機埠遠程智慧管理系統的設計與實現

余江遠，邵冠軍

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

1 引言

機埠具有站點多、分布廣、規模小等特點，在農業灌溉中發揮著極其重要的作用，其運行管理的智慧化水平關系到工程管理的效率，尤其是汛期，簡單直接、快速高效地對機埠進行遠程智慧管理能夠保障工程運行安全和維護人民生命財產利益。當前機埠主要采用人工管理模式，每次啟停都由工作人員現場手動操作，存在難以計量、水量浪費、時間滯后等問題[1]。部分機埠采用傳統的自動化遠程管理模式，即敷設光纖或租用VPN、集中建設控制調度中心、專人管理的模式，存在單點安裝設備多、建設費用高、實施周期長、脫離實際使用等問題，不利于大面積推廣和提高機埠使用功效。針對機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，宜采用集成費用低、輕量簡潔、配置靈活、操作方便、基于移動端的機埠遠程智慧管理系統，從而達到農業灌溉“總量控制，定額管理”的目的，有效減少灌溉用水浪費和提高操作可靠性、安全性[2]。

2 系統目標

機埠遠程智慧管理系統利用遠程數據采集、傳輸、物聯組網等技術，通過手機App或微信小程序可以遠程控制機埠水泵的啟動和關閉、室內外視頻查看、灌溉電量計量、灌溉水量折算等，做到機埠控制自動化、操作便捷化、數據定量化、運行可視化、管理信息化、利用高效化。

3 系統功能

（1）遠程自動化控制系統集成。利用智能數據管理終端、空氣開關、繼電器、接觸器等自動化設備，構建一套機埠遠程自動控制系統[3]。通過該系統，實現控制指令的傳輸、執行和水泵的控制。

（2）遠程視頻監視系統集成。利用攝像機、物聯網卡，將視頻數據傳輸至視頻云平臺，以便遠程智慧管理App 和微信小程序調用視頻數據，查看灌溉實時情況，確保灌溉安全。

（3）灌溉電量獲取及水量折算。通過在機埠內安裝智能電量轉換器，采集機埠灌溉用電數據并內置“以電折水”模型算法，計算灌溉水量。

（4）遠程智能管理軟件應用。利用Java、MySQL、數據鏈路等技術，開發手機端App和微信小程序，用于遠程機埠狀態查看、灌溉計量數據展示、視頻信息監視和機電設備控制。

4 系統設計實現

機埠遠程智慧管理系統主要由現地控制端、服務器端和移動應用端3個部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 機埠遠程智慧管理系統結構

現地控制端主要由智能數據管理終端、智能電量轉換器、現地控制單元、攝像機等組成。智能數據管理終端通過移動網絡（GPRS/4G/5G）進行數據傳輸，是現地控制端的核心組件；智能電量轉換器主要是采集現場電量并按一定的規則轉換為水量；現地控制單元是現場電氣化控制的組件，實現現地手動和電動控制，并為遠程控制提供基礎支撐；攝像機采集現場視頻圖像。

服務器端由數據庫和數據通信服務軟件構成。數據庫用于系統運行、控制、存儲數據等。數據通信服務軟件用于服務器與智能數據管理終端的通信，建立服務器端和現地控制端數據通信的橋梁，是移動應用端指令的下發通道，也是現地控制端數據的上傳通道，是數據傳輸、交換、解析的核心通道。

移動應用端由手機端智能管理App和微信小程序構成，是用戶進行灌溉管理、遠程智控、數據查看、視頻瀏覽的應用軟件。

4.1 遠程自動化控制

遠程自動化控制由智能數據管理終端、現地控制單元兩部分實現。智能數據管理終端是接收用戶傳來的控制指令并對外圍電路進行控制的單元，同時采集計量數據和水泵狀態并傳送至服務器?，F地控制單元是控制水泵運行的執行單元，主要包含空氣開關、繼電器、轉換開關、開關電源和接觸器等設備[4]。通過現地控制單元，既可以實現水泵的現地手動控制，同時可以切換至遠程控制狀態，便于手機App的遠程控制。

為了實現按需灌溉的自動化遠程控制，遠程自動控制需具備以下功能。

（1）現場、遠程控制。①現場控制器控制：現場手動開啟和關閉水泵；②手機App 端遠程控制：通過App遠程開啟和關閉水泵，并查看現場視頻。

（2）時序控制?？芍贫ü喔扔媱?，按計劃啟停水泵，從而實現按計劃時間進行灌溉[5]。

4.2 遠程視頻監測

遠程視頻監測由前端攝像機、物聯網卡、視頻云平臺等實現。通過前端攝像頭采集現場實時視頻信息，再經過無線網絡，傳輸至后端視頻云平臺進行視頻數據整合，最終提供給手機端灌溉管理App 進行調用查看，保障啟閉水泵的安全和現場監視。

4.3 水量電量折算傳輸

通過安裝在機埠內的智能電量轉換器，并經過RS485 與智能數據管理終端進行數據通信，由智能數據管理終端將用電量數據傳輸至服務器，服務器端采用“以電折水”計算模型，將用電量折算為用水量，從而測算出灌溉用水量，并在手機App端進行展示。電量計算公式為：

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

將t單位轉換為秒，則t=T/3 600，T為時間（s），由此可以推導出：

式中：Q為水量（m3），且Q=qT；其余變量含義同上。

由式（2）推導出水量計算公式為：

4.4 軟件系統

（1）數據通信服務軟件。數據通信服務軟件運行于服務器上，屬于系統的后臺服務型軟件。軟件采用C/S 結構，依據定制的數據通信傳輸協議，實現一對多的通信服務，通過該軟件可以接收智能數據管理終端遠程傳輸的水泵狀態、灌溉計量數據等信息，并按一定的協議規程解析數據，存儲于數據庫中；同時，還可通過智能數據管理終端發送指令，從而實現水泵控制。

（2）數據庫軟件。數據庫軟件是數據通信服務軟件和手機App之間的橋梁，同時也是系統數據的存儲中心。系統采用MySQL數據庫，具有查詢速度快、安全性能高、數據處理強的特點。在數據庫中，創建不同的表來實現數據的存儲，并通過數據庫技術實現數據報表生成、數據信息查詢、數據備份等功能。通過數據庫軟件能實現灌溉數據和水泵狀態入庫、計量報表生成、灌溉歷史數據查詢、控制策略制定等功能[6]。

（3）遠程智能管理軟件。遠程智能管理軟件包含手機App 和微信小程序，是用戶數據交互的軟件應用，主要實現以下主要功能：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埠實時灌溉情況，并可通過示意圖制定灌溉策略。②數據查看功能：通過該軟件可以查看水泵的工作狀態和灌溉用水量，同時通過查詢頁面可以對水泵運行記錄、灌水歷史記錄、控制記錄等進行查詢。③設備管理功能：軟件提供設備的采購時間、安裝時間、運行時長、設備廠商等信息。④控制策略制定功能：通過App，自動控制分為2 種方式，一種是即時控制，即點擊App界面的立刻開啟或立即關閉按鈕來直接干預水泵的工作狀態，這種控制方式具有實時性，需要有人值守；另一種為預制控制方式，可以通過App預先制定灌溉啟停時間、灌溉時長、灌溉水量等，系統在無人值守的情況下實現自動化灌溉。

5 結語

機埠遠程智慧管理系統是針對當前機埠管理中存在的痛點，從設備控制、用水計量、視頻監測、遠程管理等角度出發而設計的系統，可以解決機埠缺少專業化、輕量化、便捷化和可視化輔助管理系統的問題，具有市場推廣性和實用性。該系統的建設可以助力機埠管理向自動化、信息化、智慧化方向發展，節省工程運行管理費用，提升工程管理水平，提高工程運行效能。后續，該系統可以依據田間土壤墑情監測系統的墑情數據，再結合農作物的生長階段、需水量和灌溉模型，構建農田自動灌溉系統，大力促進農業增產、生態節水和農民增收。