基于云平台的高效节水灌溉信息化管理系统设计

刘文俊

摘 要 针对目前甘肃省高效节水灌溉系统技术相对落后、管理效率低等问题，依托永昌县丰泽园种植农业合作社和永昌县春满农牧发展有限责任公司的高效节水灌溉项目建设，设计了基于云平台的高效节水灌溉信息化管理系统。该系统由远程管理中心、田间智能化灌溉控制系统、可视化系统和客户终端等部分组成，应用了数据采集传输、控制决策模型、视频监控及地理信息场景化控制等技术，通过互联网大数据管理分析、软硬件交互集成，实现了灌区用水管理及运行维护的智能化、信息化，具有较好的实用价值和应用前景。

关键词 高效节水灌溉;信息化;云平台;灌区管理;自动控制;甘肃省永昌县

中图分类号：S27;TV93 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.10.073

灌区基础设施建设是我国农业经济发展的重要环节，是国家粮食安全与农产品有效供给的保障，同时是城镇居民生活、工业发展及生态环境供水的重要载体，也是发展乡村振兴战略的基础支撑[1]。我国是一个水资源短缺的农业大国，发展灌区节水灌溉是促进水资源高效利用和现代农业发展的重要举措。我国西北地區干旱少雨，耕地每667 m2平均水资源量为857 m3，仅为全国平均水平的60%[2]。然而长期以来，由于缺乏科学指导等原因，农业灌溉水资源浪费现象却十分严重。

甘肃省大部分现有灌区设施建于20世纪50—70年代，现有灌区信息化工程标准低、设计不合理、运维成本高、管理效率低，且主要应用于单体式的小型灌溉系统，大规模的灌区基础设施建设与更新改造，短期内尚无法充分发挥其效益[3-5]。信息化时代背景下，以物联网技术为支撑的灌区信息化发展已成为灌区现代化、智能化建设的主流趋势[6-9]。实现灌区水资源高效利用和合理配置是当前及未来甘肃省乃至西北地区实现农业现代化、保障区域经济高质量发展的重要

保证[10]。

甘肃省永昌县位于河西走廊东段，是古丝绸之路的重要节点，因地处西北戈壁荒漠，属典型的内陆荒漠气候，水资源极度短缺，生态环境十分脆弱。因此，保护水资源与环境、大力发展节约用水是当地一项革命性的使命，也是县域经济社会可持续发展的基本策略之一。

近年来，永昌县深入落实高效节水灌溉理念，大力实施农村水利工程及灌区基础设施续建配套与节水改造，努力保障实现农业综合生产和经济价值增值的最大化。目前，永昌县的灌溉方式以微灌为主，形成以粮食生产区为主，并大力发展经济作物产区的灌溉模式。随着“互联网+”、信息化时代的到来，深入挖掘灌区节水潜力，大力提升农业基础设施和管理能力现代化水平显得尤为迫切。

本文所涉节水灌溉工程信息化升级改造依托两个片区先后建设，分别是永昌县丰泽园种植农业合作社和永昌县春满农牧发展有限责任公司，两个试点的建设规模分别为71.87 hm2和73.33 hm2，试点建设完成后实现农业灌区全自动化，打造现代化高效节水农业种植地。

1 高效节水信息化系统设计

高效节水信息化系统采用智能化灌溉控制系统、可视化系统及各灌片下的各轮灌组细部控制器件结合，通过互联网PC端和手机App客户端控制阀门的关闭，同时监测过水流量、流速和压力，保证各灌片实现精准灌溉。

通过可视化系统及细部控制器件，可实现不同作物生长周期内施肥和施药的计量，根据作物生长状况调节水肥施用比例，达到水肥一体化计量精准的目的，也可根据现状监测优化农作物种植结构。信息化系统由以下4个功能模块组成。

1.1 管理中心

管理中心是高效节水灌溉信息化系统的展示中心和控制中心，通过数据整合技术搭建一个信息集成管理中心平台，实现系统内各应用程序间、跨部门、区域甚至与其他工作流程的相互通信。

管理中心架构示意图如图1所示。相比本地服务器，云服务器具有运行简单安全、高效方便、处理能力可调节的计算服务。从技术层面讲，云服务器是整合了云计算、网络和存储等各种软件和硬件技术资源，有效解决了传统物理租用或vps服务中管理难度大、业务扩展弱的缺陷。此外，云服务器具备安全、可靠、灵活、节能、低成本等特点。永昌县丰泽园种植农业合作社和永昌县春满农牧发展有限责任公司分别配置操作台1套、操作电脑1台，同时配置相关网络设备，包括企业级交换机及无线路由器各1台。

图1 管理中心架构示意图

1.2 节水灌溉系统

高效节水灌溉系统是利用计算机网络技术、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）技术、LoRa技术、物联网控制技术、光伏充电技术及自动控制等先进技术研发的系统。系统通过远程开关脉冲电磁阀，自动灌溉，根据土壤作物生长情况自动控释施肥机，建立智能、节水、高效的灌区。

如图2所示，高效节水灌溉系统由高效节水云平台、水肥一体机、脉冲电磁阀、阀控器、无线网关等部分组成。系统设备通过软件控制脉冲电磁阀的移动物联网通信技术实现通信。

数据是灌溉系统高效运行的关键。农作物灌溉生产过程中产生的海量数据，通过云平台、互联网数据传输和数据分析，实现软硬件之间的交互，进而实现管理端和用户终端、系统软件与硬件、运行模块与管理中心等之间的实时互馈通信，最终有效提高智能灌溉的节水效率和水平。由管理中心和4个主要平台等构成的高效节水灌溉系统设计架构如图3所示。

作为高效节水信息化系统的核心和关键技术，高效节水灌溉系统考虑不同农作物在整个生命周期内不同生育阶段需水量的差异，首先整理收集各种作物在不同生育期需水量的数据，以此建立给水控制的基础数据模型，从而控制系统软件将采集的数据进行分析。例如，采集土壤含水量后将其与灌溉饱和点进行比较，判断是需要灌溉还是停止灌溉，然后将信号发送到阀门控制系统，再由阀门控制系统实施灌区的阀门开启或关闭，以此实现灌溉的自动化控制。53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C

本系统具有较好的软件拓展功能，可根据用户的实际需求配置相应的子系统，如农田墒情监测系统、作物生长图像采集系统、水肥智能决策系统和作物网络化管理平台等多个子系统，能为用户提供多种管理方式[11-12]。

1.3 高效节水云平台PC后端

高效节水云平台PC后端是整个高效节水的基础，需要PC后端提供数据支撑。高效节水PC后端功能主要分为系统基础功能和系统业务功能两类：基础功能包括系统设置、用户、组织结构等;业务功能包括设备管理、智能控制等（图3）。

1.4 高效节水移动端

高效节水移动端在整合PC端相关的功能的基础上，充分发挥高效移动端方便快捷的优势，构建基于物联网、云计算的智慧水务一体化平台，打造安全、可靠、高效、环保的供水新模式。用户通过手机移动端可以查看现场设备工作状态，实现远程控制和精准灌溉。高效节水移动端分为iOS移动客户端和Android移动客户端两个版本，用户可根据实际需求选用其中的一个或多个版本。

如图4所示，高效节水移动端首页采用宫格形式布局，用精简的形式呈现主要功能的入口，展示了场景化控制、地理信息、智能化控制和设备管理的主要功能入口，点击图标即可进入相应的控制页面。

客户经由启动页登录后，可在灌区场景化控制功能中，对设备进行实时操作，可经由地理信息功能，通过地区选择或搜索快速定位到对应的设备所在区域[13-14]。支持查看设备的地理位置，客户端不仅支持在地图上展示设备，还可实现对设备的控制和信息展现。

智能化控制支持用户通过手机实现对设备的远程控制。手机客户端还支持通过用户预制的动作实施机制，按照自定义的规则对设备进行智能控制。通过大数据分析，根据不同农作物、不同季节、不同气候、不同土壤湿度等因素，智能控制灌溉，提高灌溉管理水平，降低管理成本，显著提高效益（图5）。

手机客户端的智能化控制通过用户预制的动作实施机制，按照用户的规则智能化地对设备进行控制，在数据采集和设备远程控制的基础上，实现设备定时开关，设备联动，超过报警阈值时自动开关，流量不足时的分组轮灌。系统也可根据用户需求和实际环境，定制特定的智能控制模板，包括水流量不足时开始轮灌机制、土壤干旱时进行分区灌溉、定时开始灌溉、降雨时自动停止灌溉，用户可以快速地建立所需要的智能控制任务。系统还可以根据需求自己设定任务流程中的各个条件和所要触发的动作，通过定时灌溉、联动灌溉、轮灌等多种灌溉模式实现节水灌溉的目标。

根据多年灌水数据收集资料，进行数据分析，逐步优化灌溉作物灌水量，展示根据不同农作物、不同季节、不同气候、不同土壤湿度等因素的数据统计分析结果和趋势，从而为智能控制灌溉，提高灌溉管理水平，降低管理成本提供最有力的数据依据。

2 预期效益

本项目所涉及的种植区长期采用人工浇灌的方式进行灌溉，操作人员需要手动开启阀门，不仅浪费了大量的人力时间成本，而且不能根据浇灌情况及时开关设备。

本项目采用自动化的操控方式，农技人员可以根据经验在系统中设置自动灌溉和施肥程序，系统会根据设定好的程序进行自动轮灌和施肥。依据前端的设备对农作物信息进行自动采集传输到云平台后端，农技人员可以随时调整灌溉方案和施肥方案，独立控制水肥一体机注肥、前端灌区出水口的开关，进而极大节约人力时间成本。经统计，项目667 m2平均预算279.36元。

2.1 系统优势

项目建成后，改善了农业基本条件，改造完善了基础设施建设，提高了项目区灌溉水的利用率，减少了作物灌水量，提高了作物灌水的保证率，从而达到预增产增效的目的。

2.2 社会效益

1）为灌区水资源的高效合理供给提供支持，改善灌区农业生产条件，提升灌区农作物抵御自然风险的能力，提高了粮食和经济作物产量，为实现乡村振兴提供动力。2）可根据采集的种植大数据，对项目区农作物进行产业结构调整，使土地综合利用率最大，提高居民收入。3）促进产业结构调整，使农村产业结构向多元化发展，增加农民经济来源，提高当地居民的生活水平，促进国民经济和社会发展。4）减少劳动力的投入，这为解决目前农田土地闲置无人种的现状提供了解决方案，让有限的劳动力发挥出最大的生产价值，农民有多余的时间可从事第三产业。

2.3 经济效益

1）提高灌溉水利用率。水肥一体化技术通过管道输水，将有限的水源通过精准的滴灌技术，直接将水肥作用到作物根部，减少了深层渗漏和蒸发损失。水肥一体化技术较传统灌溉方式可节水30%～40%。

2）提高肥料利用率。水肥一体化技术在配方施肥的基础上，根据作物不同生育时期的养分需求，通过定量计算，将所需养分和施肥量对应，采取定时、定量、定向的施肥方式，除了减少肥料浪费，实现了集中施肥和平衡施肥，在同等条件下，一般可节约肥料30%～50%。

3）提高农药利用率。采用水肥一体化技术在浇水施肥的同时将专用农药随水一起集中施到根部，能充分有效发挥药效，有效抑制作物病虫的发生，并且每667 m2农药用量減少15%～30%。

2.4 生态环境效益

根据农作物的需水状况，适时适量对农作物进行灌溉，防止灌水深层渗漏的发生，减少因过量施肥和施药，以及退水对地下水和土壤环境的污染。通过发展高效节水灌溉技术，还可以调节田间的小气候，增加附近地表层的空气湿度，有利于作物的呼吸和光合作用。

综上所述，系统中用到的水肥一体化技术是将浇水和施肥融为一体的农业新技术，具有省肥节水、省工省力、省时省电、预增产的特点。

3 结语

结合永昌县丰泽园种植农业合作社和永昌县春满农牧发展有限责任公司高效节水灌溉项目建设及运营管理实际需要，设计并实现了高效节水灌溉信息化系统。系统实现了灌区运营管理人员通过管理中心云平台PC端实时掌握灌溉系统运行情况及适合作物不同生长阶段的水资源调配状态及系统启停智能、自动化管道流量实时监控等;实现了田间灌溉全面控制、精准计量、田间气候自动监测、运行维护服务化等，为科学灌溉与管理提供依据;实现了农技人员根据田间参数实时监测、差异化控制灌溉节律、场景化实时调取不同地理位置土壤、气象及作物生长参数等功能。与此同时，系统设计具备低成本、节能安全、调度灵活等特点。系统的建成将为全面落实新时期节水方针、加快农业农村现代化建设、因地制宜确定灌区现代化评价指标体系等，提供全方位的信息支撑。53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C

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（责任编辑：张春雨）53BF1C0E-1A37-41E1-88B6-00EFB14CB72C