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技术介绍

1、数字农田机井控制终端及综合管理云平台技术特点和先进性

数字农田机井控制终端及综合管理云平台是由杭州东骏科技与农业农村部农业物联网重点实验室联合开发的一款应用于农田机井管护的物联网智能化硬件终端产品和大数据运营管理云平台。在系统构架的设计.上充分考虑到系统建设的长远发展需求，统-规划、统-布局、统一设计,分布实施，以保证系统的完整性和效费比。遵循以下技术原则

(一)先进性

这里所讲的先进性并不是要把系统建立在实验室的技术条件下，而是为了能够运用当今国内、国际上最先进成熟的计算机软硬件技术、物联网技术、大数据技术，使新建立的系统和采用的技术达到当今国际先进水平。终端产品采用4G联网，自带电量计量功能,支持以电计费/以水计费/水电双计多种灌溉计费方式,支持微信/支付宝等移动支付APP扫码支付和IC卡刷卡支付。通过控制终端实时监测机井电能状态、水泵运行数据、井下水位数据。终端具备模拟信号、RS232、 RS485等多种传感器通信接口，可扩展井下水位传感器、农业环境监测传感器、病虫害监测设备、管道压力监测传感器等各类农业应用传感器。产品可扩展集成Lora/433M等多种物联网无线协议，作为数字农田边缘计算网关，实现农田数据采集和边缘计算。

综合管护云平台支持TCP/IP、UDP、MQTT等多种硬件通讯传输协议，采用Redis、负载均衡器等中间件，实现平台的高并发和异地容灾，可用性达***%。采用RocketMQ消息中间件降低系统耦合度;采用微服务架构，支持服务的水平和横向动态扩展;采用后端分离架构，大大提升系统的开发效率和维护成本;采用Kibana实时日志采集中间件,提升系统运维效率。采用Https协议、Shiro权限框架、MD5/RSA2加密等多种安全措施，保障系统安全。平台提供设备在离线统计、设备告警、实时分账结算、实时报表统计、机井健康度分析、地下水位监测、灌区综合管理等功能。

(二)经济性

充分利用现有技术，使系统方便、实用，既能减少使用系统的业务人员的

工作量，又能使系统适应由于各种原因导致的需求变更。

(三)系统友好性

本项目所展示的可视化信息，根据软件工程质量标准，好的系统界面将是

整齐简洁、层次清晰、一目了然。总之，就是要达到易用、好用的目的。

(四)可扩展性

在平台设计上充分考虑系统功能、系统数据和业务的扩展性，坚持开放式系统结构设计;采用先进的系统体系结构为以后的系统建设建好各类接口,保证系统的可伸缩性。在硬件设计上充分考虑当前广泛应用的各类物联网通信技术，包含有线、无线的各类通信方式和通信协议。充分考虑各级管理部门和职能部门数据平台接入的数据和协议兼容性。

(五)开发的工程性

在调查分析应用需求、数据构成和工作流程的基础上,以设计依据为标准，结合工作流程、自定义查询，详细设计系统功能，以确保数据和系统功能详细性和完备性，满足使用部门的需要。

（六）配置灵活性

       系统设计应充分考虑下各级管理部门权限设置，不同岗位人员业务需求，不同区域灌溉定价和资金流程问题，具备灵活可配置的功能选项。

(七)投资延续性

为了保证系统的时效性，如前所述，系统的先进性、可扩展性，应以成本价提供系统软件的版本升级;而且需要有强大的开发实力和技术背景，以根据用户的需求，完善系统的诸多功能。硬件设计开发过程中充分考虑下产业化成本因素，为大面积推广打下基础。

(八)可示范性

示范区项目的设立是应充分考虑我国旱区农业的共性条件，充分考虑下不同区域地理结构、气候环境因素、农民使用习惯等因素，使示范区成果可以在旱区农业区进行可复制化的推广。

2、 旱区农田机井灌溉可持续发展的关键问题及解决方案

       机井灌溉是北方干旱及半干旱地区主要的灌溉方式，机井数量庞大、分布、分散，但存在着使用寿命短，利用率不高等普遍问题。主要是重建设，轻维护造成的，在维护方面有以下几个痛点:

(一)管护难度大、管护人员缺

(1)机井设备分散，测量水位靠人工，检查设备靠肉眼，工作量大，效果差;

(2)在非使用状态下很难判断机井健康状况,往往是农民灌溉时才发现机井不可用，临时打电话维修，影响正常农业生产;

（3）管护员由村民兼任，从充值账户的结余经费中发放工资，繁忙季节一个管护员工作量大，人员难招聘；

（二）电费管控难、缺损严重

(1)管护员用充值机收取现金后为农民充值，手工记账，存在漏洞;

(2)传统的射频卡很容易被复制，-张卡充值后可以无限复制，造成某些区域收费金额与实际消费金额缺口巨大;

(3)村级账户无监管，上级部门无法 掌握具体资金使用情况;

(4)管护资金长期面临缺口， 需财政补贴;

(三) 灌溉成本高、使用不便捷

(1)灌溉定价无标准，价格管理混乱，农民成本高;

(2)传统射频储值卡充值不便利，余额难提取,遗失后余额无法找回，农民使用不便捷;

(四)机井状态失控， 影响正常使用

       井房控制器、井下水泵等设备健康状况不明，井下水位和水量情况无法监控，只有到农民灌溉时才能发现，严重影响生产计划和效率;

(五)机井寿命短、地下水超采

      农业灌溉受周期性气象影响大,风调雨顺年份灌溉次数少，机并闲置不用造成井下淤积;干旱年份过渡灌溉导致井下水位长期处于较低水平，造成并下坍塌，严重影响基建设施寿命。灌区地下水资源情况无法监控,过渡开采造成地下水位下降影响区域环境。

（六）当前问题解决方案

如下图

3、行业可推广性及应用范围

     2021年9月6日,国务院批复农业农村部《全国高标准农田建设规划(2021-2030年)》。《规划》明确提出到2022年建成高标准农田10亿亩，以此稳定保障1万亿斤以上粮食产能;到2025年建成***亿亩，并改造提升现有高标准农田***亿亩，以此稳定保障***万亿斤以上粮食产能;到2030年建成12亿亩，并改造提升现有高标准农田***亿亩，以此稳定保障***万亿斤以上粮食产能。我国旱区主粮作物产区集中在黄淮海区、东北区、西北区，而其中黄淮海区和西北区主要省份农田灌溉主要以机井为主， 农田机井保有量将超过500万眼。而机井建设成本高、管护成本高，同时管护底下水资源可持续发展问题。通过农田机井数字化管护系统的建设,将大大提升上述区域农业灌溉生产效率,减少政府财政负担，降低农民灌溉成本，提升农民满意度和幸福感。具有广阔的市场前景和良好的社会效益。

 *经济效益

1、夯实高标准农田建设成果，确保粮食产量安全。项目建设完成将大大巩固高

       标准农田建设成果，提升机井灌溉区域的农业生产保障水平,增强农田防灾抗灾健在能力，保障国家粮食安全基础。

2、降低灌溉成本，减轻农民负担。项目实施后将建立省、市、县、镇、村全管

       理节点的数据监管体系,可根据不同地域的运营成本灵活设置灌溉收费标准，在保障可持续运营的条件”下，确保衣民以最低成本进行灌溉，杜绝乱定价，乱收费，切实减轻农民负担。降低农民灌溉成本30-50元/年,每年实现全国农民减负超30亿元。

3、政府监管加社会化服务，减少财政补贴。项目实施为引入各类社会化资本参与农田机井管护运营提供了充分的技术基础,支持管护运营、灌溉服务等各类业务模式的开展。有利于形成- -套可 自造血自循环的良性体系，大大减少各级政府财政补贴负担。每年减少财政投资100亿元,增加社会化服务组织收入100亿元。

4、 提升机井寿命，减少重复投资。实现所有农田机井联网化,机井配套设备状态数字化，实现全天候、全方位、全节点的可视化监控，提升机井寿命，保障政府投资成果，减少甚至避免重复投资。延长机井寿命50%， 避免车后服投资额超过1000亿元。

5、为实现旱区数字农业打下数字基础。项目实施将为实现“天、空、地”一体化的数字农业体系建立高密度、广接入、灵活扩展的地面数据接口，成为农业小环境监测、农业病虫害监测、农业生产现场监测的接入节点，为我国北方旱区农业农田数字化打下坚实基础。节约未来建设投资成本超1000 亿元。

*社会效益

1、建立农田机井设施全方位监测能力

通过硬件和软件系统创新，实现对农田机井水资源、水泵、电气设备的全方位立体监测，建立异常预警、故障推送、维修进度监管、农民问题一-键上报、机井健康管护、灌区地下水资源保护的全套监测能力。

2、支撑农田机井社会化服务可持续发展业务模式

减少政府财政补贴压力通过地方农业部门、村集体、专业管护公司、专业科技公司融合的方式，项目尝试探索一套可实现 自负盈亏的弄农田机井管护可持续发展长效机制，减少地方政府对农田机井的重复财政支出，保障中央农田机井建设投入效益的最大化。

3、 建立旱区大田数字农业可复制的样板示范工程

通过机井数字化建立的农业田间数字化基础，形成切实可行的天空地- -体化数字采集系统，建立一 套完善的数字农业示范体系。为提升农业生产效率,建立健全防灾碱灾数字堡垒，保障和提升粮食产量打造示范样板。

4、降低农田机井管护成本

通过建立系统化的实时监测能力，大大降低人工巡检的工作量，缩减人工成本;通过精准的物联监测和大数据系统提前预警潜在故障，做到事前处理,降低损失;通过系统化的故障分析系统精准判断故障问题，降低维修成本。

5、便利农民生产灌溉、降低农民灌溉成本

采用手机APP和在线储值卡共用的模式,改变以往专职人员定点或上门充值的落后方式，简化收费流程、完善余额退返机制，让农民用得便利，用得放心。通过综合运营平台的监控管理，监管全域所有机井设备的收费标准，设置价格上限，规避高额收费，降低农民灌溉成本。

6、完善灌溉收费资金监管体系

建立可全域统一监测的资 金监管系统，健全村级、镇级收费账户资金流水监管体系，打造完善的防复制卡片监测系统，规避复制卡片造成的收入缺口。

7、打造一个高度智能化的展示和操作平台

以高度集约化的“千亩粮田”为基础，以数字化农田机井终端为依托，整合智慧农机、空天地一体化信息、产业大数据获取技术、智慧决策技术、远程智能控制技术以及人机互动的可视化平台，打造一个高度智能化的展示和操作平台，实现农业全产业连数据可视化。