Web 下節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)
——評《節(jié)水灌溉規(guī)劃》

周曉娟

（河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計算機工程學(xué)院，鄭州 453003）

我國水資源人均占有量僅為全球人均水量的25%左右，是世界貧水大國。在水資源消耗中，農(nóng)業(yè)用水量約為總用水量的90%左右。在開展大棚種植及大規(guī)模的農(nóng)田種植中，傳統(tǒng)需要進行人工灌溉，以確保農(nóng)業(yè)種植的產(chǎn)量。現(xiàn)如今，農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)采用多個傳感器分布節(jié)點進行水量控制，實現(xiàn)多點灌溉。為減少灌溉用水量，達成節(jié)水灌溉，要求開展節(jié)水灌溉的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，依托監(jiān)控系統(tǒng)對灌溉點出水量進行監(jiān)測，并開展智能調(diào)節(jié)，進而確保灌溉效率。因此，研究節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)在降低灌溉成本，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)品方面有著十分重要的現(xiàn)實意義。節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)受諸多因素影響，控制參數(shù)復(fù)雜，對節(jié)水灌溉精確控制、監(jiān)控存在不小難度。為滿足遠程監(jiān)控灌溉系統(tǒng)需求，本文提出Web 下的節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控的實際需求。由高峰等編著黃河水利出版社出版的《節(jié)水灌溉規(guī)劃》立足于近年來我國在節(jié)水灌溉科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中積累的大量成果與經(jīng)驗，以我國實行一系列與節(jié)水灌溉規(guī)劃相關(guān)的技術(shù)標準為準則，并借鑒國外先進的節(jié)水灌溉技術(shù)和工程管理經(jīng)驗，同時參考了1999 年版《水土資源評價與節(jié)水灌溉規(guī)劃》的部分內(nèi)容編寫而成，表現(xiàn)出極強的實用性。本文便以該書為指導(dǎo)，對Web 下節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)展開探索研究。

《節(jié)水灌溉規(guī)劃》分為12 章，在第一章中，作者首先闡述了節(jié)水灌溉在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用，其次介紹了節(jié)水灌溉發(fā)展概況，再次闡述了節(jié)水灌溉規(guī)劃的重要作用，最后探討了節(jié)水灌溉規(guī)劃現(xiàn)狀與展望。在第二章中，分別闡述了節(jié)水灌溉的規(guī)劃原則和規(guī)劃內(nèi)容。在第三章中，首先分析評價了區(qū)域水資源量和水質(zhì)狀況，其次闡述了水資源利用現(xiàn)狀，最后探討了可利用量與可供農(nóng)業(yè)水量。在第四章中，分別分析了區(qū)域需水結(jié)構(gòu)、用水定額以及需水量。在第五章中，首先介紹了土地資源利用分類，其次闡述了土地資源調(diào)查，再次評價了土地適宜性和土地經(jīng)濟。在第六章中，分別闡述了水土資源供需平衡分析內(nèi)容與原則、水資源供需平衡分析方法、土地資源供需平衡分析方法等內(nèi)容。在第七章中，分別闡述了工程類型的選擇、工程設(shè)計標準、工程設(shè)計流量等內(nèi)容，最后五章分別論述了灌溉管理、工程概（估）算、效益分析與經(jīng)濟評價、環(huán)境影響評價、實例等內(nèi)容。本書內(nèi)容覆蓋面廣泛，邏輯結(jié)構(gòu)明確，緊隨時代發(fā)展步伐，兼具理論性和實用性，作者立足于基礎(chǔ)理論知識介紹，通過構(gòu)建基本理論體系，同時結(jié)合各式各樣的規(guī)劃實例，以喚起讀者的閱讀興趣，提高讀者對節(jié)水灌溉規(guī)劃有效理解與認識。通過對本書的學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生對節(jié)水灌溉規(guī)劃的掌握水平，并可為節(jié)水灌溉規(guī)劃實踐提供有力指導(dǎo)?！豆?jié)水灌溉規(guī)劃》不僅可供培訓(xùn)基層水利人員及從事節(jié)水灌溉規(guī)劃的工作者使用借鑒，還可作為相關(guān)專業(yè)院校師生及科研人員在教學(xué)、科研、生產(chǎn)工作的參考用書。

《節(jié)水灌溉規(guī)劃》一書指出，節(jié)水灌溉是通過采用各式各樣工程節(jié)水措施、農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)手段等，以減少從地表水、地下水或其他水源中引取的灌溉水量。節(jié)水灌溉的普及，有助于提升農(nóng)業(yè)機械化、集約化以及現(xiàn)代化水平，進一步可推動農(nóng)業(yè)發(fā)展。同時，發(fā)展節(jié)水灌溉還可促進節(jié)水灌溉設(shè)備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的科學(xué)技術(shù)水平，對實現(xiàn)農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化、管理科學(xué)化，實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變有著十分重要的意義。節(jié)水灌溉第一步要結(jié)合具體的測量資料分析獲取實際需要向農(nóng)作物灌溉的水量，這一環(huán)節(jié)涉及到作物水分生理、生態(tài)關(guān)系等內(nèi)容的分析。緊接著，深入研究作物產(chǎn)量與水分的關(guān)系，借助灌溉經(jīng)濟學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)等理論獲取作物水分生產(chǎn)函數(shù)，為節(jié)水灌溉和經(jīng)濟用水提供有力依據(jù)。對節(jié)水灌溉量進行合理控制是節(jié)水灌溉的一項重要內(nèi)容，其旨在提升農(nóng)田灌溉用水效率及水分生產(chǎn)率。隨著我國節(jié)水灌溉理論、技術(shù)的不斷發(fā)展完善，研究人員不斷應(yīng)用各式各樣的科學(xué)技術(shù)來改善灌溉方法，以確保適時適量灌溉，提升水資源利用效率，控制灌溉成本。在此背景下，節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。

為了提升灌溉效率，降低灌溉成本，滿足節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控需求，本文提出一種基于Web 的節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過對節(jié)水灌溉使用需求調(diào)研，該系統(tǒng)需要具備以下幾項功能：第一，現(xiàn)場控制功能。一是需要進行實時監(jiān)測，將各類儀表設(shè)備所收集的數(shù)據(jù)與閥門信息情況清晰全面的顯示在監(jiān)控界面上，并按照所采集的信息自動生成報表，便于實時查詢與分析；二是需要實時控制閥門水泵，并在系統(tǒng)主界面展示閥門、水泵的不同狀態(tài)，并直接反映控制閥門水泵的操作結(jié)果；三是自動形成操作日志，對控制水泵、閥門等操作行為進行自動記錄，生成操作日志，對操作時間、動作、對象、操作員等信息進行記錄；四是根據(jù)所采集的雨量信息、水位信息等數(shù)據(jù)，結(jié)合灌區(qū)所需供水量，自動判斷是否需要供水以及供水量，自動控制閥門與水泵，實現(xiàn)自動供水。第二，遠程監(jiān)控功能。一是進行遠程監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)，查看灌區(qū)閥門與水泵狀態(tài)，并采集灌區(qū)流量等信息，并對數(shù)據(jù)進行分析處理；二是局域網(wǎng)查詢，加入局域網(wǎng)且擁有操作權(quán)限的計算機可以遠程實現(xiàn)灌區(qū)信息插敘分析。系統(tǒng)設(shè)計方面，首先，在監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架上，節(jié)水灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)依托瀏覽器遠程控制現(xiàn)場設(shè)備，并對現(xiàn)場開展圖像、視頻等信息采集的一個信息化系統(tǒng)。因為各泵站與控制中心存在一定距離，本次選取3G 路由器實現(xiàn)各泵站與控制中心的通訊。在控制中心，管理人員通過連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機或移動終端即可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時查看與調(diào)控。本系統(tǒng)主要由控制中心和現(xiàn)場設(shè)備兩大部分構(gòu)成，其中，控制中心包括數(shù)據(jù)采集、抓圖、Web 服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等部分；現(xiàn)場設(shè)備包括3G 路由器、食品服務(wù)器及PLC 等部分。對于控制中心各組成部分而言，數(shù)據(jù)采集模式通過與各站點路由器建立連接，可實現(xiàn)對開關(guān)狀態(tài)、水位狀況等數(shù)據(jù)的采集，并可實現(xiàn)對網(wǎng)頁上相關(guān)控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)。抓圖模塊可結(jié)合路由器IP 地址定時從視頻服務(wù)器采集圖片，并將采集圖片存儲于數(shù)據(jù)庫中。Web 服務(wù)器可實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)、圖片的對外發(fā)布，便于用戶對數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息數(shù)據(jù)進行查看。對于現(xiàn)場設(shè)備各組成部分而言，3G路由器主要可實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、地址映射功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是對數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)牟杉噶钸M行響應(yīng)，并將相關(guān)的數(shù)據(jù)予以返回便對PLC 控制指令進行轉(zhuǎn)發(fā)，進一步實現(xiàn)遠程控制。地址映射則是將公網(wǎng)的IP 映射到私網(wǎng)中的視頻服務(wù)器IP，使抓圖模塊可經(jīng)由IP 地址、端口號采集視頻服務(wù)器上的圖片。視頻服務(wù)器主要可實現(xiàn)現(xiàn)場視頻采集、現(xiàn)場圖片抓拍功能。在視頻服務(wù)器的支持下，可對現(xiàn)場設(shè)備進行實時監(jiān)控。PLC 主要作用于采集閘門開關(guān)、水位狀況等數(shù)據(jù)，并執(zhí)行路由器串口傳輸來的數(shù)據(jù)采集命令及閘門的開關(guān)狀態(tài)。

作為基于Socket 通信的服務(wù)器，本系統(tǒng)通過服務(wù)端開啟監(jiān)控，現(xiàn)場3G 路由器被用作客戶端有序向服務(wù)器傳輸套接字連接請求。建立連接后服務(wù)器有序向客戶端傳輸查詢指令，路由器接收到指令后結(jié)合相關(guān)規(guī)則，將指令傳輸至PLC，進一步將PLC 返回的指令經(jīng)由Socket 返回至服務(wù)器。現(xiàn)階段，軟件的系統(tǒng)架構(gòu)包括有C/S 架構(gòu)、B/S 架構(gòu)等，對于系統(tǒng)的設(shè)計選取合理的架構(gòu)尤為關(guān)鍵，本系統(tǒng)設(shè)計選取B/S 模式。在服務(wù)器中，B/S 模塊可實現(xiàn)各項邏輯功能，其數(shù)據(jù)則存儲于服務(wù)器中?？蛻舳藘H需通過瀏覽器向服務(wù)器提出數(shù)據(jù)請求，便可對內(nèi)網(wǎng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行訪問。對于這一功能的具體實現(xiàn)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的信息及采集的圖片通過網(wǎng)頁服務(wù)器進行發(fā)布，進一步提供給外網(wǎng)用戶查看。數(shù)據(jù)采集模塊中相關(guān)端口可實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的有效連接，并將網(wǎng)頁的控制指令傳輸至PLC，PLC 響應(yīng)并將執(zhí)行結(jié)果經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊反饋給Web 模塊。遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可分為普通模式、節(jié)流模式2 種；在第一種模式下，系統(tǒng)可對視頻服務(wù)器中的視頻信息進行直接讀取，并通過路由器進行傳輸，以此可實現(xiàn)對視頻信息的實時查看，不過同樣會造成較大的流量消耗，以此不宜使用。而在后一種模式下，每隔若干分鐘后抓取現(xiàn)場的一張圖片，以此來實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)控。本系統(tǒng)大多數(shù)站點均選取節(jié)流模式，制定合理的抓圖時間間隔，不僅確保了數(shù)據(jù)的實時性，還降低了流量成本。在本系統(tǒng)監(jiān)控圖像的動態(tài)顯示上，傳統(tǒng)途徑是經(jīng)由定時刷新頁面以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的更新，然而這一方式每次刷新均會重新再如全面HTML 文件，這樣不僅會提高服務(wù)器的負荷，在網(wǎng)速受限時，還會產(chǎn)生監(jiān)控圖像卡頓情況，進而造成不良的用戶體驗。為了彌補這一不足，本系統(tǒng)借助Ajax 技術(shù)以實現(xiàn)實時更新網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，緩解服務(wù)器壓力。在克服端向服務(wù)器傳輸Ajax 請求時，服務(wù)器可對是否有新的圖片信息進行檢測，如果有新的圖片數(shù)據(jù)則返回新的圖片信息并刷新相應(yīng)頁面，若沒有則返回孔的數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)設(shè)計完成后，用戶通過瀏覽器進入系統(tǒng)，可實現(xiàn)對不同站點的數(shù)據(jù)信息的有效查看，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行遠程管理，有效提高了節(jié)水灌溉系統(tǒng)的自動化水平。