陳一飛，呂辛未，羅玉峰

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢；2.武漢達(dá)潤達(dá)科技發(fā)展有限公司，430072，武漢）

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺開發(fā)與應(yīng)用

陳一飛1，2，呂辛未2，羅玉峰1

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430072，武漢；2.武漢達(dá)潤達(dá)科技發(fā)展有限公司，430072，武漢）

農(nóng)業(yè)灌溉用水占我國水資源需求最大部分，針對我國現(xiàn)存的水資源利用問題以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的內(nèi)在要求，團(tuán)隊(duì)搭建了一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺，并開展了初步試驗(yàn)。闡述了該智慧灌溉平臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，簡要介紹了平臺的使用方法和試點(diǎn)情況，對未來應(yīng)用前景予以展望。

節(jié)水；智慧灌溉；物聯(lián)網(wǎng)；灌區(qū)信息化

我國人均水資源占有量低，在農(nóng)業(yè)用水的保有部分大，農(nóng)田灌溉用水又是農(nóng)業(yè)主要的用水對象，其比例一直保持在農(nóng)業(yè)用水量的90%以上，因此采用先進(jìn)節(jié)水灌溉決策技術(shù)發(fā)展節(jié)水型灌溉農(nóng)業(yè)是解決我國水資源供應(yīng)短缺問題的關(guān)鍵。目前的節(jié)水灌溉技術(shù)主要有“淺—濕—曬”、間歇灌溉、控制灌溉、蓄雨灌溉等方式。在南方地區(qū)多雨的氣候條件下，為最大限度保證作物的需水，通過天氣預(yù)報(bào)獲取未來降水情況、實(shí)時(shí)調(diào)整灌溉策略是多雨氣候區(qū)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的一條重要路徑。

隨著20世紀(jì)末物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，智慧灌溉成了一個(gè)新興熱門課題：Vellidi等展示了以土壤濕度和溫度傳感器布置及對數(shù)據(jù)的分析為主要研究成果的灌溉系統(tǒng)；Manzano等建立了一個(gè)田間作物生長信息實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)；蔡學(xué)良與崔遠(yuǎn)來等基于可視化VB語言開發(fā)了灌溉配水實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)；陳維榕等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的果園水肥一體化灌溉系統(tǒng)，并已投入應(yīng)用?，F(xiàn)有的灌溉決策系統(tǒng)多是以歷史氣象、墑情數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)由回歸算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行計(jì)算，并制定灌溉策略，且局限于單個(gè)系統(tǒng)，未考慮各系統(tǒng)、各數(shù)據(jù)源間的聯(lián)合分析。部分決策系統(tǒng)所做的工作僅僅是完成了機(jī)械化，仍為人工控制。

在相關(guān)國家基金項(xiàng)目支持下，團(tuán)隊(duì)利用LAMP架構(gòu)，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)搭建了“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺（以下簡稱灌溉平臺），并在武漢、南昌等地開展了初步試驗(yàn)，收集了作物生育期間的水分?jǐn)?shù)據(jù)，并計(jì)劃對現(xiàn)有平臺進(jìn)行深度擴(kuò)展開發(fā)，開展商業(yè)化運(yùn)營。

一、平臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.灌溉平臺架構(gòu)

灌溉平臺通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸信號與數(shù)據(jù)，可以收集大范圍、分屬不同灌溉系統(tǒng)管轄的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，并通過發(fā)送預(yù)先設(shè)定的控制指令完成控制過程。用戶可以通過網(wǎng)頁客戶端和手機(jī)APP查詢、下載數(shù)據(jù)，管理自己的系統(tǒng)，并設(shè)定灌溉策略與完成手動(dòng)調(diào)試。同時(shí)，灌溉平臺具備在后臺將各灌溉系統(tǒng)水分?jǐn)?shù)據(jù)歸類、統(tǒng)一的能力，并收集、抓取各地的天氣數(shù)據(jù)以供實(shí)現(xiàn)灌溉決策，可同時(shí)進(jìn)行多終端、多設(shè)備、多系統(tǒng)的管理，實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)到平臺的跨越。

智慧灌溉系統(tǒng)實(shí)行的灌溉策略為：通過水位傳感器、土壤水分傳感器得到數(shù)據(jù)，判斷土壤水分或水層深度是否達(dá)到所設(shè)定的下限。同時(shí)結(jié)合從網(wǎng)站上自動(dòng)抓取的本地天氣預(yù)報(bào)信息，可以根據(jù)平臺獨(dú)有的灌溉策略對每個(gè)控制器的對應(yīng)開關(guān)做出判斷和自動(dòng)控制，從而根據(jù)預(yù)設(shè)條件啟閉閥門，完成一次灌溉。不同于以往自動(dòng)控制系統(tǒng)“到下限自動(dòng)灌”的模式，程序會根據(jù)智慧灌溉策略并結(jié)合未來的天氣信息，決定是否進(jìn)行充分灌溉，充分利用降雨，做到節(jié)水灌溉、高效用水。

2.灌溉平臺設(shè)計(jì)

灌溉平臺架設(shè)于云服務(wù)器，跳出了工業(yè)局域網(wǎng)的限制，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?。用戶可通過域名訪問，并自助完成注冊、登錄、添加灌溉設(shè)備、提交必要信息等操作。

（1）灌溉平臺技術(shù)結(jié)構(gòu)

灌溉平臺的技術(shù)結(jié)構(gòu)為：灌溉平臺的底層采用了Linux操作系統(tǒng)，通過其上搭載的Apache服務(wù)器軟件和MySQL數(shù)據(jù)庫軟件，使用PHP語言和 CodeIgniter框架實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)庫調(diào)用，在用戶界面層上使用了Html、CSS、Javascript等前端技術(shù)。

（2）灌溉平臺功能實(shí)現(xiàn)

一是建立灌溉平臺各功能模塊所需數(shù)據(jù)庫，保存水分?jǐn)?shù)據(jù)、用戶信息、天氣預(yù)報(bào)、灌溉決策等信息，并方便存取，保證處理效率。二是利用PHP爬蟲程序和Python通信程序通過Linux云服務(wù)器的定時(shí)任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取專業(yè)天氣預(yù)報(bào)網(wǎng)站氣象數(shù)據(jù)和自動(dòng)收集傳感器水分信息，并存入對應(yīng)數(shù)據(jù)庫。三是用戶可登錄用戶界面查看并定制要求，通過定時(shí)任務(wù)功能執(zhí)行灌溉決策核心程序，從數(shù)據(jù)庫中讀取所需信息并輸出判斷結(jié)果，如灌溉命令、灌溉時(shí)長等信息，并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端設(shè)備。四是接收到傳輸信號并確認(rèn)無誤后，終端設(shè)備打開指定開關(guān)，開始執(zhí)行灌溉計(jì)劃，并在完成后反饋給灌溉平臺。未來還將通過當(dāng)?shù)貧庀笳镜确答亴?shí)際天氣信息，作為灌溉平臺自動(dòng)學(xué)習(xí)功能的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.灌溉平臺開發(fā)工具與技術(shù)

灌溉平臺的開發(fā)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/C）模式，網(wǎng)站以 LAMP（Linux+Apache+PHP+MySQL）架構(gòu)為基礎(chǔ)。以“新浪云”服務(wù)器上的Linux操作系統(tǒng)為底層運(yùn)行灌溉預(yù)報(bào)核心程序以及Linux自帶的Crontab（計(jì)劃任務(wù)）功能，采用免費(fèi)開源的MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及PHP擴(kuò)展庫中內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，可以方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查操作。由方便內(nèi)嵌于Web頁面的CSS、JS語言等組成交互友好的前端界面，采用MVC設(shè)計(jì)模式，可以將灌溉平臺模塊化，分離系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制和表示功能，并通過Code Igniter框架整合統(tǒng)一，為灌溉平臺的后續(xù)升級提供便捷。采用具有承載能力、多并發(fā)、開源免費(fèi)的Apache Web Server軟件向用戶、管理人員提供安全、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。

①Linux服務(wù)器 （云服務(wù)器）。Linux作為服務(wù)器端的操作系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，如支持多用戶多線程、權(quán)限制度完善、使用動(dòng)態(tài)鏈接、內(nèi)置多種實(shí)用功能、目錄與URL體系統(tǒng)一等。近年云服務(wù)器發(fā)展迅速，具有操作簡單、運(yùn)行維護(hù)成本低、訪問速度快等優(yōu)點(diǎn)，將灌溉平臺部署于云服務(wù)器上有利于對灌溉平臺進(jìn)行管理、不同地區(qū)用戶訪問以及跨地區(qū)數(shù)據(jù)收集。

②Apache Web Server。Apache配置簡單，設(shè)置模塊化，同時(shí)服務(wù)器軟件與Linux系統(tǒng)高度兼容，可以滿足客戶端的絕大部分訪問要求。

③MySQL數(shù)據(jù)庫。MySQL數(shù)據(jù)庫本身與Linux操作系統(tǒng)結(jié)合緊密，支持多用戶多線程，支持SQL查詢語言，訪問速度快，查詢結(jié)果快速而可靠。

④PHP語言。PHP語言是一種開源、免費(fèi)、功能強(qiáng)大的編程語言，其目的是為靜態(tài)網(wǎng)頁提供交互能力，同時(shí)Apache也為PHP語言提供了很好的支持。智慧灌溉決策主程序與天氣抓取程序都由PHP編寫，通過定時(shí)運(yùn)行功能實(shí)現(xiàn)日常的判斷、抓取信息、發(fā)送信息等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軟硬件交互。

⑤通信服務(wù)程序。灌溉平臺的現(xiàn)有通信解決方案是利用 Modbus協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、Redis數(shù)據(jù)庫、GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過Python通信程序整合來實(shí)現(xiàn)與傳感終端的通信。通過在終端指定域名和端口，可使平臺通信程序接收終端控制器所收集的數(shù)據(jù)，并通過通信程序的調(diào)用向控制器發(fā)送開關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)信息交互。

⑥其他工具與技術(shù)。MVC（Model-View-Controller）設(shè)計(jì)模式將灌溉平臺分為三個(gè)層次：輸入、處理、輸出?？刂破魍ㄟ^視圖（前端頁面）獲取用戶的查詢條件、設(shè)置信息等，調(diào)用模型根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與處理，再由控制器把結(jié)果通過控制器返回到視圖，在信息完成交換的同時(shí)將前端與后端分隔，以保持代碼有序、保證數(shù)據(jù)安全。CSS語言內(nèi)嵌于Web頁面中，規(guī)定了頁面元素的顯示樣式，是構(gòu)建交互友好的操作界面的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上使用了 Bootstrap框架；JavaScript語言是內(nèi)嵌于 Web頁面代碼中的編程語言，可以實(shí)現(xiàn)頁面資源調(diào)用、條件觸發(fā)、動(dòng)態(tài)頁面等功能；兩者共同配合，有助于用戶界面的開發(fā)與美化。

二、灌溉平臺使用及實(shí)際應(yīng)用

1.平臺使用

平臺采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使各模塊相互獨(dú)立、互不影響，分工明確而覆蓋完全，采用對功能菜單分類的方法分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的界面。灌溉平臺的功能選項(xiàng)主要有：控制終端設(shè)備、管理設(shè)備信息、讀取與整理水分?jǐn)?shù)據(jù)、實(shí)施智慧灌溉策略、數(shù)據(jù)下載等，通過一系列功能的配合完成對土壤、作物水分參數(shù)的精確管理，并達(dá)到“智慧灌溉”的目標(biāo)。圖1展現(xiàn)了灌溉平臺的功能模塊。

①登陸界面。首頁右上角下拉菜單中可選擇登錄、注冊，左側(cè)菜單欄可選擇包括控制、管理、查詢信息、下載數(shù)據(jù)等一系列功能，平臺需在用戶登錄后才可使用。

②控制中心。用戶合法登錄后，可在“控制中心”頁實(shí)時(shí)觀測用戶賬號所屬的設(shè)備的水分?jǐn)?shù)據(jù)，并可觀察設(shè)備在線狀態(tài)，進(jìn)行手動(dòng)操作和調(diào)試（如圖2）。用戶界面中可實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)，并通過繼電器開關(guān)手動(dòng)控制農(nóng)田用水。

③設(shè)備添加。用戶在設(shè)備管理標(biāo)簽下可添加設(shè)備，選擇必要參數(shù)，并自主為設(shè)備命名。此處地理位置較為重要，主程序?qū)⒆x取所設(shè)置地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)以進(jìn)行智慧灌溉決策。

④傳感器數(shù)據(jù)整理。通過“傳感器數(shù)據(jù)校正”選項(xiàng)卡，用戶可以通過公式編寫自行對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，也可以在“傳感器數(shù)據(jù)”頁面查看近期內(nèi)數(shù)據(jù)。平臺同時(shí)提供數(shù)據(jù)下載功能。

2.灌溉平臺實(shí)際應(yīng)用

目前灌溉平臺已成功管理武漢大學(xué)灌溉排水試驗(yàn)場、江西省灌溉試驗(yàn)中心站的灌溉系統(tǒng)，其中武漢大學(xué)灌溉排水試驗(yàn)場內(nèi)種植作物為吉祥草，江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)基地種植作物為水稻。灌溉平臺現(xiàn)可支持水稻及多種旱作物，用水管理高效。通過灌溉平臺將水分?jǐn)?shù)據(jù)收集歸納，節(jié)省了手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)的人工成本，避免了潛在的記錄誤差，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性。

江西省灌溉試驗(yàn)中心站內(nèi)的灌溉系統(tǒng)是江西省水利廳科技項(xiàng)目“南方灌區(qū)節(jié)水減排關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（編號KT201427）的一部分。經(jīng)過前期的設(shè)備安裝、管道鋪設(shè)，現(xiàn)可正常運(yùn)行，減少了人力資源投入與人工干預(yù)，目前正在進(jìn)行節(jié)水灌溉試驗(yàn)，進(jìn)展良好。

武漢達(dá)潤達(dá)科技發(fā)展有限公司將著力于灌溉平臺的推廣應(yīng)用，以建設(shè)服務(wù)于灌區(qū)、城市、園林的灌溉平臺為目的，通過推廣灌區(qū)信息化工程與管理服務(wù)、小區(qū)園林綠化灌溉系統(tǒng)、整合大數(shù)據(jù)資源等方式實(shí)現(xiàn)盈利和灌溉管理的高度智能化、集成化。

圖1 灌溉平臺功能模塊圖

圖2 控制中心界面

三、結(jié)論與展望

“互聯(lián)網(wǎng)+”灌溉平臺利用移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器智能等技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺，將互聯(lián)網(wǎng)思維深度融合于灌溉管理之中。灌溉平臺具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉與作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)兩者的統(tǒng)一和有效水資源的充分利用。未來將通過海量灌溉相關(guān)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)方法，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并實(shí)時(shí)改進(jìn)灌溉策略，顯著提高灌溉智慧化水平。

“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧灌溉平臺已具有比較成熟的灌溉解決方案，可提供高度智能化的灌溉決策。在水分狀況等實(shí)時(shí)信息監(jiān)測的基礎(chǔ)上，精確預(yù)報(bào)未來作物需水，并考慮未來降水，綜合考慮降水有效利用和受旱減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

在國家大力號召支持“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新的浪潮下，智慧灌溉平臺的應(yīng)用前景廣闊。灌溉平臺既可以管理成千上萬個(gè)小型灌溉系統(tǒng)，也可通過全田塊水循環(huán)實(shí)時(shí)模擬模型及灌區(qū)水流精準(zhǔn)“快遞”技術(shù)管理復(fù)雜的大型灌區(qū)。灌溉平臺的應(yīng)用還將大幅度提高管理效率，降低軟件成本及人力成本；同時(shí)獲取海量灌溉管理數(shù)據(jù)，為智能決策提供數(shù)據(jù)支持。通過有效推廣，擴(kuò)大覆蓋范圍，普及節(jié)水灌溉，可有效推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)。 ■

責(zé)任編輯 董明銳

Development and application of internet-plus-based wise irrigation system//

Chen Yifei,Lv Xinwei,Luo Yufeng

Agricultural irrigation has been the largest water consumer in China.According to the needs of modern agricultural development and current situation of water resources utilization,an internet-plus-based wise irrigation system has developed and passed the preliminary test.The paper makes an introduction on system design and development as well as its future application and implementation of pilot project.

water conservation;wise irrigation;internet of things;informatization of irrigation district

S275

B

1000-1123（2017）02-0046-03

2016-12-09

陳一飛，在讀碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179048），江西省水利廳科技項(xiàng)目（KT201427）。