基于云平臺的高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)設(shè)計

劉文俊

摘 要 針對目前甘肅省高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)技術(shù)相對落后、管理效率低等問題，依托永昌縣豐澤園種植農(nóng)業(yè)合作社和永昌縣春滿農(nóng)牧發(fā)展有限責(zé)任公司的高效節(jié)水灌溉項目建設(shè)，設(shè)計了基于云平臺的高效節(jié)水灌溉信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程管理中心、田間智能化灌溉控制系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)和客戶終端等部分組成，應(yīng)用了數(shù)據(jù)采集傳輸、控制決策模型、視頻監(jiān)控及地理信息場景化控制等技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)管理分析、軟硬件交互集成，實現(xiàn)了灌區(qū)用水管理及運行維護(hù)的智能化、信息化，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 高效節(jié)水灌溉;信息化;云平臺;灌區(qū)管理;自動控制;甘肅省永昌縣

中圖分類號：S27;TV93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.10.073

灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，是國家糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品有效供給的保障，同時是城鎮(zhèn)居民生活、工業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境供水的重要載體，也是發(fā)展鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的基礎(chǔ)支撐[1]。我國是一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展灌區(qū)節(jié)水灌溉是促進(jìn)水資源高效利用和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措。我國西北地區(qū)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(xué)指導(dǎo)等原因，農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費現(xiàn)象卻十分嚴(yán)重。

甘肅省大部分現(xiàn)有灌區(qū)設(shè)施建于20世紀(jì)50—70年代，現(xiàn)有灌區(qū)信息化工程標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)計不合理、運維成本高、管理效率低，且主要應(yīng)用于單體式的小型灌溉系統(tǒng)，大規(guī)模的灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與更新改造，短期內(nèi)尚無法充分發(fā)揮其效益[3-5]。信息化時代背景下，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐的灌區(qū)信息化發(fā)展已成為灌區(qū)現(xiàn)代化、智能化建設(shè)的主流趨勢[6-9]。實現(xiàn)灌區(qū)水資源高效利用和合理配置是當(dāng)前及未來甘肅省乃至西北地區(qū)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)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(jié)點，因地處西北戈壁荒漠，屬典型的內(nèi)陸荒漠氣候，水資源極度短缺，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。因此，保護(hù)水資源與環(huán)境、大力發(fā)展節(jié)約用水是當(dāng)?shù)匾豁椄锩缘氖姑?，也是縣域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基本策略之一。

近年來，永昌縣深入落實高效節(jié)水灌溉理念，大力實施農(nóng)村水利工程及灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施續(xù)建配套與節(jié)水改造，努力保障實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)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(chǎn)區(qū)為主，并大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)區(qū)的灌溉模式。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、信息化時代的到來，深入挖掘灌區(qū)節(jié)水潛力，大力提升農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和管理能力現(xiàn)代化水平顯得尤為迫切。

本文所涉節(jié)水灌溉工程信息化升級改造依托兩個片區(qū)先后建設(shè)，分別是永昌縣豐澤園種植農(nóng)業(yè)合作社和永昌縣春滿農(nóng)牧發(fā)展有限責(zé)任公司，兩個試點的建設(shè)規(guī)模分別為71.87 hm2和73.33 hm2，試點建設(shè)完成后實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌區(qū)全自動化，打造現(xiàn)代化高效節(jié)水農(nóng)業(yè)種植地。

1 高效節(jié)水信息化系統(tǒng)設(shè)計

高效節(jié)水信息化系統(tǒng)采用智能化灌溉控制系統(tǒng)、可視化系統(tǒng)及各灌片下的各輪灌組細(xì)部控制器件結(jié)合，通過互聯(lián)網(wǎng)PC端和手機(jī)App客戶端控制閥門的關(guān)閉，同時監(jiān)測過水流量、流速和壓力，保證各灌片實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。

通過可視化系統(tǒng)及細(xì)部控制器件，可實現(xiàn)不同作物生長周期內(nèi)施肥和施藥的計量，根據(jù)作物生長狀況調(diào)節(jié)水肥施用比例，達(dá)到水肥一體化計量精準(zhǔn)的目的，也可根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)。信息化系統(tǒng)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(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)的展示中心和控制中心，通過數(shù)據(jù)整合技術(shù)搭建一個信息集成管理中心平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各應(yīng)用程序間、跨部門、區(qū)域甚至與其他工作流程的相互通信。

管理中心架構(gòu)示意圖如圖1所示。相比本地服務(wù)器，云服務(wù)器具有運行簡單安全、高效方便、處理能力可調(diào)節(jié)的計算服務(wù)。從技術(shù)層面講，云服務(wù)器是整合了云計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等各種軟件和硬件技術(shù)資源，有效解決了傳統(tǒng)物理租用或vps服務(wù)中管理難度大、業(yè)務(wù)擴(kuò)展弱的缺陷。此外，云服務(wù)器具備安全、可靠、靈活、節(jié)能、低成本等特點。永昌縣豐澤園種植農(nóng)業(yè)合作社和永昌縣春滿農(nóng)牧發(fā)展有限責(zé)任公司分別配置操作臺1套、操作電腦1臺，同時配置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括企業(yè)級交換機(jī)及無線路由器各1臺。

圖1 管理中心架構(gòu)示意圖

1.2 節(jié)水灌溉系統(tǒng)

高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)是利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）技術(shù)、LoRa技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、光伏充電技術(shù)及自動控制等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程開關(guān)脈沖電磁閥，自動灌溉，根據(jù)土壤作物生長情況自動控釋施肥機(jī)，建立智能、節(jié)水、高效的灌區(qū)。

如圖2所示，高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)由高效節(jié)水云平臺、水肥一體機(jī)、脈沖電磁閥、閥控器、無線網(wǎng)關(guān)等部分組成。系統(tǒng)設(shè)備通過軟件控制脈沖電磁閥的移動物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)通信。

數(shù)據(jù)是灌溉系統(tǒng)高效運行的關(guān)鍵。農(nóng)作物灌溉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過云平臺、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)軟硬件之間的交互，進(jìn)而實現(xiàn)管理端和用戶終端、系統(tǒng)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(jié)水效率和水平。由管理中心和4個主要平臺等構(gòu)成的高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖3所示。

作為高效節(jié)水信息化系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，高效節(jié)水灌溉系統(tǒng)考慮不同農(nóng)作物在整個生命周期內(nèi)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(shù)據(jù)，以此建立給水控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型，從而控制系統(tǒng)軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。例如，采集土壤含水量后將其與灌溉飽和點進(jìn)行比較，判斷是需要灌溉還是停止灌溉，然后將信號發(fā)送到閥門控制系統(tǒng)，再由閥門控制系統(tǒng)實施灌區(qū)的閥門開啟或關(guān)閉，以此實現(xiàn)灌溉的自動化控制。53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C

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

1.3 高效節(jié)水云平臺PC后端

高效節(jié)水云平臺PC后端是整個高效節(jié)水的基礎(chǔ)，需要PC后端提供數(shù)據(jù)支撐。高效節(jié)水PC后端功能主要分為系統(tǒng)基礎(chǔ)功能和系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能兩類：基礎(chǔ)功能包括系統(tǒng)設(shè)置、用戶、組織結(jié)構(gòu)等;業(yè)務(wù)功能包括設(shè)備管理、智能控制等（圖3）。

1.4 高效節(jié)水移動端

高效節(jié)水移動端在整合PC端相關(guān)的功能的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮高效移動端方便快捷的優(yōu)勢，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算的智慧水務(wù)一體化平臺，打造安全、可靠、高效、環(huán)保的供水新模式。用戶通過手機(jī)移動端可以查看現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和精準(zhǔn)灌溉。高效節(jié)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(jù)實際需求選用其中的一個或多個版本。

如圖4所示，高效節(jié)水移動端首頁采用宮格形式布局，用精簡的形式呈現(xiàn)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(shè)備管理的主要功能入口，點擊圖標(biāo)即可進(jìn)入相應(yīng)的控制頁面。

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

智能化控制支持用戶通過手機(jī)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。手機(jī)客戶端還支持通過用戶預(yù)制的動作實施機(jī)制，按照自定義的規(guī)則對設(shè)備進(jìn)行智能控制。通過大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)不同農(nóng)作物、不同季節(jié)、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）。

手機(jī)客戶端的智能化控制通過用戶預(yù)制的動作實施機(jī)制，按照用戶的規(guī)則智能化地對設(shè)備進(jìn)行控制，在數(shù)據(jù)采集和設(shè)備遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)備定時開關(guān)，設(shè)備聯(lián)動，超過報警閾值時自動開關(guān)，流量不足時的分組輪灌。系統(tǒng)也可根據(jù)用戶需求和實際環(huán)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(jī)制、土壤干旱時進(jìn)行分區(qū)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(wù)。系統(tǒng)還可以根據(jù)需求自己設(shè)定任務(wù)流程中的各個條件和所要觸發(fā)的動作，通過定時灌溉、聯(lián)動灌溉、輪灌等多種灌溉模式實現(xiàn)節(jié)水灌溉的目標(biāo)。

根據(jù)多年灌水?dāng)?shù)據(jù)收集資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，逐步優(yōu)化灌溉作物灌水量，展示根據(jù)不同農(nóng)作物、不同季節(jié)、不同氣候、不同土壤濕度等因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)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(shù)據(jù)依據(jù)。

2 預(yù)期效益

本項目所涉及的種植區(qū)長期采用人工澆灌的方式進(jìn)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(jù)澆灌情況及時開關(guān)設(shè)備。

本項目采用自動化的操控方式，農(nóng)技人員可以根據(jù)經(jīng)驗在系統(tǒng)中設(shè)置自動灌溉和施肥程序，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定好的程序進(jìn)行自動輪灌和施肥。依據(jù)前端的設(shè)備對農(nóng)作物信息進(jìn)行自動采集傳輸?shù)皆破脚_后端，農(nóng)技人員可以隨時調(diào)整灌溉方案和施肥方案，獨立控制水肥一體機(jī)注肥、前端灌區(qū)出水口的開關(guān)，進(jìn)而極大節(jié)約人力時間成本。經(jīng)統(tǒng)計，項目667 m2平均預(yù)算279.36元。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)勢

項目建成后，改善了農(nóng)業(yè)基本條件，改造完善了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高了項目區(qū)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(dá)到預(yù)增產(chǎn)增效的目的。

2.2 社會效益

1）為灌區(qū)水資源的高效合理供給提供支持，改善灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提升灌區(qū)農(nóng)作物抵御自然風(fēng)險的能力，提高了糧食和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量，為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興提供動力。2）可根據(jù)采集的種植大數(shù)據(jù)，對項目區(qū)農(nóng)作物進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，使土地綜合利用率最大，提高居民收入。3）促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，使農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向多元化發(fā)展，增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)來源，提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏?，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。4）減少勞動力的投入，這為解決目前農(nóng)田土地閑置無人種的現(xiàn)狀提供了解決方案，讓有限的勞動力發(fā)揮出最大的生產(chǎn)價值，農(nóng)民有多余的時間可從事第三產(chǎn)業(yè)。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

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

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

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

2.4 生態(tài)環(huán)境效益

根據(jù)農(nóng)作物的需水狀況，適時適量對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，防止灌水深層滲漏的發(fā)生，減少因過量施肥和施藥，以及退水對地下水和土壤環(huán)境的污染。通過發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)，還可以調(diào)節(jié)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(tǒng)中用到的水肥一體化技術(shù)是將澆水和施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，具有省肥節(jié)水、省工省力、省時省電、預(yù)增產(chǎn)的特點。

3 結(jié)語

結(jié)合永昌縣豐澤園種植農(nóng)業(yè)合作社和永昌縣春滿農(nóng)牧發(fā)展有限責(zé)任公司高效節(jié)水灌溉項目建設(shè)及運營管理實際需要，設(shè)計并實現(xiàn)了高效節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了灌區(qū)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(tǒng)運行情況及適合作物不同生長階段的水資源調(diào)配狀態(tài)及系統(tǒng)啟停智能、自動化管道流量實時監(jiān)控等;實現(xiàn)了田間灌溉全面控制、精準(zhǔn)計量、田間氣候自動監(jiān)測、運行維護(hù)服務(wù)化等，為科學(xué)灌溉與管理提供依據(jù);實現(xiàn)了農(nóng)技人員根據(jù)田間參數(shù)實時監(jiān)測、差異化控制灌溉節(jié)律、場景化實時調(diào)取不同地理位置土壤、氣象及作物生長參數(shù)等功能。與此同時，系統(tǒng)設(shè)計具備低成本、節(jié)能安全、調(diào)度靈活等特點。系統(tǒng)的建成將為全面落實新時期節(jié)水方針、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)、因地制宜確定灌區(qū)現(xiàn)代化評價指標(biāo)體系等，提供全方位的信息支撐。53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬穎卓.加快灌區(qū)現(xiàn)代化改造與節(jié)水技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展：訪中國工程院院士康紹忠[J].中國水利，2021（17）：4-7.

[2] 藺寶軍，張芮，高彥婷，等.西北地區(qū)高效節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2019（3）：29-33.

[3] 孔祥智，毛飛.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的內(nèi)涵、主體及推進(jìn)策略分析[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與管理，2013（2）：9-15.

[4] 王愛國，倪文進(jìn)，周玉，等.關(guān)于民間資本投入農(nóng)村水利建設(shè)管理問題的研究報告[J].中國農(nóng)村水利水電，2015（8）：1-3.

[5] 水利部.水利部出臺鼓勵和引導(dǎo)民間資本參與農(nóng)田水利建設(shè)實施細(xì)則[EB/OL].（2012-06-26）

[2022-04-26].http：//politics.people.com.cn/n/2012/0626/c70731-18386003.html.

[6] 馬國印.甘肅省高效節(jié)水灌溉項目信息管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2020（1）：17-19.

[7] 金永奎，李強，袁圓.高效節(jié)水灌溉自動監(jiān)控及信息化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2017（1）：18-22.

[8] 金永奎，袁圓，顏愛忠.基于Android的高效節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2016，37（4）：202-206.

[9] 王翠柏，夏元明，周馳，等.云南建水南莊高效節(jié)水灌溉信息化系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)水灌溉，2016（7）：

102-104.

[10] 任苗.甘肅省高效節(jié)水灌溉發(fā)展存在的問題及對策[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2021（12）：95-96.

[11] 馬曉陽，周濤.寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)民用水戶協(xié)會發(fā)展現(xiàn)狀及問題對策[J].中國水利，2012（23）：60-61.

[12] 周新梅.作物需水診斷與灌溉決策支持系統(tǒng)開發(fā)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

[13] 葉思菁，朱德海，姚曉闖，等.基于移動GIS的作物種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46（9）：325-334.

[14] 王晉之.GIS在節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用[J].湖南水利水電，2021（1）：12-13.

（責(zé)任編輯：張春雨）53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C