灌溉系統都有如下幾個方面的缺陷：

（1）視頻監控系統和狀態監控系統[3]是兩個獨立的系統，未進行集成化的系統開發，系統使用很不方便，物聯網技術沒有利用。

（2）手機要訪問WEB服務器的網頁，通過網頁實現監控，手機顯示界面小，時常按錯控制按鈕。WEB服務器投資比較大。移動互聯網＋技術沒有采用。

（3）購買了數據庫服務器和WEB服務器、建設了監控中心、采用了傳統的光纖以太網絡，投資成本很高，而且服務器數據庫維護需要專人維護，時常遭受病毒和黑客干擾，且容災困難。云服務技術沒有采用。

（4）每天產生大量的狀態監測數據和視頻數據，數據庫服務容量有限，時常備份很麻煩。大數據服務技術沒有采用。

為此，筆者與團隊一起，加強研究，以蔣堂農場基地為示范點，開展節水灌溉物聯網云系統的設計與應用開發，不斷提升不斷完善。

2 建設要求

蔣堂農場基地位于浙江省金華市，屬于浙江東興實業有限責任公司的蔣堂農場九峰果蔬基地，種植面積200畝；該基地配套了管理房、水電（三相），道路、節水農業（噴滴灌），設施大棚（單體大棚12畝，連棟大棚10.8畝）。

為了提高整個基地的示范和輻射作用，準備將最先進的自動化灌溉技術，并將云服務技術融入到整個自動化灌溉系統的實施過程[4]。準備開發“基于云技術的智能節水灌溉自動化控制系統”，旨在保證整個基地的灌溉現代化、智能化、高端化。

具體指標及功能要求為：計劃將該套傳感器安裝在新建連棟大棚內（兩個區塊每個區塊內安裝兩個點共4個點），遠程和現地控制每塊地管道出水，也可手動操作控制；控制站配置要求：移動終端，電腦、硬盤錄相機電信光纖直接接入果蔬基地管理房。視頻監控點6個，其中槍機2個，球機4個。可隨時查看基地視頻數據，可以對基地進行語音預警；可隨時查看聯動大棚的溫度數據，并能查詢歷史數據；實現手機移動視頻監控，能夠手機遠程報警。實現手機移動智能灌溉控制。實現權限管理，級別越高，登錄權限越大。增加溫度傳感器，數據可以傳輸到上位機，開發一個上位機的數據分析系統，可以對數據進行分析、處理、統計等[4]。

3 系統設計

總體目標為：結合互聯網＋、云服務、物聯網技術、移動客戶端開發技術、大數據技術等進行設計，并結合如下實際情況：①基地基礎灌溉設施建設（灌溉管道設施、水池、水泵、電信網絡、電源、視頻點立柱基建等）；②現地自動化控制系統建設（包括溫度傳感器、電磁閥、RS485通信系統、終端控制系統、控制機、現地狀態監控軟件、移動狀態監控系統）；③智能視頻控制系統（球形攝像頭、無線路由器、智能網關、云臺、移動控制終端系統）。④云數據庫系統（包括云空間、云數據庫、云后臺服務系統、大數據存儲機制配置等）；⑤移動互聯平臺（包括狀態無線發送裝置、狀態無線接受裝置、視頻無線接收器、移動監控軟件系統）。

3.1 現地智能灌溉控制單元（LCU）

現地智能灌溉控制單元（LCU）是以終端機為核心設備，嵌入智能現地控制軟件的智能單元，與傳感器、采集器、串行通信系統、觸摸屏、電磁閥等形成閉環控制。LCU利用無線網關連接互聯網，實現基于云服務的遠程移動狀態監控。如圖1所示。實現現地智能控制，觸摸屏控制，現地計算機控制等功能，實現數據查詢、打印等。

該系統在檢測端增加了土壤pH值、基質肥力（氮磷鉀）傳感器[5]，進一步完善了上位機的數據分析系統（專家系統）。在傳輸協議上打通了與WEB數據庫的對接，可以通過以太網協議檢測和控制系統，即完成了通過遠程網頁實現監控。同時，針對偏遠山區無電源的情況，研究利用太陽能電板和蓄電池相結合供電，將新能源技術結合到系統的應用中，增大推廣面。

該系統可以通過RS485串口聯接，傳輸各種傳感器的數據。可以與PLC聯接，在PLC上嵌入以太網通信模塊，提供工業以太網聯接，傳輸PLC輸出的信號。提供視頻流接口，傳輸視頻數據。將各種信號通過無線技術，發送到云端。

圖1 現地智能灌溉控制單元（LCU）

3.2 遠程智能控制終端軟件

為了方便管理人員進行遠距離智能監測與控制[6]，開發了基于云服務的移動互聯型遠程智能控制軟件系統。系統方案如圖2所示。

圖2 遠程智能控制軟件系統

本系統以終端現地智能灌溉控制系統為基礎，通過無線網關，在手機上可以實現自動灌溉控制。手機上也可以查詢基地的溫度等狀態參數。本系統的控制可以配合移動終端的遠程視頻監管系統進行。

本系統在云端建立數據存儲機制。存儲機制靈活：可以租用云空間，或現地磁盤陣列存儲，或開發商本地云存儲。解決了視頻數據和狀態數據的統一管理。

為視頻識別技術、狀態分析專家庫、經驗系統提供更加廣泛的平臺。將數據挖掘、分析與云技術、大數據技術結合。視頻采集可以通過3G網絡，實現與物聯網節點裝置的無線通信。PLC通過3G網絡，將輸出信號無線傳輸到物聯網節點裝置。物聯網節點裝置實現與移動終端的互聯通信。解決偏遠地方沒有網絡，但有3G、4G信號的問題，同時減少了有線網絡的投資成本。

3.3 遠程視頻與語音預警監控終端軟件

為了加強安全監管，采用基于移動互聯的遠程視頻監管系統，該系統在移動平臺上實現視頻監測，通過基于移動互聯的遠程智能控制系統實現控制功能，具有手機遠程啟動語音報警裝置，防止閑人進入基地，保障基地的安全，同時在基地蔬果采摘時，可實現遠程指揮。技術方案如圖3所示。

圖3 遠程視頻監管系統

3.4 云數據庫

數據庫采用基于云服務的大數據庫系統，節約了服務器、網絡等投資成本，也使得數據更加安全可靠，是最新技術的數據實現。采用云技術＋數據庫開發技術，在云服務器上開發云數據庫。將數據庫安裝在云端，由云服務商提供云安全監管和容災，既安全又可靠。在云端部署云數據庫數據引擎，接收視頻和狀態數據，并向執行器發送數據信號。與移動終端建立聯接，為移動終端提供云數據服務。

本系統采用云服務的大數據庫開發技術，在提高系統可靠性、安全性、可拓性之外，節約了投資成本。使整個系統更加符合基地的實際需求。云服務的大數據庫如圖4所示。

圖4 基于云服務的大數據庫平臺設計圖

3.5 界面設計

采用移動互聯技術，開發了APP和微信平臺軟件，安裝在移動終端（手機上）。在一個系統中既可視頻監控、又可狀態監控，實現集成統一的管理平臺。APP端體現集團化管理，微信平臺體現單個用戶管理。程序更新在云端，系統升級方便，維護簡單。

4 性能特點

（1）節約了網絡投資。由于采用無線傳輸、3G、移動終端、物聯網等技術，無需進行大規模的光纖或以太網網絡建設，尤其對于比較偏遠的基地，大大節約了投資成本。

（2）節約了數據存儲投資。采用云服務技術，節約購買服務器、維護服務器等成本，采用云服務空間不但有專人維護，成本非常低且安全可靠，采用多個云空間可以實現備份和容災。

（3）節約電源投資。本系統可以聯接太陽能＋蓄電池系統，節約電源投資成本，尤其適合偏遠山區。

（4）節約維護成本。先進技術的采用，尤其是線路（大部分無線）、設備等的集成化管理，云服務免服務器維護，系統統一升級，節約了后期的維護成本。

（5）節約上位機投資。若全部采用無線終端，尤其是中小型基地，可以不要購買上位機、顯示器，現地無需建設控制室等。

5 結束語

本系統的設計與應用是成功的，并在以下幾個方面充分發揮了優勢。

（1）技術上。采用了國際最先進的前沿技術，包括物聯網技術、云服務技術、移動互聯技術、無線LCU、3G、無線視頻流、移動終端開發技術（APP開發技術、微信開發技術）、大數據云存儲技術等。

（2）經濟上，大大節約了硬件、網絡和人工成本。

（3）管理方面。實現了無線終端的“隨時隨地可監控”的目的，使得管理水平大大提升。節約了人工成本，有利于基地的高效產出，有利于寶貴水資源的節約利用，有利于基地的安全防控。