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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基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)設計與開發(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；移動互聯(lián)網(wǎng)；自動控制

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

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，實際灌水量平均高達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、地形地貌復雜、土地開發(fā)難度大，農業(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；而可灌溉的山丘區(qū)農田，因粗放的灌溉管理方式，不僅勞動強度大，大量浪費緊缺的水資源，而且容易導致土壤漬害，造成大量的水土肥流失。多年來，黨和國家堅持不懈地把加快發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)、保障糧食安全作為一項重要戰(zhàn)略來推進，為新時期加快發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)吹響了沖鋒號，也為加快高效節(jié)水灌溉技術的研究與應用注入了新動力。2013年以來，基于各級對加快發(fā)展高效節(jié)水灌溉、促進農業(yè)現(xiàn)代化進程的重大部署，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、肥流失嚴重的問題，我們積極爭取山東省水利廳的科研與推廣項目支持，在萊蕪市棲龍灣水土保持科技示范園開展了“基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)設計與開發(fā)”研究，以研發(fā)和應用灌溉自動控制技術，提高節(jié)水灌溉設備的信息化和自動化水平，以期在破解山丘區(qū)耕地面積有限、淡水資源緊缺、水土肥流失嚴重和糧食需求不斷增強的難題上有所突破。

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)揮了在服務和促進區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展中的引領、支撐、輻射和帶動作用。本研究項目遴選此地實施，不僅切合選題方向，有助于增強課題研究的針對性，而且研究成果能集中展示、快速完善、持續(xù)發(fā)揮效用，對輻射帶動同類地區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉、保護水土資源具有重要意義。

1　技術路線

應用計算機與信息技術提高節(jié)水灌溉設備的自動控制水平，是當前節(jié)水灌溉技術發(fā)展的一個趨勢。對智能灌溉系統(tǒng)的研發(fā)，我們采取“灌區(qū)工程規(guī)劃建設—系統(tǒng)設計與開發(fā)—布設監(jiān)測監(jiān)控設備—增強人機交互功能—運行檢測與改進完善”的技術路線，重點開展了“灌溉智能控制系統(tǒng)”和“微灌技術應用系統(tǒng)”兩項研究，并在此基礎上開發(fā)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉技術綜合應用模式，以指導農民適時、適量、科學灌溉。

1.1灌溉智能控制系統(tǒng)

采用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術、智能控制技術，研究灌溉計量、設備運行控制、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸、自動化管理等內容，研發(fā)智能灌溉控制設備及其應用系統(tǒng)(基于Android平臺操作系統(tǒng)的手機客戶端和計算機應用軟件)，以實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)場視頻監(jiān)控、水文氣象監(jiān)測、土壤墑情檢測、泵站運行控制、灌溉系統(tǒng)自動控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)信息開發(fā)利用等綜合應用目標。

1.2微灌技術應用系統(tǒng)

采取微灌、滴灌、小管出流等技術建設節(jié)水灌溉示范區(qū)，研究灌區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)布置和灌溉制度設計等內容，并結合工程實例進行水量及電能消耗測試、灌溉均勻度測試，土地節(jié)約利用、增產(chǎn)增收等對比分析。

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，采取如下設計參數(shù)：①微灌設計日耗水量Ea=6 mm/d；②設計土壤濕潤比P=55%；③設計灌水均勻度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)計算和試驗檢驗，確定以下灌溉制度：①梯田及坡地計劃濕潤層50 cm，設計灌水定額27.3 mm；設計灌水周期5 d；一次灌水延續(xù)時間9.8 h。②苗木綠化區(qū)計劃濕潤層30 cm，設計灌水定額16.4 mm；設計灌水周期3 d；一次灌水延續(xù)時間4.4 h。同時，為盡量節(jié)省工程投資，優(yōu)化利用有限水資源，對各灌溉小區(qū)實行輪灌工作制度，梯田及坡地確定兩條支管為一個輪灌組，苗木綠化區(qū)確定一條支管為一個輪灌組。

2　系統(tǒng)設計

系統(tǒng)核心構件由管控裝置主控單元、移動控制管理終端和計算機應用軟件三部分組成。

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64位加密形式設置射頻用戶識別碼，以解決當前用戶正在使用灌溉設備時其他用戶發(fā)出手機信號干擾的問題；采用多頻次驗證編程方法，實現(xiàn)智能模塊和與之連接的無線通信裝置在接收手機遠程控制指令時，在智能自動拒接的同時智能識別來電身份信息[1]。

圖1　管控裝置主控單元硬件

采取以上關鍵技術，并應用工業(yè)控制專用CPU芯片開發(fā)的管控裝置主控單元，能支持移動和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行遠程控制指令，實現(xiàn)了以下主要功能：①采取S50高頻射頻信號64位加密形式設置射頻用戶識別碼，可智能自動識別合法用戶，自動排除非法指令，防止誤操作發(fā)生，專業(yè)適應農業(yè)灌溉多用戶使用同臺設備的環(huán)境；②采取多頻次驗證編程方法，獨創(chuàng)了適時糾錯技術，可徹底解決數(shù)據(jù)安全性問題，實現(xiàn)了穩(wěn)定性高、無故障免維護驗證；③應用大號紅色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；④具備節(jié)電功能，待機5 min無人操作即自動休眠；⑤具備防竊電功能，以及超壓、過載、缺相、防雷保護功能；⑥結構設計科學，材質強度高，具有良好的運行記錄，能夠很好地適應野外安裝使用環(huán)境。

2.2移動控制管理終端

基于Android操作系統(tǒng)，設計開發(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，繼而對各用水灌溉控制節(jié)點的電磁閥等設備實現(xiàn)遠程控制[2-3]。

開發(fā)的移動控制管理終端具有響應時間短、可靠性高、自適應能力強等特點，可實現(xiàn)如下功能：①灌溉控制功能。用戶無須在灌溉現(xiàn)場，即可通過智能手機對灌溉設備(如水泵、電磁閥等)進行遠程開關控制，系統(tǒng)安全，使用方便。②遠程服務功能。系統(tǒng)維護方與用戶之間能夠通過手機服務中心建立直聯(lián)，即時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間內保障系統(tǒng)的正常運行節(jié)約了寶貴時間，使用戶享受到快捷、便利、周全的服務，又節(jié)省了維護方到實地進行檢修的業(yè)務成本。③視頻監(jiān)控功能。用戶可通過手機實時查看田間配置的遠程攝像頭監(jiān)控畫面，及時、全面地了解現(xiàn)場動態(tài)。

2.3計算機應用軟件

針對節(jié)水灌溉項目管理的復雜性、用戶層次的多樣性、需求的多變性、監(jiān)測點的分散性等特點，采用模塊化設計理念，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫訪問接口與控制接口的基礎上，將每個業(yè)務功能抽象成服務信息模塊、基本信息模塊、基本功能模塊、GIS模塊等11個模塊單元(圖2)，使軟件便于操作、易于擴展。

圖2　系統(tǒng)應用軟件模塊結構

應用軟件在功能配置上，具備參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集控制和管理等功能。參數(shù)設置功能方面，可將植物生存閾值、氣象信息等各類數(shù)值的上下限和時長在軟件模塊中預設，使系統(tǒng)能夠在接收現(xiàn)場信息的基礎上，實現(xiàn)對所控制的設備自動發(fā)出指令，決定是否啟閉設備。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確地對灌水量、降水量等多種信息進行匯總、分析和研判。

3　硬件鏈接

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

3.1智能管控裝置

開發(fā)的智能管控裝置，單機裝置由主控單元、功能模塊、電源單元和專用機柜四部分組成。該裝置底部直徑500 mm，頂部直徑1 000 mm，高1 100 mm，單臺設備占地0.4 m2；控制器箱體材質為SMC模壓高強度玻璃鋼材料，經(jīng)機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)調統(tǒng)一；箱體內部元器件選用工業(yè)級器件，線路板波峰焊機流水線生產(chǎn)；工業(yè)級芯片、程序編制方法經(jīng)長期驗證使用，先進性和可靠性達到了優(yōu)化狀態(tài)；感應操作區(qū)設置在圓蓋下面，防雨、防滲。

主要技術參數(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)存儲空間；②射頻卡符合ISO/IEC14443A協(xié)議，32位唯一序列號；③工作頻率為13.56 MHz，通信速率為106 kbps，感應距離≤15 cm；④顯示8位數(shù)(999999.99)；⑤數(shù)字信號接口為RS-232/RS-485；⑥控制部分工作電壓為220Ⅴ±10%；⑦環(huán)境溫度-30～+70 ℃，相對濕度≤90%。

3.2現(xiàn)場設備鏈接

對灌區(qū)現(xiàn)場配置的自動氣象站、土壤水分儀、電磁閥、視頻監(jiān)控器等檢測及監(jiān)控設備，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APP和計算機實現(xiàn)互聯(lián)互通(圖3)，并通過手機指令或互聯(lián)網(wǎng)應用平臺實現(xiàn)中央監(jiān)控與調度系統(tǒng)對現(xiàn)場設備的遙測、遙控、遙信和遙調等功能。

圖3　現(xiàn)場設備鏈接

3.3主要工作程序

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

中央監(jiān)控計算機智能灌溉自動控制方法：土壤水分儀對土壤濕度進行檢測，用A/D轉換器將檢測信號轉換為數(shù)字信號；管控裝置主控單元與土壤水分儀和電磁閥實時通信，通過無線模塊與中央監(jiān)控計算機通信，根據(jù)土壤水分儀檢測的數(shù)據(jù)，對比系統(tǒng)軟件控制相關單元設定的土壤濕度范圍值，由計算機自動決策是否啟閉灌排設備[4]。

4　應用效果

基于移動互聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)，可將管網(wǎng)設施與電磁閥、智能管控裝置鏈接，組成簡易版的灌溉控制系統(tǒng)，成本低、實用性強；也可將土壤水分儀、自動氣象站、監(jiān)控器等現(xiàn)場各類監(jiān)測設備及灌溉管網(wǎng)設施等系統(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)相機實施自動灌溉，以較小的水量來滿足作物的生長要求。項目區(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，水的利用率達到95%以上，灌水均勻度達到0.9；每年每公頃土地灌溉用工可節(jié)省30～45個；可節(jié)約用電30%以上。采用該技術發(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、維護更便利、使用更廣泛的特點。目前，該系統(tǒng)已應用于山東省多個地市的山丘區(qū)及平原灌區(qū)，累計發(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　語

采用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展智能節(jié)水灌溉，可應用多種監(jiān)測技術實測灌區(qū)的雨情、水情、土壤墑情等基礎信息，對不同作物不同生長期的需水量進行精確測算和遠程自動灌溉控制，具有顯著的節(jié)水節(jié)能、節(jié)約土地、省工省時、增產(chǎn)增收等綜合效益。該技術在山丘區(qū)應用，能明顯改善山丘區(qū)土壤的團粒結構，避免土地板結硬化，有效防止水、土、肥流失，保護生態(tài)環(huán)境，拉動山丘區(qū)經(jīng)濟增長，經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益非常顯著；該技術適用于平原地區(qū)大面積發(fā)展節(jié)水灌溉及林業(yè)、園藝、蔬菜種植等多個領域，應用前景廣闊，能夠為發(fā)展綠色農業(yè)、有機農業(yè)、生態(tài)農業(yè)創(chuàng)造有利條件，對推進新形勢下節(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．精準節(jié)水灌溉控制技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010:18-59．

[2] 薛慧霞，高林，王璐，等．基于智能手機的果園灌溉無線自動控制系統(tǒng)研究[J]．湖南農業(yè)科學，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]．安徽農業(yè)科學，2010，38(3)：1444-1445．

[4] 胡海彬．果園土壤水分監(jiān)視與灌溉自動控制研究[J]．河北農業(yè)大學學報，2012,12(4)：5-32．

(責任編輯張培虎)

2015-08-06

山東省水利科研與技術推廣項目(魯水財字〔2014〕13號)

S157；TP23

A

1000-0941(2016)04-0070-04

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