張 麗，唐有為

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

淡水資源短缺一直是世界范圍內(nèi)面臨的嚴(yán)峻問題之一，農(nóng)業(yè)灌溉是淡水資源消耗的主要原因，占據(jù)著用水量的80%。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉長(zhǎng)期采用粗放式灌溉，造成了大量的水資源浪費(fèi)。因此，采用合理有效的節(jié)水灌溉措施，制定科學(xué)智慧的灌溉方法，實(shí)現(xiàn)淡水資源的充分合理利用是解決淡水資源短缺、浪費(fèi)的關(guān)鍵和必經(jīng)之路。

利用物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過采集火龍果種植示范區(qū)的降雨量數(shù)據(jù)、土壤墑情數(shù)據(jù)和管道流量數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析，展開智慧灌溉信息系統(tǒng)的研究，可以為果園管理人員提供依據(jù)，從而快速、精準(zhǔn)地作出灌溉決策，不僅可以縮減人力物力投入，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以提升淡水資源的利用效率。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，后端實(shí)現(xiàn)采用Spring Boot框架，前端實(shí)現(xiàn)采用Vue.js框架，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫。整個(gè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由3大模塊組成：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)分析展示系統(tǒng)。①系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要分為3類：實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫；②數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)負(fù)責(zé)與不同要素遙測(cè)站之間的通信，包括遙測(cè)站發(fā)送的降雨量、土壤墑情、管道流量等實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)的接收、檢查、解析、計(jì)算、入庫以及發(fā)送下行命令給遙測(cè)站；③業(yè)務(wù)展示系統(tǒng)通過從數(shù)據(jù)庫中讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以報(bào)表或圖形的方式向用戶提供實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息的查詢、展示、分析功能，并提供測(cè)點(diǎn)管理、系統(tǒng)管理功能。

圖1 智慧灌溉信息管理系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)采用MySQL數(shù)據(jù)庫。主要分為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫。①實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)庫根據(jù)《基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL324-2016）和《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL323-2011）兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如設(shè)備傳感器信息表、降雨量數(shù)據(jù)表、墑情數(shù)據(jù)表、流量數(shù)據(jù)表等；②業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)則根據(jù)需要建設(shè)相關(guān)表，如火龍果長(zhǎng)勢(shì)及干旱多媒體數(shù)據(jù)表、火龍果產(chǎn)銷量數(shù)據(jù)表、智慧灌溉分析數(shù)據(jù)表等；③系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫主要包括用戶信息表、角色信息表和權(quán)限信息表等。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨量、墑情、流量等監(jiān)測(cè)要素以及監(jiān)測(cè)站點(diǎn)工況（信號(hào)強(qiáng)度、電池電壓等）數(shù)據(jù)的接收入庫。按照《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL651-2014）相關(guān)要求進(jìn)行開發(fā)。為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定正確接收，系統(tǒng)還需要對(duì)原始報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、糾錯(cuò)、校驗(yàn)等分析判斷處理，不符合要求的報(bào)文進(jìn)行舍棄。同時(shí)，系統(tǒng)還對(duì)數(shù)據(jù)接收過程進(jìn)行監(jiān)控，記錄異常信息、數(shù)據(jù)量等日志。

在與遙測(cè)站保持通信的狀態(tài)下，系統(tǒng)還支持利用業(yè)務(wù)平臺(tái)往遙測(cè)站下發(fā)指令，遠(yuǎn)程召測(cè)遙測(cè)站當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及遙測(cè)站的相關(guān)配置參數(shù)和記錄信息，對(duì)遙測(cè)站進(jìn)行校時(shí)、設(shè)置參數(shù)、控制管道電磁閥門開閉等。

2.3 業(yè)務(wù)分析展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)分析展示系統(tǒng)主要包含實(shí)時(shí)信息、測(cè)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖、智慧灌溉分析、系統(tǒng)管理等模塊。①實(shí)時(shí)信息模塊用于展示各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)雨量、墑情、流量的最新數(shù)據(jù)等，展示各測(cè)站的位置及基本信息等，同時(shí)可根據(jù)設(shè)置的閾值，對(duì)所接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)出警告；②測(cè)點(diǎn)管理可以查看測(cè)點(diǎn)的站點(diǎn)信息、遙測(cè)終端機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、蓄電池電壓以及無線通信信號(hào)強(qiáng)度等；③監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表功能可以統(tǒng)計(jì)導(dǎo)出雨量、墑情、流量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的Excel文件報(bào)表；④監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖模塊是利用柱形圖或折線圖查詢展示雨量、墑情、流量等數(shù)據(jù)信息；⑤智慧灌溉分析模塊為利用園區(qū)感知設(shè)備采集到的雨量、墑情、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后進(jìn)行自動(dòng)灌溉決策，制定灌溉方案，通過下發(fā)指令給流量監(jiān)測(cè)遙測(cè)站，控制管道電磁閥開啟或關(guān)閉，從而達(dá)到提高灌溉水利用率的目的；⑥系統(tǒng)管理功能包括用戶登錄驗(yàn)證、菜單管理、角色設(shè)置、日志查看等。業(yè)務(wù)展示系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)展示系統(tǒng)界面

3 智慧灌溉分析

火龍果智慧灌溉的難點(diǎn)在于需要根據(jù)不同季節(jié)火龍果的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量調(diào)節(jié)需水量，設(shè)定不同時(shí)期不同的閥門開啟灌溉閾值V max和V min。當(dāng)監(jiān)測(cè)到土壤墑情值小于V min時(shí)，自動(dòng)開啟灌溉閥門；當(dāng)監(jiān)測(cè)到土壤墑情值大于V max時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉灌溉閥門。自動(dòng)灌溉流程示意圖見圖3。

圖3 自動(dòng)灌溉流程示意圖

本設(shè)計(jì)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種設(shè)定V max和V min值的方式。自動(dòng)狀態(tài)下，系統(tǒng)通過分析園區(qū)當(dāng)前和歷史不同區(qū)域的墑情值，結(jié)合雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和管道流量數(shù)據(jù)，采用線性回歸的方式計(jì)算出V max和V min值，作為開啟和關(guān)閉閥門的閾值。若改為手動(dòng)模式，管理人員可以人工設(shè)置V max和V min值，系統(tǒng)根據(jù)人工設(shè)置閾值進(jìn)行灌溉控制。土壤水分變化圖見圖4。

圖4 土壤水分變化圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以火龍果種植示范園區(qū)為背景，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雨量、墑情、流量數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)測(cè)報(bào)，并根據(jù)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)灌溉控制的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧灌溉信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過分析當(dāng)前和歷史土地墑情數(shù)據(jù)，結(jié)合雨量數(shù)據(jù)和管道流量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)閥門開啟閾值，實(shí)現(xiàn)了火龍果園區(qū)的自動(dòng)灌溉，減輕了人工管理的成本，提高了用水的灌溉效率。下一步，系統(tǒng)將根據(jù)使用情況，在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局、灌溉閾值計(jì)算等方面繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化和探究。