蔣堂農(nóng)場節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)

汪雪根，施長興，邵紅艷，張家勝

（1. 金華市金蘭水利建設(shè)有限公司，浙江 金華321000；2. 浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州310009）

1 概況

智能水網(wǎng)和節(jié)水灌溉是長期以來國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[1]，隨著技術(shù)的進(jìn)步，智能水網(wǎng)和節(jié)水灌溉也從傳統(tǒng)的智能水網(wǎng)及節(jié)水灌溉控制發(fā)展到智慧水網(wǎng)及節(jié)水灌溉階段。智能節(jié)水灌溉及控制是浙江省“五水共治”節(jié)水環(huán)節(jié)的重要組成部分，采用智能節(jié)水灌溉自動化，不但能夠達(dá)到節(jié)水的目的，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地狀態(tài)，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效益，減少人工投入的成本以及基地的安全[2]。因此該項(xiàng)目的實(shí)施對提高基地的智能化現(xiàn)代化水平、減少水資源浪費(fèi)、提高基地安全監(jiān)管水平、增強(qiáng)基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。

但是目前的傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)都有如下幾個方面的缺陷：

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[3]是兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，未進(jìn)行集成化的系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)使用很不方便，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒有利用。

（2）手機(jī)要訪問WEB服務(wù)器的網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，手機(jī)顯示界面小，時(shí)常按錯控制按鈕。WEB服務(wù)器投資比較大。移動互聯(lián)網(wǎng)＋技術(shù)沒有采用。

（3）購買了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB服務(wù)器、建設(shè)了監(jiān)控中心、采用了傳統(tǒng)的光纖以太網(wǎng)絡(luò)，投資成本很高，而且服務(wù)器數(shù)據(jù)庫維護(hù)需要專人維護(hù)，時(shí)常遭受病毒和黑客干擾，且容災(zāi)困難。云服務(wù)技術(shù)沒有采用。

（4）每天產(chǎn)生大量的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)容量有限，時(shí)常備份很麻煩。大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)沒有采用。

為此，筆者與團(tuán)隊(duì)一起，加強(qiáng)研究，以蔣堂農(nóng)場基地為示范點(diǎn)，開展節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)云系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)，不斷提升不斷完善。

2 建設(shè)要求

蔣堂農(nóng)場基地位于浙江省金華市，屬于浙江東興實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司的蔣堂農(nóng)場九峰果蔬基地，種植面積200畝；該基地配套了管理房、水電（三相），道路、節(jié)水農(nóng)業(yè)（噴滴灌），設(shè)施大棚（單體大棚12畝，連棟大棚10.8畝）。

為了提高整個基地的示范和輻射作用，準(zhǔn)備將最先進(jìn)的自動化灌溉技術(shù)，并將云服務(wù)技術(shù)融入到整個自動化灌溉系統(tǒng)的實(shí)施過程[4]。準(zhǔn)備開發(fā)“基于云技術(shù)的智能節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)”，旨在保證整個基地的灌溉現(xiàn)代化、智能化、高端化。

具體指標(biāo)及功能要求為：計(jì)劃將該套傳感器安裝在新建連棟大棚內(nèi)（兩個區(qū)塊每個區(qū)塊內(nèi)安裝兩個點(diǎn)共4個點(diǎn)），遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制每塊地管道出水，也可手動操作控制；控制站配置要求：移動終端，電腦、硬盤錄相機(jī)電信光纖直接接入果蔬基地管理房。視頻監(jiān)控點(diǎn)6個，其中槍機(jī)2個，球機(jī)4個。可隨時(shí)查看基地視頻數(shù)據(jù)，可以對基地進(jìn)行語音預(yù)警；可隨時(shí)查看聯(lián)動大棚的溫度數(shù)據(jù)，并能查詢歷史數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動視頻監(jiān)控，能夠手機(jī)遠(yuǎn)程報(bào)警。實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動智能灌溉控制。實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理，級別越高，登錄權(quán)限越大。增加溫度傳感器，數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，開發(fā)一個上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、統(tǒng)計(jì)等[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體目標(biāo)為：結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)＋、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動客戶端開發(fā)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合如下實(shí)際情況：①基地基礎(chǔ)灌溉設(shè)施建設(shè)（灌溉管道設(shè)施、水池、水泵、電信網(wǎng)絡(luò)、電源、視頻點(diǎn)立柱基建等）；②現(xiàn)地自動化控制系統(tǒng)建設(shè)（包括溫度傳感器、電磁閥、RS485通信系統(tǒng)、終端控制系統(tǒng)、控制機(jī)、現(xiàn)地狀態(tài)監(jiān)控軟件、移動狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)）；③智能視頻控制系統(tǒng)（球形攝像頭、無線路由器、智能網(wǎng)關(guān)、云臺、移動控制終端系統(tǒng)）。④云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（包括云空間、云數(shù)據(jù)庫、云后臺服務(wù)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)存儲機(jī)制配置等）；⑤移動互聯(lián)平臺（包括狀態(tài)無線發(fā)送裝置、狀態(tài)無線接受裝置、視頻無線接收器、移動監(jiān)控軟件系統(tǒng)）。

3.1 現(xiàn)地智能灌溉控制單元（LCU）

現(xiàn)地智能灌溉控制單元（LCU）是以終端機(jī)為核心設(shè)備，嵌入智能現(xiàn)地控制軟件的智能單元，與傳感器、采集器、串行通信系統(tǒng)、觸摸屏、電磁閥等形成閉環(huán)控制。LCU利用無線網(wǎng)關(guān)連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于云服務(wù)的遠(yuǎn)程移動狀態(tài)監(jiān)控。如圖1所示。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地智能控制，觸摸屏控制，現(xiàn)地計(jì)算機(jī)控制等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、打印等。

該系統(tǒng)在檢測端增加了土壤pH值、基質(zhì)肥力（氮磷鉀）傳感器[5]，進(jìn)一步完善了上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（專家系統(tǒng)）。在傳輸協(xié)議上打通了與WEB數(shù)據(jù)庫的對接，可以通過以太網(wǎng)協(xié)議檢測和控制系統(tǒng)，即完成了通過遠(yuǎn)程網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。同時(shí)，針對偏遠(yuǎn)山區(qū)無電源的情況，研究利用太陽能電板和蓄電池相結(jié)合供電，將新能源技術(shù)結(jié)合到系統(tǒng)的應(yīng)用中，增大推廣面。

該系統(tǒng)可以通過RS485串口聯(lián)接，傳輸各種傳感器的數(shù)據(jù)?？梢耘cPLC聯(lián)接，在PLC上嵌入以太網(wǎng)通信模塊，提供工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，傳輸PLC輸出的信號。提供視頻流接口，傳輸視頻數(shù)據(jù)。將各種信號通過無線技術(shù)，發(fā)送到云端。

圖1 現(xiàn)地智能灌溉控制單元（LCU）

3.2 遠(yuǎn)程智能控制終端軟件

為了方便管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離智能監(jiān)測與控制[6]，開發(fā)了基于云服務(wù)的移動互聯(lián)型遠(yuǎn)程智能控制軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程智能控制軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)以終端現(xiàn)地智能灌溉控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過無線網(wǎng)關(guān)，在手機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)自動灌溉控制。手機(jī)上也可以查詢基地的溫度等狀態(tài)參數(shù)。本系統(tǒng)的控制可以配合移動終端的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行。

本系統(tǒng)在云端建立數(shù)據(jù)存儲機(jī)制。存儲機(jī)制靈活：可以租用云空間，或現(xiàn)地磁盤陣列存儲，或開發(fā)商本地云存儲。解決了視頻數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

為視頻識別技術(shù)、狀態(tài)分析專家?guī)?、?jīng)驗(yàn)系統(tǒng)提供更加廣泛的平臺。將數(shù)據(jù)挖掘、分析與云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合。視頻采集可以通過3G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝置的無線通信。PLC通過3G網(wǎng)絡(luò)，將輸出信號無線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝置。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝置實(shí)現(xiàn)與移動終端的互聯(lián)通信。解決偏遠(yuǎn)地方?jīng)]有網(wǎng)絡(luò)，但有3G、4G信號的問題，同時(shí)減少了有線網(wǎng)絡(luò)的投資成本。

3.3 遠(yuǎn)程視頻與語音預(yù)警監(jiān)控終端軟件

為了加強(qiáng)安全監(jiān)管，采用基于移動互聯(lián)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)在移動平臺上實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)測，通過基于移動互聯(lián)的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能，具有手機(jī)遠(yuǎn)程啟動語音報(bào)警裝置，防止閑人進(jìn)入基地，保障基地的安全，同時(shí)在基地蔬果采摘時(shí)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮。技術(shù)方案如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)管系統(tǒng)

3.4 云數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫采用基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，節(jié)約了服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等投資成本，也使得數(shù)據(jù)更加安全可靠，是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。采用云技術(shù)＋數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)，在云服務(wù)器上開發(fā)云數(shù)據(jù)庫。將數(shù)據(jù)庫安裝在云端，由云服務(wù)商提供云安全監(jiān)管和容災(zāi)，既安全又可靠。在云端部署云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)引擎，接收視頻和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并向執(zhí)行器發(fā)送數(shù)據(jù)信號。與移動終端建立聯(lián)接，為移動終端提供云數(shù)據(jù)服務(wù)。

本系統(tǒng)采用云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)，在提高系統(tǒng)可靠性、安全性、可拓性之外，節(jié)約了投資成本。使整個系統(tǒng)更加符合基地的實(shí)際需求。云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫如圖4所示。

圖4 基于云服務(wù)的大數(shù)據(jù)庫平臺設(shè)計(jì)圖

3.5 界面設(shè)計(jì)

采用移動互聯(lián)技術(shù)，開發(fā)了APP和微信平臺軟件，安裝在移動終端（手機(jī)上）。在一個系統(tǒng)中既可視頻監(jiān)控、又可狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)集成統(tǒng)一的管理平臺。APP端體現(xiàn)集團(tuán)化管理，微信平臺體現(xiàn)單個用戶管理。程序更新在云端，系統(tǒng)升級方便，維護(hù)簡單。

4 性能特點(diǎn)

（1）節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)投資。由于采用無線傳輸、3G、移動終端、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，無需進(jìn)行大規(guī)模的光纖或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，尤其對于比較偏遠(yuǎn)的基地，大大節(jié)約了投資成本。

（2）節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲投資。采用云服務(wù)技術(shù)，節(jié)約購買服務(wù)器、維護(hù)服務(wù)器等成本，采用云服務(wù)空間不但有專人維護(hù)，成本非常低且安全可靠，采用多個云空間可以實(shí)現(xiàn)備份和容災(zāi)。

（3）節(jié)約電源投資。本系統(tǒng)可以聯(lián)接太陽能＋蓄電池系統(tǒng)，節(jié)約電源投資成本，尤其適合偏遠(yuǎn)山區(qū)。

（4）節(jié)約維護(hù)成本。先進(jìn)技術(shù)的采用，尤其是線路（大部分無線）、設(shè)備等的集成化管理，云服務(wù)免服務(wù)器維護(hù)，系統(tǒng)統(tǒng)一升級，節(jié)約了后期的維護(hù)成本。

（5）節(jié)約上位機(jī)投資。若全部采用無線終端，尤其是中小型基地，可以不要購買上位機(jī)、顯示器，現(xiàn)地?zé)o需建設(shè)控制室等。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是成功的，并在以下幾個方面充分發(fā)揮了優(yōu)勢。

（1）技術(shù)上。采用了國際最先進(jìn)的前沿技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)、無線LCU、3G、無線視頻流、移動終端開發(fā)技術(shù)（APP開發(fā)技術(shù)、微信開發(fā)技術(shù)）、大數(shù)據(jù)云存儲技術(shù)等。

（2）經(jīng)濟(jì)上，大大節(jié)約了硬件、網(wǎng)絡(luò)和人工成本。

（3）管理方面。實(shí)現(xiàn)了無線終端的“隨時(shí)隨地可監(jiān)控”的目的，使得管理水平大大提升。節(jié)約了人工成本，有利于基地的高效產(chǎn)出，有利于寶貴水資源的節(jié)約利用，有利于基地的安全防控。