一、成果概述
Overview
1.1成果总体框架
本成果按"田间自动化感控技术 → 云端调度与大规模接入控制技术 → 水肥耦合与应用系统集成"主线逐层推进，采用"云—边—端"分层分布式架构，由田间设备层、边缘网关层、云端服务层与用户交互层组成，并在云端集成以管网数字化模型为基础的智能决策层。田间设备层接入分体式太阳能智能电动阀门、高集成智能水肥一体机、首部水泵与压力流量传感器及农情监测站；边缘网关支持 Modbus、RS485、LoRa、NB-IoT、Wi-Fi 等协议，承担心跳管理、断网缓存与本地裁决；云端以微服务部署，设备通信采用 MQTT 长连接；用户经 Web 端、移动设备端和微信小程序"田小智"实现设备管理、轮灌在线编组、轮灌控制与施肥控制。
图 1 水肥一体化自动控制系统技术框架（依据验收总结报告第二章第 4 节、2.4—2.5 节绘制）
图 2 水肥一体化自动控制系统界面图
1.2成果简介
水肥一体化自动控制系统是课题针对田间通信稳定性差、设备运行仍需人工巡检、水肥管理繁琐、用户使用难度较高，以及轮灌控制与施肥管理耦合度不高等问题自主研发的软件系统，包括 Web 端、移动设备端和微信小程序"田小智"三个版本。系统构建"云—边—端"全链路协同架构：Web 端以 GIS 地理信息系统"一张图"实现灌区—地块—设备的全域可视化管理；云端采用微服务 + 服务器集群架构，融合设备心跳管理、任务队列调度与长连接 / 短连接混合策略，面向上万台田间设备高并发接入设计；边缘端具备本地计算、断电记忆与断网应急能力，通信异常时可自主关阀，避免失联漫灌。
系统集成水力—农艺双约束的智能轮灌编组与基于编组反馈的管网压力均衡调控算法，依据作物需水优先级、地块特性与管网供水能力自动生成轮灌方案，并实现轮灌组与施肥设备在时间、流量及比例上的精准协同。Web 端提供首页、监测统计（首部监测、出地桩监测）、轮灌作业（轮灌组管理、轮灌计划管理、轮灌控制）和种植决策等功能；"田小智"小程序集成首部控制、阀门控制、轮灌控制、农情监测、工单管理、巡田管理、长势监测、故障告警、辅助决策九大模块。系统经中国科学院新疆理化技术研究所软件评测实验室（23 个测试项）和国家物联网智能安防及交通产品质量检验检测中心（浙江）（17 个检测项）测试，全部符合要求。
系统已在华兴农场、阿拉尔五团、乌苏市、沙雅县、阜康市等示范基地投入运行，实现轮灌计划自动下发、远程阀门控制与水肥联动管理；验收总结报告载明示范区灌溉水利用率提高 10%～20%，调度响应时间由人工现场操作的 2 小时缩短至 2 分钟以内，人力成本降低约 60% 以上。围绕本成果登记软件著作权 4 项，完成硕士学位论文 2 篇，发表中文核心期刊论文 1 篇。
本节正文约 860 字二、成果技术体系构成
Technical Architecture
本成果不是单一的远程开关阀软件，而是"田间设备接入—边缘网关—云端微服务—智能决策算法—多终端应用"贯通的水肥一体化控制平台。研究首先从田间感知与执行设备入手，采集水压、水流量、阀门状态、设备心跳等关键数据形成实时数据基础；在此基础上开展轮灌编组算法和轮灌自动化运行机制研究；再构建服务器集群架构支撑大规模设备并行运行；最后引入施肥设备模型和施肥参数体系，实现水肥耦合控制与多终端系统集成。
2.1分层架构与技术选型
| 层次 | 组成 | 关键技术 |
|---|---|---|
| 田间设备层 | 阀门控制器、流量与压力传感器、施肥机控制单元、气象 / 墒情 / 虫情 / 苗情监测设备 | 低功耗、工业级防护设备模块；4G + MQTT 设备注册、指令订阅与状态上报；休眠唤醒与低功耗远程唤醒 |
| 边缘网关层 | 多协议网关 | Modbus、RS485、LoRa、NB-IoT、Wi-Fi；本地心跳管理、局部逻辑预处理、断网缓存与安全转发；关键实时控制逻辑本地裁决并回传云端 |
| 云端服务层 | 设备管理、调度、编组与算法、施肥控制、用户与权限、日志与监控等微服务 | 统一网关认证、限流与灰度；服务间 REST + gRPC；设备 MQTT 长连接；调度服务保证指令顺序性与幂等性；连接池、批量写入、异步消息与读写分离 |
| 数据层 | 关系型数据库、时序数据库、分布式缓存、对象存储 | 主业务数据、传感器采样与运行日志、会话 / 任务队列 / 实时状态分层存储 |
| 安全机制 | — | 监控告警、设备鉴权、TLS 传输加密、API 访问控制、权限分级、审计日志 |
| 用户交互层 | Web 端、移动设备端 App、微信小程序 | 响应式单页应用；WebSocket 推送设备状态与预警；重要控制动作权限校验与二次确认 |
2.2Web 平台
Web 前端提供设备拓扑展示、轮灌编组可视化操作、实时指标大屏、历史数据查询与运行日志等模块，通过 WebSocket 接收设备状态更新与预警；对重要控制动作设置权限校验与二次确认，并嵌入审计日志与操作记录功能，满足验收与追溯需求。后端设备接入层实现心跳检测、会话管理与在线状态维护，调度服务将云端任务转译为设备可识别指令。测控一体化闸门子系统基于 Django 框架开发，Web 端闸门远程控制通过 requests 库对接 OneNET 云端 API。
2.3微信小程序与数据同步
"田小智"小程序作为移动端交互入口，与 Web 端功能有序对接，突出轻量、便捷与离线容错：采用微信授权登录结合平台角色权限体系，远程开关阀、施肥触发等敏感操作需二次确认并经后端严格校验；配置与历史数据经 RESTful 接口同步，实时告警与设备状态经订阅—发布机制推送；弱网或离线场景下实现本地缓存与冲突解决，重连后自动合并；集成微信订阅消息用于关键事件通知；后端通过消息序列号与事务日志保证指令不重复执行、网络异常后可正确恢复。
2.4轮灌编组与调度模块
系统采用"支—桩"两级逻辑结构对田间电动阀门进行分层归类，支持轮灌组在线创建、成员设备分配与命名；对已配置设备设置状态锁定机制，防止重复分配；编组配置通过 OneNET 云平台同步更新，支持本地与远程协同管理及配置回溯。控制策略支持为各轮灌组设定灌溉起止时间、轮灌顺序及执行周期，按顺序逐组切换；集成土壤墒情数据，可依据用户设定的墒情阈值动态触发或跳过某一轮灌组；支持按轮灌组配置定时施肥与定量施肥参数，在轮灌流程中同步控制水肥一体机完成水肥作业联动。
2.5智能轮灌编组与压力均衡调控算法
| 环节 | 方法 | 输出 |
|---|---|---|
| 管网数字化建模 | 将水源、首部枢纽、干管、支管、毛管及田间"一出二"出地桩抽象为有向拓扑；采集管径、管长、材质、埋深、高程、阀门类型等建立基础数据库；沿程 + 局部水头损失叠加计算压力—流量响应 | 覆盖渠系引、输、配水及田间滴灌管网的数字化水力模型 |
| 水力—农艺约束 | 节点最小工作压力、管段允许流量、首部供水能力等水力约束；作物需水强度、灌溉制度、地块面积与时序等农艺约束；将"相邻支管优先开启"等农户经验转化为约束或惩罚项 | 统一、可计算的约束边界 |
| 智能轮灌编组 | 多因素综合优先级（生育阶段需水、地块面积与位置、输水距离、水力条件、历史灌溉完成度）+ 动态权重；供水能力约束下确定每轮允许开启阀门数量；启发式搜索与约束优化，优先组合水力条件相近、空间相邻地块 | 多轮次、符合操作习惯的轮灌编组方案 |
| 压力均衡调控 | 水力仿真"虚拟预演"识别超压区与欠压区；以压力离散度最小、灌水均匀度最优为目标优化阀门开度；"最少次数下发"轻量化执行，并约束水泵工况与安全压力上限 | 阀门最优开度指令 |
| 验证应用 | 仿真平台对比灌溉均匀度、压力离散度、泵站能耗；田间原位部署，"仿真—应用—反馈—优化"闭环修正模型参数 | 算法参数迭代与工程可行性验证 |
三、解决的关键瓶颈技术
Bottlenecks Resolved
本成果针对大田水肥一体化自动控制推广中长期存在的五类瓶颈开展攻关。以下每一方向均标注对应的佐证材料来源。
3.1瓶颈一：田间大规模设备接入与通信时延不稳定
问题实质。大田轮灌设备数量多、分布广，田间网络抖动，设备与服务器通信时延不稳定，服务端大规模访问易拥塞。
技术路线。设计服务端高并发任务调度算法，融合设备心跳管理、任务队列调度与长连接 / 短连接混合策略；微服务 + 服务器集群部署；边缘网关本地心跳、断网缓存与关键控制本地裁决。
突破意义。面向上万台田间设备并发接入设计，Web 端与移动端数据同步延迟小于 3 秒（多终端测试实测状态同步平均 500 ms 以内）。
佐证。验收总结报告第二章 4.1 节、（二）1.3 节；软件著作权"智慧农场指挥控制系统 V1.0"（软著登字第 16917977 号）。
3.2瓶颈二：轮灌编组依赖经验
问题实质。传统轮灌编组主要凭经验，难以兼顾管网水力条件与作物需水，易出现"高峰集中、负载突变"和长期固定轮灌顺序导致的灌溉不均。
技术路线。构建覆盖渠系与田间滴灌管网的数字化水力模型和水力—农艺双约束体系，以多优先级动态评价 + 供水能力约束 + 时空协同寻优实现轮灌对象自动分组与动态调整。
突破意义。实现由"经验灌溉"向"模型决策"的转变，在满足管网水力安全的前提下兼顾作物需水时序与灌溉均衡性。
佐证。验收总结报告第二章 2.4、2.5.1、2.5.2 节；周文艺硕士学位论文《基于 Django 的水肥一体化控制系统研发》（IPSO-BP-PID 流量控制、YOLOv11n-SAHI 出水桩识别定位与科学轮灌编组）。
3.3瓶颈三：轮灌组内压力分布不均
问题实质。管网拓扑差异和水力条件不均导致组内出地桩近端过供、远端欠供，出水量差异大，灌溉均匀度低。
技术路线。"仿真反馈分析—阀门开度优化—优化执行"分级调控：基于数字化模型虚拟预演识别超压 / 欠压区，以压力离散度最小与灌水均匀度最优为目标优化各出地桩阀门开度，以最少次数集中下发，避免高频启闭。
突破意义。实现轮灌组内压力与出水量的主动均衡；验收总结报告称输水过程损失率降低约 7 个百分点。该方法依赖分体式电动阀门的可调流能力（成果 1）。
佐证。验收总结报告第二章 2.5.3、2.5.4 节，图 28、图 29。
3.4瓶颈四：轮灌控制与施肥管理相互独立
问题实质。市场上水肥一体化控制系统与大田轮灌控制系统相互独立，业务流程缺乏衔接，用户需在多个系统间重复操作。
技术路线。研发水肥耦合控制模块，结合模糊 PID 等算法将轮灌组与施肥机集成控制，可为不同轮灌组设定单独施肥方案；集成作物生长模型（甜菜、加工番茄、小麦、棉花）的需水需肥辅助决策。
突破意义。轮灌组启动后系统自动按设定参数施肥，实现轮灌组与施肥设备在时间、流量及比例上的精准联动，推动田间管理由"自动化执行"向"数字化智慧决策"升级。
佐证。验收总结报告第二章 4.1.4、4.2.1 节；检测报告 2613500099（种植决策、轮灌编组检测项）；软件著作权"水肥一体化自动控制系统 V1.0"（软著登字第 16917923 号）。
3.5瓶颈五：多终端数据一致性与弱网可用性
问题实质。管理人员在中控室与田间地头切换，Web 端处于稳定宽带、移动端处于波动 4G/5G，多点并发操作易出现状态不同步、数据冲突与告警遗漏。
技术路线。WebSocket 全双工通信 + 云端消息队列；后端事务一致性与乐观锁；小程序本地缓存与冲突合并；消息序列号与事务日志保证指令幂等。
突破意义。多终端协同测试中 Web 端下发指令后小程序设备状态同步平均时延 500 ms 以内；跨端修改参数未出现版本冲突、脏读或回滚；"管网压力超限""施肥机缺液"告警在两端同步弹出。
佐证。验收总结报告第二章 4.1.3、4.2.3 节；软件著作权"'田小智'微信小程序 APP V1.0"（软著登字第 12329577 号）。
四、取得的重大科技成果
Major Achievements
4.1研发了三个版本的系统并全部通过第三方测试
| 被测软件 | 测试机构 | 报告编号 / 日期 | 测试内容与结论 |
|---|---|---|---|
| 农场指挥控制系统 V2.0_20250819；田小智（小程序）V2.0.1_20250819 | 中国科学院新疆理化技术研究所软件评测实验室（新疆软件评测中心） | XJSTC-ST-2025-046-2.0 测试 2025-08-19，批准 2025-09-15 | 依据 GB/T 25000.51-2016 黑盒功能性测试，2 个被测软件共 23 个测试项一轮测试未发现缺陷，全部符合；功能完备性、正确性、适合性均符合。本报告替代 XJSTC-ST-2025-046-1.0 |
| 智能水肥一体机及软件系统：Web 端"智慧大田灌溉系统 V1.0"、小程序"田小智 V2.1"、App"水肥一体控制 V1.2" | 浙江方圆检测集团股份有限公司 / 国家物联网智能安防及交通产品质量检验检测中心（浙江） | 2613500099 检测 2026-03-02～04，批准 2026-03-23 | 依据 GB/T 25000.51-2016、GB/T 15532-2008 检测软件质量要求（功能性），17 个检测项全部符合 |
4.1.1功能模块及测试覆盖（报告 2613500099）
| 终端 | 检测项 | 主要技术要求 | 结论 |
|---|---|---|---|
| Web 端 | 首部监测 | 实时监测首部泵房运行状态，记录累计出水量与累计用电量，多维度统计分析 | 符合 |
| 出地桩监测 | 实时采集阀控器与各阀门开关状态、上报时间、阀前水压（MPa）及太阳能板与锂电池电压 | 符合 | |
| 轮灌控制 | 轮灌任务手动启动与定时自动运行，轮灌组配置编辑 | 符合 | |
| 轮灌组控制 | 轮灌组全生命周期管理：新建、修改、删除 | 符合 | |
| 轮灌计划管理 | 计划新建、修改、删除及执行；重置执行次数、动态调整执行顺序 | 符合 | |
| 种植决策 | 内置甜菜、加工番茄、小麦、棉花等辅助决策模型，覆盖作物生长周期 | 符合 | |
| App | 注肥控制 | 储肥塔重量与混肥桶液位，搅拌泵、潜水泵、首部水泵与电动球阀状态，搅拌时长控制 | 符合 |
| 施肥控制 | 施肥压力、剩余时长、EC/pH、瞬时与累计流量 | 符合 | |
| 首部监测 | 沉淀池液位、过滤前后压差、水流量计量 | 符合 | |
| 轮灌编组 | 组内阀门、运行顺序与灌溉时长配置，定时自动轮灌与手动启停 | 符合 | |
| 小程序 | 首部管理 | 首部档案、功率与出水量、灌溉面积、滴水状态，水泵远程启停 | 符合 |
| 阀门控制 | 阀门控制器固件、电压、信号状态，远程开关与执行状态反馈 | 符合 | |
| 轮灌控制 | 轮灌分组创建与编辑，手动即时启动与定时自动运行 | 符合 | |
| 农情监测 | 田间微气象、病虫害数据、土壤墒情实时接入与历史趋势 | 符合 | |
| 巡田管理 | 巡田任务记录与异常上报，图文、视频回传 | 符合 | |
| 工单管理 | 农事及农机工单在线创建、下发指派、执行验收与闭环管理 | 符合 | |
| 长势监测 | 播种前土壤水分、作物长势、叶绿素、旱情等级及氮素等分析 | 符合 |
4.1.2测试覆盖（报告 XJSTC-ST-2025-046-2.0）
农场指挥控制系统 20 个测试项覆盖农场首页（2022—2024 年作物种植结构、产量、农机、均亩用水用肥统计及农场 2D 地图）、农情首页（温湿度、风速风向、气压降雨、太阳总辐射、光合有效辐射、四层墒情、虫情图片、苗情监控视频）、农事调度、农事评估、农艺巡田、农机信息、农机监控（含工单作业轨迹追踪）与农机调度；田小智 3 个测试项覆盖农事工单处理与巡田信息新增、处理。测试环境接入了气象百叶箱、风速 / 风向 / 光学雨量 / 光合有效辐射 / 太阳总辐射传感器、多深度一体化土壤墒情传感器及虫情、苗情摄像机。
4.2形成了 Web 端与小程序完整功能体系
| 模块 | 主要功能 |
|---|---|
| 首页 | GIS"一张图"：左侧导航与右侧高分辨率卫星影像联动，地块切换（如"东三""东一"）并高亮电子围栏；阀控终端以图标落位，点击弹出 2.5D 设备拓扑图，绿色 / 红色显示阀门开关，同步显示太阳能板电压与阀前压力，可直接下发控制指令 |
| 监测统计 | 首部监测：各水泵（如"华兴 01 泵"）在线状态、网关连接、当日及累计出水量（方）与用电量（度）；出地桩监测：每台终端（如"东三-1-1"）通信状态、太阳能板与锂电池电压、阀前水压、阀门与杀虫控制状态、上报时间，多级筛选 |
| 轮灌作业 | "分层解耦"调度：轮灌组管理（按地块、作物、管网承压划分作业单元，预设时长如 0.5 h、12 h）、轮灌计划管理（串联轮灌组，设定循环次数如 7 次与起止时间）、轮灌控制（"休眠 / 运行"状态，批量启停或下发定时任务） |
| 种植决策 | 作物全生命周期档案，以种植日期为生育进程基准，"辅助决策模型"结合种植天数与实时气象计算当前阶段理论需水量与需肥量 |
"田小智"九大模块中，首部控制展示功率、出水量、灌溉面积与滴水规格；阀门控制显示控制器版本、电压与信号质量并可调节开度；轮灌控制完成编组与定时任务；农情监测展示气象、墒情、虫情并利用大模型分析给出种植建议；工单管理与巡田管理支撑管理员与农艺人员的作业闭环；长势监测利用卫星遥感评估播前土壤含水量、墒情、长势与缺素；故障告警与辅助决策分别负责阀门故障提醒和棉花全生育期决策指导。
4.3完成了多终端协同测试
| 测试场景 | 测试方法 | 结果 |
|---|---|---|
| 控制指令同步 | Web 端（光纤宽带）对轮灌组下发"启动"，观察小程序（4G/5G）状态变化；反向在移动端关阀 | 平均同步时延 <500 ms，双向链路状态翻转准确 |
| 业务数据一致性 | 小程序修改休眠轮灌组作业时长后刷新 Web 端 | 参数准确显示，无版本冲突、脏读或回滚 |
| 告警推送同步 | 模拟"管网压力超限""施肥机缺液" | Web 端红色警示弹窗与小程序服务通知同步，时间戳误差极小 |
| 移动端遥测一致性 | 比对小程序、Web 端与现场仪表的阀门电压、管网压力 | 读数严格一致 |
4.4取得了示范应用效果
系统已在华兴农场、阿拉尔五团、乌苏市、沙雅县、阜康市等示范基地投入运行，与分体式太阳能智能电动阀门和高集成智能水肥一体机集成应用，实现轮灌计划自动下发、远程阀门控制与水肥联动管理。
| 指标 | 效果 |
|---|---|
| 灌溉水利用率 | 提高 10%～20% |
| 肥料利用率（课题整体） | 提高 5%～10% |
| 作物产量（课题整体） | 增产 8%～15% |
| 调度响应时间 | 人工现场操作 2 小时 → 2 分钟以内 |
| 人力成本 | 降低约 60% 以上 |
| 示范应用面积 | 累计支撑十万余亩（本成果口径）；累计示范应用面积超过 7.5 万亩（课题产业化口径） |
五、技术经济指标与国际国内同类技术/产品的比较
Benchmarking
5.1 节为本系统与验收总结报告所述"相互独立的水肥一体化控制系统与轮灌控制系统"的定性比较；5.2 节第三方测试结论来自两份测试报告，同步时延、调度响应、灌溉水利用率与人力成本等指标为课题组测试或应用总结数据，未经第三方机构复测；"支撑上万台设备并发接入"为设计能力，佐证材料中未见压力测试报告。
5.1系统技术特征比较
| 比较维度 | 常见水肥 / 轮灌控制系统 | 水肥一体化自动控制系统 |
|---|---|---|
| 业务覆盖 | 水肥控制与轮灌控制分属不同系统，业务流程缺乏衔接 | 首部、阀门、轮灌、施肥、农情、工单、巡田、长势一体化 |
| 轮灌编组 | 依赖经验人工编组 | 水力—农艺双约束、多优先级智能编组与动态调整 |
| 压力调控 | 阀门开 / 关控制，组内压力不均 | 仿真预演 + 阀门开度优化，最少次数下发 |
| 水肥耦合 | 施肥与轮灌分别操作 | 按轮灌组配置定时 / 定量施肥，轮灌启动自动施肥 |
| 终端 | 多为单一 Web 或 App | Web 端 + 移动设备端 + 微信小程序，多端实时同步 |
| 可靠性 | 依赖云端在线 | 边缘本地裁决、断网缓存、断网应急关阀 |
5.2主要技术经济指标
| 指标 | 要求 | 达到值 | 数据来源 |
|---|---|---|---|
| 考核指标 4：3 个版本 | Web 端、移动设备端、微信小程序 | 完成 | 考核指标完成情况对照表 |
| 第三方测试 | 第三方测评 | 23 / 23、17 / 17 项符合 | XJSTC-ST-2025-046-2.0；2613500099 |
| 多端状态同步时延 | — | <500 ms（实测）；<3 s（设计） | 验收总结报告 4.2.3 节、（二）1.3 节 |
| 并发接入能力 | — | 上万台设备（设计能力） | 验收总结报告（二）1.3 节 |
| 调度响应时间 | — | ≤2 min（人工 2 h） | 应用总结 |
| 灌溉水利用率 | — | 提高 10%～20% | 应用总结 |
| 人力成本 | — | 降低约 60% 以上 | 应用总结 |
| 软件著作权 | 考核指标 7：2～3 项（课题） | 4 项 | 附件 5 |
六、知识产权、技术标准、市场准入与权益归属
IP, Standards & Ownership
本成果登记计算机软件著作权 4 项，发表中文核心期刊论文 1 篇，完成硕士学位论文 2 篇。
6.1软件著作权情况
| 序号 | 软件名称 | 登记号 | 登记时间 | 摘要所述主要功能与性能 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 水肥一体化自动控制系统 V1.0 | 软著登字第 16917923 号 | 2025-11-24 | 无人机遥感监测、智能算法决策与物联网控制融合；水肥精准配比、分区变量灌溉、全流程可视化；与电动阀门联动 |
| 2 | 智慧农场指挥控制系统 V1.0 | 软著登字第 16917977 号 | 2025-11-24 | 农场全要素集中监控与智能调度：无人机巡田路径规划、灌溉阀门远程控制、病虫害预警、生产数据可视化 |
| 3 | "田小智"微信小程序 APP V1.0 | 软著登字第 12329577 号 | 2023-12-25 | 生产数据移动端查询、灌溉阀门远程控制、无人机巡田任务下发 |
| 4 | 智慧农田灌溉供水监测系统 V1.0 | 软著登字第 12841548 号 | 2024-03-27 | 水压、流量、水位数据采集、远程传输、实时监控与异常预警 |
6.2论文与学位论文
| 题名 | 刊物 / 类型 | 时间 | 主要内容 |
|---|---|---|---|
| 大田灌溉阀门控制系统设计与实验 | 《现代电子技术》，中文核心 | 2024 年 4 月 | STM32 控制器与 PID 精准调节，集成太阳能供电与云平台远程管理 |
| 基于 Django 的水肥一体化控制系统研发 | 新疆农业大学硕士学位论文（周文艺） | 2025 年 | IPSO-BP-PID 流量控制；图像增强 + YOLOv11n-SAHI 检测与地理定位实现出水桩识别定位及科学轮灌编组；STM32、ESP32 与物联网构建集数据采集、远程控制、三维可视化与任务管理于一体的系统 |
| 基于 GIS 与 LSTM 神经网络的灌区作物需水决策系统研究 | 新疆农业大学硕士学位论文 | 2024 年 5 月 | Sentinel-2 影像 + 决策树提取棉花、小麦、番茄种植结构（精度约 92%）；P-M 公式 + LSTM 需水预测（R² = 0.949）；GIS + 物联网 + Web 灌溉决策系统 |
6.3技术标准与市场准入
项目执行情况统计表载明研制和完成技术标准均为 0 项。系统已取得两家机构的第三方测试 / 检测报告；佐证材料中未见软件产品登记证书。
6.4知识产权与成果权益归属
| 成果类型 | 数量 | 权利人 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 计算机软件著作权 | 4 | 新疆农业大学 | 见表 6-1 |
| 期刊论文 / 学位论文 | 1 / 2 | 作者 | 新疆农业大学署名 |
本成果尚未进行技术转让或许可，科技项目成果信息表登记技术成熟度为"中试阶段"。系统随电动阀门、水肥一体机在阿拉尔、阜康、乌苏等项目中配套交付使用。
七、运行环境、试验基地与示范基地
Facilities & Demonstration Sites
7.1运行与测试环境
| 被测系统 | 服务器 / 终端 | 软件环境 |
|---|---|---|
| Web 端"智慧大田灌溉系统" / 昌吉华兴农场指挥控制系统 | Intel Xeon Gold 5320，512 GB 内存，2×480 GB + 4×960 GB SSD，4×25 Gb 网卡（电动阀门检测时为 10 台集群） | Ubuntu 22.04.5 LTS，Calico 3.27.3 插件、Operator 工具，MySQL 8.0 |
| 田小智微信小程序 | Intel Xeon Platinum 8163，8 GB 内存，500 GB | Anolis OS 8.9，Nginx，MySQL 8.0.21，Redis 5.0.5，NSQ 1.3.0 |
| 农场指挥控制系统 V2.0 / 田小智 V2.0.1 | Intel Xeon Platinum 8163，8 GB 内存，100 GB | Anolis OS V8.7，caddy V2.7.6，MySQL V8.0.36 |
| App"水肥一体控制 V1.2" | RK3568，2 GB 内存，32 GB 存储 | Android 12 |
7.2应用示范基地
| 基地 | 应用内容 |
|---|---|
| 华兴农场（昌吉） | 首部监测、5495 亩出地桩监测与轮灌控制；算法田间原位验证；测控一体化闸门与干渠流量监测 |
| 阿拉尔五团 | 2 万余亩高标准农田，1923 套电动阀门 + 42 套水肥一体机 |
| 阜康市 | 5 万余亩玉米单产提升项目，6000 余套电动阀门 |
| 乌苏市 | 2000 余亩智慧农业示范基地；中国电信塔城分公司乌苏市农业大数据服务系统建设项目 |
| 沙雅县 | 租赁模式应用示范 |
示范基地形成"政府引导 + 企业主导 + 合作社承接 + 技术服务下沉"的推广模式，成为区域智慧农业技术推广的"样板间"。
八、人才队伍建设情况
Talent Development
8.1研发队伍
任务"水肥一体化智能控制系统研发"主要配置 Web 平台开发、微信小程序开发、系统集成、轮灌编组控制及水肥一体化自动控制等方面人员，面向用户端应用和田间管理需求开展研发。课题实施期内共投入研究与技术人员 24 人（其中高级职称 11 人），投入工作量 559 人月。
8.2研究生培养
| 姓名 | 学位论文 | 时间 | 论文主要内容 |
|---|---|---|---|
| 周文艺 | 基于 Django 的水肥一体化控制系统研发 | 2025 年 9 月 | 针对水肥一体化控制系统与大田轮灌控制系统相互独立、轮灌编组缺乏科学依据、水肥流量动态调控不足及设备耦合低等问题，结合物联网、传感器、深度学习与软硬件开发设计水肥一体化控制系统 |
8.3技术骨干与农户培训（课题层面）
课题共培养大田水肥一体化精准控制技术骨干 6 人、高层次农业信息化人才 4 人，培训农户 100 余人次。培训包括"农场数字化及智能化关键技术研究"培训会（昌吉市，2025-12-23）、阜康市水肥一体化自动控制技术培训（2025-12-09）和十三师柳树泉六连节水灌溉技术培训（2026-08-06），系统的轮灌编组、远程控制与小程序操作是培训的主要内容之一。
九、成果综合评价与结论
Assessment & Conclusion
9.1成果创新性评价
第一，架构层面的云边端协同。"云—边—端"全链路架构以边缘本地裁决、断网缓存与应急关阀弥补田间通信的不稳定，云端微服务 + 集群与混合连接策略面向大规模设备并发接入，Web、App 与小程序多端实时同步。
第二，决策层面的模型化。以管网数字化水力模型和水力—农艺双约束为基础，实现多优先级智能轮灌编组和基于编组反馈的压力均衡调控，把农户经验转化为模型约束，推动"经验灌溉"向"模型决策、精准调控"转变。
第三，业务层面的水肥高耦合。打通轮灌控制与施肥管理业务流程，按轮灌组配置施肥方案并联动水肥一体机，集成作物需水需肥辅助决策与农情、工单、巡田、长势等农场管理功能。
9.2成果水平定位
- 软件质量：两家机构共 40 个测试 / 检测项全部符合，覆盖 Web 端、App 和小程序三个版本。
- 系统集成度：与本课题研制的分体式电动阀门、智能水肥一体机构成"装备 + 平台 + 服务"成套方案。
- 应用效果：已在 5 个地区示范运行，验收总结报告载明灌溉水利用率提高 10%～20%、人力成本降低约 60% 以上。
9.3成果转化与推广前景
本系统随装备在政府项目中配套交付，乌苏市农业大数据服务系统建设项目表明其可嵌入运营商主导的数字农业项目；下一步可与 AI 决策、遥感与作物模型融合实现预测性灌溉施肥，并与植保无人机、智能农机和数字农场平台打通。建议在取得软件产品登记证书后推进技术许可。
9.4验收结论建议
本成果目标明确、技术架构合理、关键算法与多终端协同突破清晰、第三方测试完整、已在多地示范运行。建议认定本成果达到课题考核指标 4"研发水肥一体化智能控制系统一套，包括 Web 端、移动设备端和微信小程序 3 个版本"的约束性指标。
9.5需补充完善的事项（如实列出）
- 被测软件名称与软著名称不一致：第三方测试的软件名称为"农场指挥控制系统 V2.0""智慧大田灌溉系统 V1.0""水肥一体控制 V1.2"与"田小智 V2.0.1 / V2.1"，与软著"水肥一体化自动控制系统 V1.0"名称不一致，建议说明对应关系，或以统一名称进行测试与登记。
- 测试报告编号与日期：附件 1 清单所列"XJSTC-ST-2025-046-1.0，2024 年 12 月"，而附件实际为 XJSTC-ST-2025-046-2.0（测试 2025-08-19，批准 2025-09-15），且载明 1.0 版作废。该报告测试项主要为农场、农情、农事、农机功能，未覆盖轮灌编组与压力均衡等核心功能。
- 性能与效益指标缺少佐证："支撑上万台设备并发接入"未见压力 / 并发测试报告；"灌溉水利用率提高 10%～20%""调度响应由 2 小时缩短至 2 分钟""人力成本降低约 60%"未附测定方法与对照数据；软著摘要所载"灌溉水利用率提升 30%""水肥配比精度 ≤±2%"与正文口径不一致。
- 示范面积口径不一：本成果"累计支撑十万余亩"与课题第三章"累计示范应用面积超过 7.5 万亩"不一致，建议以合同与验收单为准统一。
- 算法效果缺少量化结果：智能轮灌编组与压力均衡调控的验证仅有定性描述（"表现良好"），未给出灌溉均匀度、压力离散度、能耗等量化对比数据；"输水过程损失率降低约 7 个百分点"未说明试验条件。
- 技术路线描述与实现存在差异：4.1 节技术路线提及 BP 神经网络、粒子群优化等，4.1.4 节轮灌编组实现以 OneNET 云平台同步配置，与 4.1.1 节微服务 + MQTT 自建云端的表述需进一步说明两者的关系。
- 学位论文时间口径：周文艺学位论文在论文表中为"5 月"、附件清单为 2025 年 5 月，研究生表中为 2025 年 9 月。
附录：佐证材料清单
Supporting Documents
| 序号 | 材料名称 | 类型 | 关键信息 |
|---|---|---|---|
| 1 | 课题 3 验收总结报告第二章第 4 节、2.4—2.5 节、（二）1.3 节 | 技术总结 | 指标 4 完成情况；架构、算法、功能、多终端测试、应用推广 |
| 2 | 附件 1.1 农场指挥控制系统软件测试项目 | 第三方测试报告 | XJSTC-ST-2025-046-2.0，23 项全部符合 |
| 3 | 附件 1.2 / 2.1 智能水肥一体机及软件系统 | 第三方检测报告 | 2613500099，17 项全部符合 |
| 4 | 附件 5.1 水肥一体化自动控制系统 V1.0 | 软件著作权 | 软著登字第 16917923 号 |
| 5 | 附件 5.2 智慧农场指挥控制系统 V1.0 | 软件著作权 | 软著登字第 16917977 号 |
| 6 | 附件 5.3 "田小智"微信小程序 V1.0 | 软件著作权 | 软著登字第 12329577 号 |
| 7 | 附件 5.4 智慧农田灌溉供水监测系统 V1.0 | 软件著作权 | 软著登字第 12841548 号 |
| 8 | 附件 3.3 大田灌溉阀门控制系统设计与实验 | 期刊论文 | 《现代电子技术》，中文核心 |
| 9 | 附件 3.8 / 6.2 基于 Django 的水肥一体化控制系统研发 | 硕士学位论文 | 周文艺 |
| 10 | 附件 3.10 基于 GIS 与 LSTM 神经网络的灌区作物需水决策系统研究 | 硕士学位论文 | 需水预测 R² = 0.949 |
| 11 | 附件 12.5—12.15 轮灌控制系统、小程序与 Web 端功能页面 | 系统截图 | 轮灌控制、轮灌组 / 计划管理、九大模块、Web 首页与监测 |
| 12 | 附件 9.4 中国电信塔城分公司乌苏市农业大数据服务系统建设采购合同 | 采购合同 | 2026 年 3 月 |
| 13 | 附件 7 农场操作人员培训清单 | 培训记录 | 3 期，100 余人次（课题层面） |
| 14 | 科技项目成果信息表（水肥一体化自动控制系统） | 成果登记 | 中试阶段 |