基于云平臺的高效節水灌溉信息化管理系統設計

劉文俊

（永昌縣節水項目服務中心，甘肅永昌 737200）

灌區基礎設施建設是我國農業經濟發展的重要環節，是國家糧食安全與農產品有效供給的保障，同時是城鎮居民生活、工業發展及生態環境供水的重要載體，也是發展鄉村振興戰略的基礎支撐[1]。我國是一個水資源短缺的農業大國，發展灌區節水灌溉是促進水資源高效利用和現代農業發展的重要舉措。我國西北地區干旱少雨，耕地每667 m2平均水資源量為 857 m3，僅為全國平均水平的60%[2]。然而長期以來，由于缺乏科學指導等原因，農業灌溉水資源浪費現象卻十分嚴重。

甘肅省大部分現有灌區設施建于20 世紀50—70年代，現有灌區信息化工程標準低、設計不合理、運維成本高、管理效率低，且主要應用于單體式的小型灌溉系統，大規模的灌區基礎設施建設與更新改造，短期內尚無法充分發揮其效益[3-5]。信息化時代背景下，以物聯網技術為支撐的灌區信息化發展已成為灌區現代化、智能化建設的主流趨勢[6-9]。實現灌區水資源高效利用和合理配置是當前及未來甘肅省乃至西北地區實現農業現代化、保障區域經濟高質量發展的重要 保證[10]。

甘肅省永昌縣位于河西走廊東段，是古絲綢之路的重要節點，因地處西北戈壁荒漠，屬典型的內陸荒漠氣候，水資源極度短缺，生態環境十分脆弱。因此，保護水資源與環境、大力發展節約用水是當地一項革命性的使命，也是縣域經濟社會可持續發展的基本策略之一。

近年來，永昌縣深入落實高效節水灌溉理念，大力實施農村水利工程及灌區基礎設施續建配套與節水改造，努力保障實現農業綜合生產和經濟價值增值的最大化。目前，永昌縣的灌溉方式以微灌為主，形成以糧食生產區為主，并大力發展經濟作物產區的灌溉模式。隨著“互聯網+”、信息化時代的到來，深入挖掘灌區節水潛力，大力提升農業基礎設施和管理能力現代化水平顯得尤為迫切。

本文所涉節水灌溉工程信息化升級改造依托兩個片區先后建設，分別是永昌縣豐澤園種植農業合作社和永昌縣春滿農牧發展有限責任公司，兩個試點的建設規模分別為71.87 hm2和73.33 hm2，試點建設完成后實現農業灌區全自動化，打造現代化高效節水農業種植地。

1 高效節水信息化系統設計

高效節水信息化系統采用智能化灌溉控制系統、可視化系統及各灌片下的各輪灌組細部控制器件結合，通過互聯網PC端和手機App客戶端控制閥門的關閉，同時監測過水流量、流速和壓力，保證各灌片實現精準灌溉。

通過可視化系統及細部控制器件，可實現不同作物生長周期內施肥和施藥的計量，根據作物生長狀況調節水肥施用比例，達到水肥一體化計量精準的目的，也可根據現狀監測優化農作物種植結構。信息化系統由以下4 個功能模塊組成。

1.1 管理中心

管理中心是高效節水灌溉信息化系統的展示中心和控制中心，通過數據整合技術搭建一個信息集成管理中心平臺，實現系統內各應用程序間、跨部門、區域甚至與其他工作流程的相互通信。

管理中心架構示意圖如圖1 所示。相比本地服務器，云服務器具有運行簡單安全、高效方便、處理能力可調節的計算服務。從技術層面講，云服務器是整合了云計算、網絡和存儲等各種軟件和硬件技術資源，有效解決了傳統物理租用或vps 服務中管理難度大、業務擴展弱的缺陷。此外，云服務器具備安全、可靠、靈活、節能、低成本等特點。永昌縣豐澤園種植農業合作社和永昌縣春滿農牧發展有限責任公司分別配置操作臺1 套、操作電腦1 臺，同時配置相關網絡設備，包括企業級交換機及無線路由器各1 臺。

圖1 管理中心架構示意圖

1.2 節水灌溉系統

高效節水灌溉系統是利用計算機網絡技術、通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）技術、LoRa 技術、物聯網控制技術、光伏充電技術及自動控制等先進技術研發的系統。系統通過遠程開關脈沖電磁閥，自動灌溉，根據土壤作物生長情況自動控釋施肥機，建立智能、節水、高效的灌區。

如圖2 所示，高效節水灌溉系統由高效節水云平臺、水肥一體機、脈沖電磁閥、閥控器、無線網關等部分組成。系統設備通過軟件控制脈沖電磁閥的移動物聯網通信技術實現通信。

圖2 節水灌溉系統組成架構示意圖

數據是灌溉系統高效運行的關鍵。農作物灌溉生產過程中產生的海量數據，通過云平臺、互聯網數據傳輸和數據分析，實現軟硬件之間的交互，進而實現管理端和用戶終端、系統軟件與硬件、運行模塊與管理中心等之間的實時互饋通信，最終有效提高智能灌溉的節水效率和水平。由管理中心和4 個主要平臺等構成的高效節水灌溉系統設計架構如圖3 所示。

圖3 高效節水灌溉系統設計架構圖

作為高效節水信息化系統的核心和關鍵技術，高效節水灌溉系統考慮不同農作物在整個生命周期內不同生育階段需水量的差異，首先整理收集各種作物在不同生育期需水量的數據，以此建立給水控制的基礎數據模型，從而控制系統軟件將采集的數據進行分析。例如，采集土壤含水量后將其與灌溉飽和點進行比較，判斷是需要灌溉還是停止灌溉，然后將信號發送到閥門控制系統，再由閥門控制系統實施灌區的閥門開啟或關閉，以此實現灌溉的自動化控制。

本系統具有較好的軟件拓展功能，可根據用戶的實際需求配置相應的子系統，如農田墑情監測系統、作物生長圖像采集系統、水肥智能決策系統和作物網絡化管理平臺等多個子系統，能為用戶提供多種管理方式[11-12]。

1.3 高效節水云平臺PC 后端

高效節水云平臺PC后端是整個高效節水的基礎，需要PC 后端提供數據支撐。高效節水PC 后端功能主要分為系統基礎功能和系統業務功能兩類：基礎功能包括系統設置、用戶、組織結構等；業務功能包括設備管理、智能控制等（圖3）。

1.4 高效節水移動端

高效節水移動端在整合PC 端相關的功能的基礎上，充分發揮高效移動端方便快捷的優勢，構建基于物聯網、云計算的智慧水務一體化平臺，打造安全、可靠、高效、環保的供水新模式。用戶通過手機移動端可以查看現場設備工作狀態，實現遠程控制和精準灌溉。高效節水移動端分為iOS 移動客戶端和Android移動客戶端兩個版本，用戶可根據實際需求選用其中的一個或多個版本。

如圖4 所示，高效節水移動端首頁采用宮格形式布局，用精簡的形式呈現主要功能的入口，展示了場景化控制、地理信息、智能化控制和設備管理的主要功能入口，點擊圖標即可進入相應的控制頁面。

圖4 移動端（客戶端）啟動頁和首頁

客戶經由啟動頁登錄后，可在灌區場景化控制功能中，對設備進行實時操作，可經由地理信息功能，通過地區選擇或搜索快速定位到對應的設備所在區域[13-14]。支持查看設備的地理位置，客戶端不僅支持在地圖上展示設備，還可實現對設備的控制和信息展現。

智能化控制支持用戶通過手機實現對設備的遠程控制。手機客戶端還支持通過用戶預制的動作實施機制，按照自定義的規則對設備進行智能控制。通過大數據分析，根據不同農作物、不同季節、不同氣候、不同土壤濕度等因素，智能控制灌溉，提高灌溉管理水平，降低管理成本，顯著提高效益（圖5）。

圖5 智能化控制界面

手機客戶端的智能化控制通過用戶預制的動作實施機制，按照用戶的規則智能化地對設備進行控制，在數據采集和設備遠程控制的基礎上，實現設備定時開關，設備聯動，超過報警閾值時自動開關，流量不足時的分組輪灌。系統也可根據用戶需求和實際環境，定制特定的智能控制模板，包括水流量不足時開始輪灌機制、土壤干旱時進行分區灌溉、定時開始灌溉、降雨時自動停止灌溉，用戶可以快速地建立所需要的智能控制任務。系統還可以根據需求自己設定任務流程中的各個條件和所要觸發的動作，通過定時灌溉、聯動灌溉、輪灌等多種灌溉模式實現節水灌溉的目標。

根據多年灌水數據收集資料，進行數據分析，逐步優化灌溉作物灌水量，展示根據不同農作物、不同季節、不同氣候、不同土壤濕度等因素的數據統計分析結果和趨勢，從而為智能控制灌溉，提高灌溉管理水平，降低管理成本提供最有力的數據依據。

2 預期效益

本項目所涉及的種植區長期采用人工澆灌的方式進行灌溉，操作人員需要手動開啟閥門，不僅浪費了大量的人力時間成本，而且不能根據澆灌情況及時開關設備。

本項目采用自動化的操控方式，農技人員可以根據經驗在系統中設置自動灌溉和施肥程序，系統會根據設定好的程序進行自動輪灌和施肥。依據前端的設備對農作物信息進行自動采集傳輸到云平臺后端，農技人員可以隨時調整灌溉方案和施肥方案，獨立控制水肥一體機注肥、前端灌區出水口的開關，進而極大節約人力時間成本。經統計，項目667 m2平均預 算279.36 元。

2.1 系統優勢

項目建成后，改善了農業基本條件，改造完善了基礎設施建設，提高了項目區灌溉水的利用率，減少了作物灌水量，提高了作物灌水的保證率，從而達到預增產增效的目的。

2.2 社會效益

1）為灌區水資源的高效合理供給提供支持，改善灌區農業生產條件，提升灌區農作物抵御自然風險的能力，提高了糧食和經濟作物產量，為實現鄉村振興提供動力。2）可根據采集的種植大數據，對項目區農作物進行產業結構調整，使土地綜合利用率最大，提高居民收入。3）促進產業結構調整，使農村產業結構向多元化發展，增加農民經濟來源，提高當地居民的生活水平，促進國民經濟和社會發展。4）減少勞動力的投入，這為解決目前農田土地閑置無人種的現狀提供了解決方案，讓有限的勞動力發揮出最大的生產價值，農民有多余的時間可從事第三產業。

2.3 經濟效益

1）提高灌溉水利用率。水肥一體化技術通過管道輸水，將有限的水源通過精準的滴灌技術，直接將水肥作用到作物根部，減少了深層滲漏和蒸發損失。水肥一體化技術較傳統灌溉方式可節水30%～40%。

2）提高肥料利用率。水肥一體化技術在配方施肥的基礎上，根據作物不同生育時期的養分需求，通過定量計算，將所需養分和施肥量對應，采取定時、定量、定向的施肥方式，除了減少肥料浪費，實現了集中施肥和平衡施肥，在同等條件下，一般可節約肥料30%～50%。

3）提高農藥利用率。采用水肥一體化技術在澆水施肥的同時將專用農藥隨水一起集中施到根部，能充分有效發揮藥效，有效抑制作物病蟲的發生，并且每667 m2農藥用量減少15%～30%。

2.4 生態環境效益

根據農作物的需水狀況，適時適量對農作物進行灌溉，防止灌水深層滲漏的發生，減少因過量施肥和施藥，以及退水對地下水和土壤環境的污染。通過發展高效節水灌溉技術，還可以調節田間的小氣候，增加附近地表層的空氣濕度，有利于作物的呼吸和光合作用。

綜上所述，系統中用到的水肥一體化技術是將澆水和施肥融為一體的農業新技術，具有省肥節水、省工省力、省時省電、預增產的特點。

3 結語

結合永昌縣豐澤園種植農業合作社和永昌縣春滿農牧發展有限責任公司高效節水灌溉項目建設及運營管理實際需要，設計并實現了高效節水灌溉信息化系統。系統實現了灌區運營管理人員通過管理中心云平臺PC 端實時掌握灌溉系統運行情況及適合作物不同生長階段的水資源調配狀態及系統啟停智能、自動化管道流量實時監控等；實現了田間灌溉全面控制、精準計量、田間氣候自動監測、運行維護服務化等，為科學灌溉與管理提供依據；實現了農技人員根據田間參數實時監測、差異化控制灌溉節律、場景化實時調取不同地理位置土壤、氣象及作物生長參數等功能。與此同時，系統設計具備低成本、節能安全、調度靈活等特點。系統的建成將為全面落實新時期節水方針、加快農業農村現代化建設、因地制宜確定灌區現代化評價指標體系等，提供全方位的信息支撐。