余江遠(yuǎn)，邵冠軍

（1.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；2.紹興市上虞區(qū)上浦閘運(yùn)行管理中心，浙江 紹興 312000）

1 引言

機(jī)埠具有站點(diǎn)多、分布廣、規(guī)模小等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)灌溉中發(fā)揮著極其重要的作用，其運(yùn)行管理的智慧化水平關(guān)系到工程管理的效率，尤其是汛期，簡單直接、快速高效地對(duì)機(jī)埠進(jìn)行遠(yuǎn)程智慧管理能夠保障工程運(yùn)行安全和維護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)利益。當(dāng)前機(jī)埠主要采用人工管理模式，每次啟停都由工作人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，存在難以計(jì)量、水量浪費(fèi)、時(shí)間滯后等問題[1]。部分機(jī)埠采用傳統(tǒng)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程管理模式，即敷設(shè)光纖或租用VPN、集中建設(shè)控制調(diào)度中心、專人管理的模式，存在單點(diǎn)安裝設(shè)備多、建設(shè)費(fèi)用高、實(shí)施周期長、脫離實(shí)際使用等問題，不利于大面積推廣和提高機(jī)埠使用功效。針對(duì)機(jī)埠的管理人員存在年齡偏大、文化水平較低、人多且管理分散等特點(diǎn)，宜采用集成費(fèi)用低、輕量簡潔、配置靈活、操作方便、基于移動(dòng)端的機(jī)埠遠(yuǎn)程智慧管理系統(tǒng)，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉“總量控制，定額管理”的目的，有效減少灌溉用水浪費(fèi)和提高操作可靠性、安全性[2]。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

機(jī)埠遠(yuǎn)程智慧管理系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸、物聯(lián)組網(wǎng)等技術(shù)，通過手機(jī)App或微信小程序可以遠(yuǎn)程控制機(jī)埠水泵的啟動(dòng)和關(guān)閉、室內(nèi)外視頻查看、灌溉電量計(jì)量、灌溉水量折算等，做到機(jī)埠控制自動(dòng)化、操作便捷化、數(shù)據(jù)定量化、運(yùn)行可視化、管理信息化、利用高效化。

3 系統(tǒng)功能

（1）遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成。利用智能數(shù)據(jù)管理終端、空氣開關(guān)、繼電器、接觸器等自動(dòng)化設(shè)備，構(gòu)建一套機(jī)埠遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)[3]。通過該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制指令的傳輸、執(zhí)行和水泵的控制。

（2）遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)集成。利用攝像機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)卡，將視頻數(shù)據(jù)傳輸至視頻云平臺(tái)，以便遠(yuǎn)程智慧管理App 和微信小程序調(diào)用視頻數(shù)據(jù)，查看灌溉實(shí)時(shí)情況，確保灌溉安全。

（3）灌溉電量獲取及水量折算。通過在機(jī)埠內(nèi)安裝智能電量轉(zhuǎn)換器，采集機(jī)埠灌溉用電數(shù)據(jù)并內(nèi)置“以電折水”模型算法，計(jì)算灌溉水量。

（4）遠(yuǎn)程智能管理軟件應(yīng)用。利用Java、MySQL、數(shù)據(jù)鏈路等技術(shù)，開發(fā)手機(jī)端App和微信小程序，用于遠(yuǎn)程機(jī)埠狀態(tài)查看、灌溉計(jì)量數(shù)據(jù)展示、視頻信息監(jiān)視和機(jī)電設(shè)備控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

機(jī)埠遠(yuǎn)程智慧管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)地控制端、服務(wù)器端和移動(dòng)應(yīng)用端3個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)埠遠(yuǎn)程智慧管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)地控制端主要由智能數(shù)據(jù)管理終端、智能電量轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)地控制單元、攝像機(jī)等組成。智能數(shù)據(jù)管理終端通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（GPRS/4G/5G）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)地控制端的核心組件；智能電量轉(zhuǎn)換器主要是采集現(xiàn)場(chǎng)電量并按一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換為水量；現(xiàn)地控制單元是現(xiàn)場(chǎng)電氣化控制的組件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動(dòng)和電動(dòng)控制，并為遠(yuǎn)程控制提供基礎(chǔ)支撐；攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像。

服務(wù)器端由數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)通信服務(wù)軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫用于系統(tǒng)運(yùn)行、控制、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)通信服務(wù)軟件用于服務(wù)器與智能數(shù)據(jù)管理終端的通信，建立服務(wù)器端和現(xiàn)地控制端數(shù)據(jù)通信的橋梁，是移動(dòng)應(yīng)用端指令的下發(fā)通道，也是現(xiàn)地控制端數(shù)據(jù)的上傳通道，是數(shù)據(jù)傳輸、交換、解析的核心通道。

移動(dòng)應(yīng)用端由手機(jī)端智能管理App和微信小程序構(gòu)成，是用戶進(jìn)行灌溉管理、遠(yuǎn)程智控、數(shù)據(jù)查看、視頻瀏覽的應(yīng)用軟件。

4.1 遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制由智能數(shù)據(jù)管理終端、現(xiàn)地控制單元兩部分實(shí)現(xiàn)。智能數(shù)據(jù)管理終端是接收用戶傳來的控制指令并對(duì)外圍電路進(jìn)行控制的單元，同時(shí)采集計(jì)量數(shù)據(jù)和水泵狀態(tài)并傳送至服務(wù)器?，F(xiàn)地控制單元是控制水泵運(yùn)行的執(zhí)行單元，主要包含空氣開關(guān)、繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、開關(guān)電源和接觸器等設(shè)備[4]。通過現(xiàn)地控制單元，既可以實(shí)現(xiàn)水泵的現(xiàn)地手動(dòng)控制，同時(shí)可以切換至遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，便于手機(jī)App的遠(yuǎn)程控制。

為了實(shí)現(xiàn)按需灌溉的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制需具備以下功能。

（1）現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程控制。①現(xiàn)場(chǎng)控制器控制：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開啟和關(guān)閉水泵；②手機(jī)App 端遠(yuǎn)程控制：通過App遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉水泵，并查看現(xiàn)場(chǎng)視頻。

（2）時(shí)序控制?？芍贫ü喔扔?jì)劃，按計(jì)劃啟停水泵，從而實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃時(shí)間進(jìn)行灌溉[5]。

4.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)由前端攝像機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)卡、視頻云平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)。通過前端攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻信息，再經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸至后端視頻云平臺(tái)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)整合，最終提供給手機(jī)端灌溉管理App 進(jìn)行調(diào)用查看，保障啟閉水泵的安全和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視。

4.3 水量電量折算傳輸

通過安裝在機(jī)埠內(nèi)的智能電量轉(zhuǎn)換器，并經(jīng)過RS485 與智能數(shù)據(jù)管理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由智能數(shù)據(jù)管理終端將用電量數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器端采用“以電折水”計(jì)算模型，將用電量折算為用水量，從而測(cè)算出灌溉用水量，并在手機(jī)App端進(jìn)行展示。電量計(jì)算公式為：

式中：E為電量（kW·h）；α 為常量，取9.8 kN/m3；q為流量（m3/s）；t為時(shí)間（h）；H為水泵凈揚(yáng)程（m）；η為泵站效率，取60%～80%。

將t單位轉(zhuǎn)換為秒，則t=T/3 600，T為時(shí)間（s），由此可以推導(dǎo)出：

式中：Q為水量（m3），且Q=qT；其余變量含義同上。

由式（2）推導(dǎo)出水量計(jì)算公式為：

4.4 軟件系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)通信服務(wù)軟件。數(shù)據(jù)通信服務(wù)軟件運(yùn)行于服務(wù)器上，屬于系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)型軟件。軟件采用C/S 結(jié)構(gòu)，依據(jù)定制的數(shù)據(jù)通信傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信服務(wù)，通過該軟件可以接收智能數(shù)據(jù)管理終端遠(yuǎn)程傳輸?shù)乃脿顟B(tài)、灌溉計(jì)量數(shù)據(jù)等信息，并按一定的協(xié)議規(guī)程解析數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；同時(shí)，還可通過智能數(shù)據(jù)管理終端發(fā)送指令，從而實(shí)現(xiàn)水泵控制。

（2）數(shù)據(jù)庫軟件。數(shù)據(jù)庫軟件是數(shù)據(jù)通信服務(wù)軟件和手機(jī)App之間的橋梁，同時(shí)也是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)中心。系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，具有查詢速度快、安全性能高、數(shù)據(jù)處理強(qiáng)的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)庫中，創(chuàng)建不同的表來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表生成、數(shù)據(jù)信息查詢、數(shù)據(jù)備份等功能。通過數(shù)據(jù)庫軟件能實(shí)現(xiàn)灌溉數(shù)據(jù)和水泵狀態(tài)入庫、計(jì)量報(bào)表生成、灌溉歷史數(shù)據(jù)查詢、控制策略制定等功能[6]。

（3）遠(yuǎn)程智能管理軟件。遠(yuǎn)程智能管理軟件包含手機(jī)App 和微信小程序，是用戶數(shù)據(jù)交互的軟件應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)以下主要功能：①灌溉控制功能：軟件提供水泵控制界面，在頁面中可以查看各機(jī)埠實(shí)時(shí)灌溉情況，并可通過示意圖制定灌溉策略。②數(shù)據(jù)查看功能：通過該軟件可以查看水泵的工作狀態(tài)和灌溉用水量，同時(shí)通過查詢頁面可以對(duì)水泵運(yùn)行記錄、灌水歷史記錄、控制記錄等進(jìn)行查詢。③設(shè)備管理功能：軟件提供設(shè)備的采購時(shí)間、安裝時(shí)間、運(yùn)行時(shí)長、設(shè)備廠商等信息。④控制策略制定功能：通過App，自動(dòng)控制分為2 種方式，一種是即時(shí)控制，即點(diǎn)擊App界面的立刻開啟或立即關(guān)閉按鈕來直接干預(yù)水泵的工作狀態(tài)，這種控制方式具有實(shí)時(shí)性，需要有人值守；另一種為預(yù)制控制方式，可以通過App預(yù)先制定灌溉啟停時(shí)間、灌溉時(shí)長、灌溉水量等，系統(tǒng)在無人值守的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。

5 結(jié)語

機(jī)埠遠(yuǎn)程智慧管理系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)前機(jī)埠管理中存在的痛點(diǎn)，從設(shè)備控制、用水計(jì)量、視頻監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理等角度出發(fā)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以解決機(jī)埠缺少專業(yè)化、輕量化、便捷化和可視化輔助管理系統(tǒng)的問題，具有市場(chǎng)推廣性和實(shí)用性。該系統(tǒng)的建設(shè)可以助力機(jī)埠管理向自動(dòng)化、信息化、智慧化方向發(fā)展，節(jié)省工程運(yùn)行管理費(fèi)用，提升工程管理水平，提高工程運(yùn)行效能。后續(xù)，該系統(tǒng)可以依據(jù)田間土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的墑情數(shù)據(jù)，再結(jié)合農(nóng)作物的生長階段、需水量和灌溉模型，構(gòu)建農(nóng)田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，大力促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、生態(tài)節(jié)水和農(nóng)民增收。