蒋堂农场节水灌溉物联网云系统

汪雪根，施长兴，邵红艳，张家胜

（1. 金华市金兰水利建设有限公司，浙江 金华321000；2. 浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州310009）

1 概况

智能水网和节水灌溉是长期以来国内外研究的重点和热点问题[1]，随着技术的进步，智能水网和节水灌溉也从传统的智能水网及节水灌溉控制发展到智慧水网及节水灌溉阶段。智能节水灌溉及控制是浙江省“五水共治”节水环节的重要组成部分，采用智能节水灌溉自动化，不但能够达到节水的目的，而且可以实时监控整个农业生产基地状态，提高农作物的生产效益，减少人工投入的成本以及基地的安全[2]。因此该项目的实施对提高基地的智能化现代化水平、减少水资源浪费、提高基地安全监管水平、增强基地的示范和辐射作用等方面具有重要意义。

但是目前的传统的节水灌溉系统都有如下几个方面的缺陷：

（1）视频监控系统和状态监控系统[3]是两个独立的系统，未进行集成化的系统开发，系统使用很不方便，物联网技术没有利用。

（2）手机要访问WEB服务器的网页，通过网页实现监控，手机显示界面小，时常按错控制按钮。WEB服务器投资比较大。移动互联网＋技术没有采用。

（3）购买了数据库服务器和WEB服务器、建设了监控中心、采用了传统的光纤以太网络，投资成本很高，而且服务器数据库维护需要专人维护，时常遭受病毒和黑客干扰，且容灾困难。云服务技术没有采用。

（4）每天产生大量的状态监测数据和视频数据，数据库服务容量有限，时常备份很麻烦。大数据服务技术没有采用。

为此，笔者与团队一起，加强研究，以蒋堂农场基地为示范点，开展节水灌溉物联网云系统的设计与应用开发，不断提升不断完善。

2 建设要求

蒋堂农场基地位于浙江省金华市，属于浙江东兴实业有限责任公司的蒋堂农场九峰果蔬基地，种植面积200亩；该基地配套了管理房、水电（三相），道路、节水农业（喷滴灌），设施大棚（单体大棚12亩，连栋大棚10.8亩）。

为了提高整个基地的示范和辐射作用，准备将最先进的自动化灌溉技术，并将云服务技术融入到整个自动化灌溉系统的实施过程[4]。准备开发“基于云技术的智能节水灌溉自动化控制系统”，旨在保证整个基地的灌溉现代化、智能化、高端化。

具体指标及功能要求为：计划将该套传感器安装在新建连栋大棚内（两个区块每个区块内安装两个点共4个点），远程和现地控制每块地管道出水，也可手动操作控制；控制站配置要求：移动终端，电脑、硬盘录相机电信光纤直接接入果蔬基地管理房。视频监控点6个，其中枪机2个，球机4个。可随时查看基地视频数据，可以对基地进行语音预警；可随时查看联动大棚的温度数据，并能查询历史数据；实现手机移动视频监控，能够手机远程报警。实现手机移动智能灌溉控制。实现权限管理，级别越高，登录权限越大。增加温度传感器，数据可以传输到上位机，开发一个上位机的数据分析系统，可以对数据进行分析、处理、统计等[4]。

3 系统设计

总体目标为：结合互联网＋、云服务、物联网技术、移动客户端开发技术、大数据技术等进行设计，并结合如下实际情况：①基地基础灌溉设施建设（灌溉管道设施、水池、水泵、电信网络、电源、视频点立柱基建等）；②现地自动化控制系统建设（包括温度传感器、电磁阀、RS485通信系统、终端控制系统、控制机、现地状态监控软件、移动状态监控系统）；③智能视频控制系统（球形摄像头、无线路由器、智能网关、云台、移动控制终端系统）。④云数据库系统（包括云空间、云数据库、云后台服务系统、大数据存储机制配置等）；⑤移动互联平台（包括状态无线发送装置、状态无线接受装置、视频无线接收器、移动监控软件系统）。

3.1 现地智能灌溉控制单元（LCU）

现地智能灌溉控制单元（LCU）是以终端机为核心设备，嵌入智能现地控制软件的智能单元，与传感器、采集器、串行通信系统、触摸屏、电磁阀等形成闭环控制。LCU利用无线网关连接互联网，实现基于云服务的远程移动状态监控。如图1所示。实现现地智能控制，触摸屏控制，现地计算机控制等功能，实现数据查询、打印等。

该系统在检测端增加了土壤pH值、基质肥力（氮磷钾）传感器[5]，进一步完善了上位机的数据分析系统（专家系统）。在传输协议上打通了与WEB数据库的对接，可以通过以太网协议检测和控制系统，即完成了通过远程网页实现监控。同时，针对偏远山区无电源的情况，研究利用太阳能电板和蓄电池相结合供电，将新能源技术结合到系统的应用中，增大推广面。

该系统可以通过RS485串口联接，传输各种传感器的数据。可以与PLC联接，在PLC上嵌入以太网通信模块，提供工业以太网联接，传输PLC输出的信号。提供视频流接口，传输视频数据。将各种信号通过无线技术，发送到云端。

图1 现地智能灌溉控制单元（LCU）

3.2 远程智能控制终端软件

为了方便管理人员进行远距离智能监测与控制[6]，开发了基于云服务的移动互联型远程智能控制软件系统。系统方案如图2所示。

图2 远程智能控制软件系统

本系统以终端现地智能灌溉控制系统为基础，通过无线网关，在手机上可以实现自动灌溉控制。手机上也可以查询基地的温度等状态参数。本系统的控制可以配合移动终端的远程视频监管系统进行。

本系统在云端建立数据存储机制。存储机制灵活：可以租用云空间，或现地磁盘阵列存储，或开发商本地云存储。解决了视频数据和状态数据的统一管理。

为视频识别技术、状态分析专家库、经验系统提供更加广泛的平台。将数据挖掘、分析与云技术、大数据技术结合。视频采集可以通过3G网络，实现与物联网节点装置的无线通信。PLC通过3G网络，将输出信号无线传输到物联网节点装置。物联网节点装置实现与移动终端的互联通信。解决偏远地方没有网络，但有3G、4G信号的问题，同时减少了有线网络的投资成本。

3.3 远程视频与语音预警监控终端软件

为了加强安全监管，采用基于移动互联的远程视频监管系统，该系统在移动平台上实现视频监测，通过基于移动互联的远程智能控制系统实现控制功能，具有手机远程启动语音报警装置，防止闲人进入基地，保障基地的安全，同时在基地蔬果采摘时，可实现远程指挥。技术方案如图3所示。

图3 远程视频监管系统

3.4 云数据库

数据库采用基于云服务的大数据库系统，节约了服务器、网络等投资成本，也使得数据更加安全可靠，是最新技术的数据实现。采用云技术＋数据库开发技术，在云服务器上开发云数据库。将数据库安装在云端，由云服务商提供云安全监管和容灾，既安全又可靠。在云端部署云数据库数据引擎，接收视频和状态数据，并向执行器发送数据信号。与移动终端建立联接，为移动终端提供云数据服务。

本系统采用云服务的大数据库开发技术，在提高系统可靠性、安全性、可拓性之外，节约了投资成本。使整个系统更加符合基地的实际需求。云服务的大数据库如图4所示。

图4 基于云服务的大数据库平台设计图

3.5 界面设计

采用移动互联技术，开发了APP和微信平台软件，安装在移动终端（手机上）。在一个系统中既可视频监控、又可状态监控，实现集成统一的管理平台。APP端体现集团化管理，微信平台体现单个用户管理。程序更新在云端，系统升级方便，维护简单。

4 性能特点

（1）节约了网络投资。由于采用无线传输、3G、移动终端、物联网等技术，无需进行大规模的光纤或以太网网络建设，尤其对于比较偏远的基地，大大节约了投资成本。

（2）节约了数据存储投资。采用云服务技术，节约购买服务器、维护服务器等成本，采用云服务空间不但有专人维护，成本非常低且安全可靠，采用多个云空间可以实现备份和容灾。

（3）节约电源投资。本系统可以联接太阳能＋蓄电池系统，节约电源投资成本，尤其适合偏远山区。

（4）节约维护成本。先进技术的采用，尤其是线路（大部分无线）、设备等的集成化管理，云服务免服务器维护，系统统一升级，节约了后期的维护成本。

（5）节约上位机投资。若全部采用无线终端，尤其是中小型基地，可以不要购买上位机、显示器，现地无需建设控制室等。

5 结束语

本系统的设计与应用是成功的，并在以下几个方面充分发挥了优势。

（1）技术上。采用了国际最先进的前沿技术，包括物联网技术、云服务技术、移动互联技术、无线LCU、3G、无线视频流、移动终端开发技术（APP开发技术、微信开发技术）、大数据云存储技术等。

（2）经济上，大大节约了硬件、网络和人工成本。

（3）管理方面。实现了无线终端的“随时随地可监控”的目的，使得管理水平大大提升。节约了人工成本，有利于基地的高效产出，有利于宝贵水资源的节约利用，有利于基地的安全防控。