智慧节水灌溉管理平台软件功能

智慧节水灌溉管理平台软件功能（一）总体功能要求1、接收泵房管道监测控制站的流量、压力数据，在需要的情况下，远程开启/关闭泵房主灌溉管路。2、接收气象站上传的气象信息以及墒情站上传的墒情信息，为灌溉策略提供数据依据。3、接收图像站上传的图像信息，分析农作物长势，验证灌溉策略的合理性。4、通过网关接收各个智能阀控器的数据，并展示当前阀门状态。5、依照灌溉策略循环或者按照指令的顺序依次打开脉冲阀，完成灌溉作业后关闭对应的电磁阀。6、数据统计和数据管理。7、报表曲线。8、历史数据和历史操作查询。（二）技术指标要求1、系统安全性要求（1）可以强制设置系统用户口令有效天数，超过设置天数须重新设置口令；（2）口令输错次数控制，系统可以设置允许口令输入错误的次数，超过允许错误次数时，系统强制要求10分钟以后才能登陆；（3）用户登录限制，可以设置是否允许相同用户在不同的电脑登录；（4）用户口令强度设置，系统可以设置口令包括字母、数字、特殊字符等三种的任意组合控制；（5）系统管理员权限控制，可以设置系统管理员除了进行系统管理以外，其他功能都不能操作；（6）锁屏功能，可以设置系统闲置一段时间后，再操作系统要重新录入口令；（7）首次登陆修改口令，强制要求系统用户第一次登陆系统后，修改口令；（8）通讯报文加密，前端和后端通讯进行加密处理；（9）门户层提供单点登录、信息发布等功能。2、业务功能需求智慧节水灌溉管理平台是为满足灌溉过程的自动化、精准化和智能化而设计，以GIS为基础，实现农田墒情、气象和作物长势的实时监测与灌溉的智能控制，保证作物在适宜的水环境中生长。因此，系统在满足智慧化灌溉核心功能需要的同时，还要从获取数据的安全性、适用性角度综合考虑，结合系统的开发难度和用户体验感，做到界面美观大方、功能齐全、操作简单、运行稳定、交互性良好。2.1数据管理功能数据是执行智能灌溉的基础，只有掌握田间实时环境和作物信息，才能够为灌溉进行科学的指导，数据管理是智能灌溉系统必不可少的功能之一。按照数据流的传递，数据管理功能分为数据采集、数据传输和数据存储三个阶段。数据采集方面，由于作物生长状态与其生长环境有着密切的关系，数据采集需要全方位全时段的监测并记录作物生长环境变化。在时间维度上，实时性十分重要，若数据采集时间过长将会导致决策出现偏差，严重时将影响作物的长势和产量，所以数据采集时间间隔要根据不同参数的需要情况合理设置。在空间维度上，系统所需要的农田信息的覆盖范围是全方位的，包括有农田地块的土壤条件、田间小区域气象信息、种植的农作物信息以及灌区设备信息等。数据传输功能起到连接田间终端、服务器和Web前端三者之间桥梁的作用。当田间终端接收数据采集指令成功获取数据后，系统需要应用网络传输协议将所采集数据传输至服务器，再按照一定格式存储进数据库中。并通过数据库接口，实现对数据的增加、删除、更改和查询操作。数据存储方面，随着灌溉进程的推进，来自田间终端的数据将不断地采集并传输至服务器上，这些来自农田多维度信息的使用价值并不仅仅是一次性的。历史数据对于研究作物生长规律、气象变化规律、土壤条件变化都有着重要的价值。系统不能仅做少量存储而销毁之前的数据，系统需要有足够的空间对这些数据进行存储，并进行高效的管理。2.2信息可视化功能信息可视化功能用以向用户实时全面展现当前农田状态，方便灌溉的控制和管理。一个好的可视化展示界面，能够将用户所需要的信息全面准确展示出来，并且需要有良好的交互体验。本系统的信息可视化展示需求在功能上应该具有图表展示、地图展示和实时视频监控。数据图表展示可以给用户以直观的视觉体验，表格的设计可以通过列表的形式快速查询某项属性的准确数值，折线图、柱状图等可以突出反映出数据的变化规律，在气象数据、土壤条件等时空序列变化规律上有着很好的效果。地图展示是GIS功能的体现，它需要能够显示出试验区以及智能水阀的地理位置信息，以及示范区场景三维模型。实时视频监控不同于实时获取的监测数据，其在视觉效果上更加直观，用于满足用户对示范区进行整体管控。2.3灌溉智能控制功能灌溉智能控制功能是本系统的核心功能，要求系统在无人干预的情况下可以自行控制灌溉，能够计算所需的灌水量、灌溉时间，涉及灌溉智能判断和智能控制。灌溉的智能判断需要系统应用田间水量平衡公式、作物生长规律对所收集的农田大数据进行智能化分析。根据田间传入数据库的实时数据，判断作物环境变化确定是否进行灌溉。灌溉的智能控制是根据灌溉所确定的各项参数，计算灌溉水用量及所需灌溉时间，在灌溉方案计算完成后，向智能水阀等灌溉设施及时发布指令，实现智能灌溉控制。这项功能不仅仅要求在Windows服务中实现，用户需要能够在可视化管理农田信息的同时实现对所展示数据分析以及其数据背后设备的管控，因此前端平台上还应有相应灌溉指令发布功能。2.4用户综合管理用户作为系统的使用者，也是系统单独的一部分。系统需提供包括用户注册、登录等账号管理功能。此外，系统还需对不同用户进行管理，设置不同等级的管理权限。普通用户相对于管理员来说，没有对系统本身进行更改开发的权力，而管理员权限在普通用户的权限之上，可以使用系统的全部功能的同时，可以对系统程序进行管理和维护，这样设置从某种程度上提高了系统的安全性和管理人员的可操作性。3、系统框架要求智慧节水灌溉管理平台利用物联网协同监测技术，实时监测农作物生态环境参数，设计生态、环境参数与需水量关系模型，利用智能决策技术获得农作物生长最佳需水量和灌溉时间，实现对农作物的适时精细灌溉，智慧节水灌溉管理平台包括PC端系统及移动端系统。3.1PC端系统系统功能模块划分如图1所示。图1智能灌溉应用管理系统功能模块系统可以将各种资源使用情况进行统计分析，使相关人员及时了解整个系统的相关资源信息，通过统计分析，进行合理使用，从而达到省水节能、省工省地的效果。（1）智慧灌溉一张图智慧灌溉一张图通过驾驶舱模式实时反映灌溉区域的水泵、各电磁阀运行状态，同时将采集的各类数据形象化、直观化、具体化。以3D可视化技术为基础，构建灌溉示范区的可视化，正确显示当前试验田地理位置，并对其和智能水阀进行标注，正确加载三维模型。统一整合视频监控、设备监测等各种信息系统，对集成数据按标准进行验证，对信息进行实时更新，建成智慧灌溉的三维场景、监控等一张图，实现节水灌溉过程的全面信息化，达到提高绿化灌溉管理水平、从而提升核心竞争力的目的。（2）实时监控系统以图形用户界面的形式，实时查看电磁阀控制单元、土壤墒情监测点、灌溉水量信息、气象信息监测点及视频监测站点。田间终端设备包括有田间小型气象站一台，能够采集包括由降雨量、空气水分含量、气温、风速、风向监测装置，实时监测试验场的气象状况；土壤墒情传感器，能够采集包括土壤体积含水量、土壤温度、土壤盐分数据；智能水阀，需要按照划分地块，每块试验田设置相关设施，能够获取水阀状态；视频监控设施，能够实时获取试验田实时监控。由于所使用田间终端模块的各个传感器设备、智能灌溉设施等均由仪器生产厂家提供，并在出厂时已提供与系统间进行数据传输的接口，因此在Windows服务中，只需要编写相关函数，调用其数据接口即可，不再需要对其硬件进行二次开发。平台的数据展示功能分为统计图、表格和视频展示等。其中图表展示需要调用Echarts插件，在HTML页面引入Echarts后可以使用其丰富的图表库，将数据进行展示。气象数据如：降雨量、气温、空气湿度等采用折线图和柱状图展示，而土壤数据中的土壤体积含水量则采用累积折线图进行展示，这样能够符合用户的常规视觉逻辑，从而大大提高用户交互感。针对土壤墒情数据，系统设计实时数据不同深度的分布图，并通过设置计时器，实现时间段内的动态展示。监控视频展示能够将灌溉示范区实时状况最为真实的展现给用户，应在灌溉示范区安装监控摄像头，利用摄像头生产厂家所提供的接口接入平台，从而在可视化平台上将监控摄像内容进行实时显示；在前端开发中，应设计相应按钮控制视频通道的切换。（3）智能灌溉智能灌溉模块是系统的核心模块，它将智能灌溉决策模型以功能函数的方式嵌入系统。该模块从功能上分为智慧灌溉计算和实时灌溉控制两部分。在灌溉实施前系统可以通过作物需水预测模型根据农田管理者所提供的种植作物的种类、种植面积、作物生长阶段、目标产量给出建议灌溉值。在种植作业过程中，在系统内部设置时钟，以固定的时间间隔采集数据，依据作物适宜土壤含水量自动进行灌溉决策，控制智能水阀实施灌溉。1）作物需水预测模型：参考作物腾发量(ET0)是计算作物腾发量和进行灌溉预报的前提要素。针对PenmanMonteith公式的应用局限性，利用公共天气预报可测因子及历史气象数据计算ET0为基准，对广州站多年预报气象信息风力状况进行量化后，以样本年气象预报信息为输入因子、ET0为输出因子，建立基于BP神经网络预报模型；预测出参考作物的潜在需水量ET0，由公式ET=KC×ET0计算出的灌区农作物需水量ET，KC是指充分供水条件下实际农作物蒸发蒸腾量与参考农作物蒸发蒸腾量的比值。其反映了农作物本身的生物学特性、产量水平、土壤耕作条件等对农作物需水量的影响。其因农作物种植、发育阶段和产量而异，生育初期、末期较小，中期较大。KC选用联合国粮农组织推荐的作物系数表的作物系数。通过查阅FAO的作物系数表确定广州地区的主要农作物全生育期内的作物系数。2）基于水量平衡智能灌溉决策模型：在农业生产的实际条件下，农田土壤含水量通常不能够满足作物生长发育的需求或者是土壤含水量与作物生长所需的最适宜的含水量不一致，主要表现为土壤含水量过低，不能够满足作物生长发育的需求；或者农田土壤含水量过多，也不利于作物的生长。鉴于此类现象时有发生，我们必须采取一定的措施为作物生长创造良好的土壤环境条件，一般来说主要是通过灌溉或者排水来调节土壤中的含水量，使其处于适宜作物生长的范围内。因为土壤含水量的过多或过少都不利于作物的生长，因此精确灌溉对土壤含水量进行调节时其主要目标是节水增产。根据作物生理特性及生长发育的不同阶段的需水规律，并对农田水量变化的动态过程进行分析研究，以对农田土壤含水量的调控为目标，实现对农作物适时、适量地进行灌溉，提高灌溉水的利用效率。本项目采用田间水量平衡原理，以农田土壤含水量为研究对象，结合田间土壤墒情、气象信息等完成对土壤含水量的计算从而确定为满足作物生长所需的灌水量。具体做法如下：农作物含水量设定：在农田布设土壤墒情传感器能够实时读取土壤的水分数据，确定土壤水分变化状况。随着农作物耗水，土壤根系部分的水分不断减少，当土壤水分降低到允许土壤水分下限时，开启灌溉。随着灌溉的继续，土壤水分逐渐增多，当传感器探测到土壤水分达到允许上限时停止灌溉。表1为农作物土壤含水量上下限阈值。表1农作物含水量上下限有效降水量的估算：有效降水量计算以日降水量为准，日降水量小于5mm，视为无效降水；日降水量5～30mm，利用率为100%；日降水量30～50mm，利用率取60%；日降水量大于50mm，利用率取30%。农作物灌水量计算：M=ET-P-（W0-Ws）-Wk+M1；土壤计划湿润层取0.35m，土壤水利用量（W0-W）经分析计算，灌区统一取1m3/667m2*d；随着灌溉水入渗补给，地下水位上升十分缓慢且有限，故地下水补给Wk=0。智能灌溉决策：通过获取公共天气预报的数据结合预测模型预测出潜在需水量，种植作物甘所处生长阶段，得出该阶段作物系数，及该片农田面积。根据公共天气预报及灌区小气候数据，可以预报出逐日灌水量；根据水量平衡原理，可以确定灌溉管理制度，何时需要灌水、每次灌水持续时间和间隔多长时间进行灌溉；结合开启/关闭田间电磁阀、水泵控制、管路监测，真正达到智能精细灌溉管理及决策应用。3）模型与平台耦合功能的设计实现是在Windows服务中编写相应函数，调取当前土壤体积含水量数据，与灌溉上下限做比较，当土壤体积含水量达到上限时停止灌溉，达到下限时开始灌溉。灌溉指令发布由部署在服务器端的服务发送给田间智能水阀，结合灌溉判定实现灌溉的远程智能控制。除Windows服务执行的智慧灌溉操作外，针对智能水阀设定了自定义控制的功能，目的是在农田灌溉过程中，Web前端用户在可视化平台管理农田灌溉时，可以随时对灌溉进行控制和管理。由于是用户本身发布指令，所以此处指令将直接发布到智能水阀，不需要向服务器申请，也不需要部署在计算机上，而是在执行指令时将水阀状态及时返回给服务器端数据库记录即可。（4）自动灌溉自动灌溉即对农田种植作物固定，在一段时间内执行相同的命令，实现相同的功能下使用，此操作节省人力，使施肥灌溉自动化。在任务子项中可以直观获取当前的灌溉任务包括测站状态、测站名称、阀门状态、土壤水分、采集时间、任务状态等。在轮灌组子项中将田间种植结构相同的田块设置为同一个轮灌组，并选择已经设置好的灌溉方案。在轮灌方案子项中，可以根据不同农作物设置相适应的灌溉方案。1）灌溉计划灌溉操作应能制定灌溉汁划，计划内包括灌溉组号、计划灌溉吋长、单组阀号、实际灌水时长、轮灌状态等。应能修改、暂停、终止计划，还可以单个轮灌组启动、暂停、终止。还能单个阀门点选灌溉，多种灌溉方式便于用户不同需求在系统的界面当中，灌溉管理人员可以事先设定一段时间的灌水计划，系统会按照该灌溉计划自动施行灌溉。2）轮灌编制根据轮灌组名称查询对应的信息，添加轮灌组信息：点击“添加轮灌组”，填写轮灌组信息、支管，然后点击“选择支管”，查看“支管列表”，每个出地桩的支管1、2只能支持选择一个，然后点击“保持”。（5）人工灌溉人工灌溉即用户通过系统手动控制各个阀门实现灌溉的目的。手动模式适用于在灌溉情况较复杂时，通过人为的干预，达到灌溉目的。采用此种方式，需要有一定的技术专业知识作为支撑，并实现点选打开设备操作日志功能。（6）查询统计查询统计模块主要由气象信息与灌溉信息两个子模块构成；气象信息模块可以查询田间微气象站的信息，并通过图表、表格形式展示出来。（7）自动控制通过该子系统可对泵房水泵进行控制；并且能够根据水泵电流和电压监测、出水口压力和流量监测、管网分干管流量和压力监测，能够及时发现灌溉系统爆管、漏水、低压运行等不合理灌溉事件，及时通知系统维护人员，保障灌溉系统高效运行。（8）设备管理设备管理模块实现设备新增、删除、编辑功能。在菜单栏可以显示本管理员账号里面的所有设备，在页面的上方点击“添加”按钮，可以新增项目，如传感器通道设置根据采集仪的采集通道，按顺序设置。如通道1是大气温度，点击CH1的环境要素下拉键，出现选择列表，选择大气温度即可，在CH1的定义名称输入通道名称，如：大气温度选择环境要素之后，测量范围和测量精度自动填充。有些环境要素有多种测量范围，故需要选择正确测量范围的环境要素。继电器设置：根据采集仪的继电器顺序设置平台继电器。如继电器1是控制水泵，点击J1的环境要素下拉键，出现选择列表，选择水泵即可，在J1的定义名称输入设备名称，如：水泵。（9）系统管理该模块包括作物系数、用户管理、权限管理功能；系统可以针对不同用户设置相对应的系统操作权限。用户管理出现本管理员账号里面的所有设备，在页面可以新增用户。点击“添加”之后，输入用户的具体信息，包括：账号、密码及用户类型（用户类型为普通用户）等，然后点击“确认”按钮，用户添加成功，点击用户的基本信息，可以对用户的各种属性进行修改，用户管理是系统安全性的一部分，系统对用户验证主要体现在登录前端平台的部分。用户登录时，需要已经在数据库注册有账户，并且需要正确匹配到用户的账号和密码。模块设计实现功能为在用户输入正确用户名和密码时能够成功登录前端平台主界面，