基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)托普物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為所謂智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)就是不需要人的控制，系統(tǒng)能自動感測到什么時(shí)候需要灌溉，灌溉多長時(shí)間；系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guān)閉灌溉；可以實(shí)現(xiàn)土壤太干時(shí)增大噴灌量，太濕時(shí)減少噴灌量。要實(shí)現(xiàn)此功能就要充分利用可編程控制器的控整理用。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳感器。要實(shí)現(xiàn)灌溉水量的多與少的調(diào)節(jié)，必須要有變頻器。在可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%60%RH為標(biāo)準(zhǔn)濕度，傳感器采集的濕度模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。噴灌是將灌溉水通過噴灌系統(tǒng)（或噴灌機(jī)具），形成具有一定壓力的水，由噴頭噴射到空中，形成水滴狀態(tài)，灑落在土壤表面，為

2、作物生長提供必要的水分。噴灌比地面灌可提高產(chǎn)量15一25；灌水均勻度一般可達(dá)到80一85，水的有效利用率為80以上，用水量比地面灌溉節(jié)省3650；噴灌可用于各種類型的土壤和作物，受地形條件的限制??；可以提高工效20一30倍；可提高耕地利用率7一15。但噴灌受風(fēng)的影響大，3一4級以上風(fēng)力時(shí)應(yīng)停止噴灌。噴灌的蒸發(fā)損失相對較大。 噴灌系統(tǒng)組成：水源工程、首部裝置、輸配水管道系統(tǒng)和噴頭等噴灌系統(tǒng)形式：管道式噴灌系統(tǒng)和機(jī)組式噴灌系統(tǒng)a：管道式噴灌系統(tǒng)：以輸配水管網(wǎng)為主體，在我國使用比較廣泛。b：機(jī)組式噴灌系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，機(jī)械利用率高，單位噴灌面積的投資較低，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中具有廣泛的使用前景。

3、針對灌溉水利用系數(shù)較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng)。依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集灌區(qū)作物需水信息,匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主控中心,中心主機(jī)根據(jù)信息確定灌溉狀態(tài)并計(jì)算灌水量,控制灌溉設(shè)備工作實(shí)現(xiàn)智能灌溉;依托Internet管理員有權(quán)對系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理,滿足了規(guī)?；喔鹊男枨?。根據(jù)示范區(qū)觀測,灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9。系統(tǒng)結(jié)合了無線傳感、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),解決了精確農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。 智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)可

4、以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實(shí)，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)的成本差不多，卻可節(jié)水16%到30%。 加州出臺的新法案要求2012年起新公司必須使用智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)。智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)背景 灌溉造成水資源浪費(fèi)美國每年浪費(fèi)掉的水資源高達(dá)8,520億升，而若安裝一種智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)則可有效地控制水流量，達(dá)到節(jié)水目的。 HydroPoint公司負(fù)責(zé)可持續(xù)領(lǐng)域業(yè)務(wù)的Chris Spain援引美國用水工程協(xié)會的報(bào)告稱，美國住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)的草坪、植物灌溉用水浪費(fèi)了30%到300%。 水資源被浪費(fèi)的原因是技術(shù)不行，美國有4,500萬個(gè)僅是安有簡易計(jì)時(shí)器

5、的灌溉系統(tǒng)，它們在時(shí)間控制上還可以，但精準(zhǔn)度不高。Spain稱，城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的58%，這些被浪費(fèi)的水資源每年生產(chǎn)54.4萬噸溫室氣體。在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達(dá)70%80%，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生了。不僅美國，英國也開始關(guān)注節(jié)水問題。英國節(jié)能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節(jié)約能源，使用熱水可能會超過取暖成為制造二氧化碳的主要途徑。智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)整體方案圖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用了可以無限擴(kuò)展的開放式設(shè)計(jì)

6、思路，并采用先進(jìn)的集木式構(gòu)建。整個(gè)系統(tǒng)由多組集群控制單元組成，每組集群控制單元管理一片區(qū)域，每一個(gè)片區(qū)由多臺控制器、電磁閥、傳感器組成。因此本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求，方便快速地組建智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)。用戶只需增加各級控制設(shè)備的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無限擴(kuò)容。本系統(tǒng)可適用于小到某塊棉田的自動灌溉，大到整個(gè)兵團(tuán)所有作物地塊，包括綠地的自動灌溉。并且系統(tǒng)容量越大，平均投資成本愈低，生產(chǎn)效率也越高。本系統(tǒng)遵循了以下設(shè)計(jì)原則： 1、系統(tǒng)模塊化、層次化設(shè)計(jì)，以提高效率，增加可維護(hù)性，便于擴(kuò)展； 2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設(shè)備，而不需要更換軟件； 3、人機(jī)界面友好，實(shí)現(xiàn)灌溉過程的無人值

7、守，減少人員的工作強(qiáng)度，提高灌溉效率； 4、抗電磁干擾的能力強(qiáng)，保證系統(tǒng)在野外強(qiáng)電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運(yùn)行； 5、故障自動檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備的布局要求美觀。通信方式控制系統(tǒng)系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)均采用了基于廣域網(wǎng)的先進(jìn)的無線傳輸方式進(jìn)行傳輸。上行數(shù)據(jù)包括：空氣溫度、濕度；土壤溫度、顯度；電磁閥及各控制器的工作狀態(tài)等信息。下行數(shù)據(jù)是指中央計(jì)算機(jī)向各控制單元發(fā)出的各種控制指令，包括電磁閥的開關(guān)指令；各工作單元的狀態(tài)查詢指令以及對各控制單元的參數(shù)預(yù)設(shè)等。由于采用了先進(jìn)的無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，因此本系統(tǒng)能夠快速地任意規(guī)模地構(gòu)建而且不受時(shí)間、空間和其它條件的限制。無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)還具有誤差小

8、、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、便于擴(kuò)展等多種優(yōu)點(diǎn)，使無線數(shù)字網(wǎng)成為智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)首選的組網(wǎng)方式。無線通信技術(shù)的使用，拓寬了控制器的應(yīng)用范圍，只要有無線信號覆蓋的地區(qū)，都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線采集與控制。實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和控制器等多方面的互動性，系統(tǒng)還具有自動報(bào)警功能，控制器檢測出系統(tǒng)異常，會及時(shí)將故障相關(guān)信息上報(bào)給中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以便迅速地定位并排出故障。軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的傳遞路徑軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，來控制電磁閥的開啟和延續(xù)時(shí)間的長短，實(shí)現(xiàn)智能控制。中央控制室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用了大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，能對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲和自動備份，并能根據(jù)定制條件進(jìn)行查

9、詢。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動、無人值守的數(shù)據(jù)處理，并預(yù)留WEB接口，遠(yuǎn)程用戶可以通過瀏覽器查詢有關(guān)的灌溉信息。本系統(tǒng)采用了圖形用戶界面，用戶操作簡單方便。實(shí)時(shí)或定時(shí)采集的田間土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù)，均可以實(shí)時(shí)地以圖形或者表格方式在中央控制計(jì)算機(jī)上顯示。用戶可以通過圖形界面設(shè)定每個(gè)地塊的灌溉策略，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量的無人值守的自動灌溉。從數(shù)據(jù)的傳遞路徑可將本系統(tǒng)分為三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)匯集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如右圖所示：集群控制田間控制單元 田間控制單元田間控制單元控制著電磁閥和各種數(shù)據(jù)采集儀器。土壤濕度傳感器一般是采集土壤水份含量大小，也叫土壤水分傳感器。本系統(tǒng)選用世界最先進(jìn)的土壤水

10、分傳感器，它把土壤水含量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、信號處理后傳到集群控制單元，微電腦處理器根據(jù)獲得的土壤信息確定灌溉量，然后輸出控制信號并結(jié)合中央計(jì)算機(jī)指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實(shí)灌溉需求，據(jù)此確定灌溉與否以及灌溉時(shí)間長短。本系統(tǒng)還配有EC（電導(dǎo)率）值和pH值傳感器，可對進(jìn)水和出水進(jìn)行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養(yǎng)液的配給。系統(tǒng)控制方式靈活性 灌溉控制系統(tǒng)，具有多種灌溉控制方式：系統(tǒng)可以脫離上微機(jī)而常年獨(dú)立運(yùn)行，有手動灌溉，自動連續(xù)灌溉，自動間隙灌溉等不同灌溉方式，系統(tǒng)可以任意設(shè)定輪灌組，每個(gè)輪灌組可以設(shè)定按

11、照任意天間隔進(jìn)行灌溉，每天可以設(shè)定多組不同啟動時(shí)間。供電系統(tǒng)遵循方便、穩(wěn)定、可靠的原則，結(jié)合的氣候條件，本系統(tǒng)各個(gè)控制單元均采用了目前最先進(jìn)的太陽能設(shè)備，用于供給控制單元電能。太陽能電站具有能效轉(zhuǎn)換高、維護(hù)成本低、部署方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為本系統(tǒng)田間供電最理想的選擇?？紤]到長時(shí)間陰雨天氣、太陽能系統(tǒng)需要檢修等特殊情況，作為太陽供電系統(tǒng)的備份，使用了風(fēng)能發(fā)電裝置，作為供電系統(tǒng)的必要補(bǔ)充。六要素氣象站 由于氣象條件的空間變異特征明顯，因此在示范區(qū)內(nèi)配備氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測儀器，自動采集所需的氣象數(shù)據(jù)，作為當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)的補(bǔ)充。自動觀測氣象站是由一個(gè)能自動測量、記錄與存貯數(shù)據(jù)的記錄儀與一套相應(yīng)的傳感設(shè)備所組成的

12、一個(gè)氣象觀測記錄系統(tǒng)，該站安裝的農(nóng)業(yè)氣象自動站其探測內(nèi)容在室外有風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫濕度、輻射和降水量；總共為6個(gè)氣象要素。功能為了最大限度地節(jié)約噴灌用水和實(shí)現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能： 1.數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換）。 2.控制功能：具有定時(shí)控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。 自動控制功能：可編程控制器通過程序?qū)鞲衅鳈z測的濕度信號與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)濕度范圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設(shè)定濕度值，（低于設(shè)定值則調(diào)大電動機(jī)轉(zhuǎn)速，高于設(shè)定值則調(diào)小電動機(jī)轉(zhuǎn)速）則自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行灌溉操

13、作。 定時(shí)控制功能：系統(tǒng)可對電磁閥設(shè)定開、關(guān)時(shí)間，當(dāng)灌溉的濕度值達(dá)到設(shè)定的濕度值時(shí)，電動機(jī)自動停止灌溉。 循環(huán)控制功能 ：用戶在可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好控制程序，分別設(shè)定起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、灌溉時(shí)間、停止時(shí)間，系統(tǒng)按設(shè)定好的時(shí)間自動循環(huán)灌溉。 3.變速功能:當(dāng)前所測的土壤濕度值與預(yù)先設(shè)定的最適宜草坪生長的濕度值50%60%RH比較，分為大于、等于、小于三種結(jié)果，即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態(tài)。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度、低濕度三個(gè)指示燈。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個(gè)狀態(tài)自動調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)設(shè)有高速，中速，低速3種旋轉(zhuǎn)速度，分別對應(yīng)高速，中速，低速三個(gè)指示燈。 4.自動轉(zhuǎn)停

14、功能：控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌，控制電動機(jī)以所需的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉(zhuǎn)。 5.電動機(jī)過載保護(hù)功能：當(dāng)電動機(jī)過載時(shí)，電動機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報(bào)警，過載消除后自動恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 6.陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個(gè)可編程控制器的輸入信號，實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能。 7.省電功能：定時(shí)控制器在斷電時(shí)正常計(jì)時(shí)，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時(shí)灌溉控制時(shí)間之內(nèi)，由定時(shí)器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時(shí)調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時(shí)間里，定時(shí)

15、器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費(fèi)的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。 8.急停功能：當(dāng)出現(xiàn)緊急意外事故時(shí)，按下急停按鈕，電動機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，噴頭停止灌溉。 9.故障自動檢測功能：當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機(jī)故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運(yùn)行，電磁閥關(guān)閉，故障報(bào)警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。微機(jī)控制 節(jié)水系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或園林灌溉系統(tǒng)的自動控制或手動控制。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及園林業(yè)的發(fā)展，隨著水資源的不斷升值，傳統(tǒng)灌溉方式正在被現(xiàn)代

16、智能型微機(jī)控制灌溉系統(tǒng)所取代，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，TLG-2型智能灌溉控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：a微機(jī)控制噴灌和滴灌，大大節(jié)省日趨寶貴的水資源，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。b根據(jù)植物對土壤水份的需求特點(diǎn)設(shè)定不同的灌溉方式，使植物按最佳生長周期生長， 達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。c自動灌溉，大大節(jié)省人力資源，提高勞動生產(chǎn)率。方案每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是最大限度地滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度范圍之內(nèi)。經(jīng)資料查證最適宜草坪生長的濕度是50%60%RH。此信號與50%60%RH比較，可以分為：大于，等于，小于三種

17、情況。系統(tǒng)按可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好的程序自動按一定的灌水量進(jìn)行灌溉。最終實(shí)現(xiàn)不需要人的直接參與，由系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)灌溉，人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。 可編程控制器、傳感器、變頻器是實(shí)現(xiàn)智能灌溉不可缺少的設(shè)備。但要想使整個(gè)草坪都得到相同的水量，對草坪實(shí)現(xiàn)均勻而智能的灌溉，必須要設(shè)計(jì)一套完整的系統(tǒng)。一套完整的智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關(guān)量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表，顯示面板等組成。 水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區(qū)的遠(yuǎn)近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。 電源模塊：穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的重要前提，

18、要求電源模塊穩(wěn)定、可靠，留有一定的功率余量。 可編程控制器主控模塊：負(fù)責(zé)發(fā)出和接收各種運(yùn)行程序指令，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞部分，要求具有高可靠性和穩(wěn)定性，通信方式靈活，具有可擴(kuò)展的功能。 開關(guān)量、模擬量輸入、輸出模塊：該部分是可編程控制器裝置正確接收信息和發(fā)出指令的關(guān)鍵設(shè)備，要求有高可靠性、穩(wěn)定性，能實(shí)現(xiàn)某些電、磁的隔離功能。 現(xiàn)場儀表：可編程控制器系統(tǒng)通過接收現(xiàn)場儀表設(shè)備發(fā)出的信號判斷被控設(shè)備的運(yùn)行狀況，以及是否符合設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境條件，因此要求現(xiàn)場儀表設(shè)備具有高可靠性、穩(wěn)定性和精確性。 顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于控制和維修。 其他輔助設(shè)備：輔助設(shè)備如冷卻風(fēng)扇、UPS不間斷電源等是完善整個(gè)系統(tǒng)所必須的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。工作原理 1.智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)工作原理智能農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)工作原理 灌溉系統(tǒng)工作時(shí)，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器?？删幊炭刂破鲀?nèi)預(yù)先設(shè)定50%60%RH為標(biāo)準(zhǔn)濕度值，實(shí)際測得的濕度信號與50%60%RH比較，可以分為：在這個(gè)范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，小于這個(gè)范圍三種情況?？删幊炭刂破鲗⒖刂菩盘杺鹘o變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時(shí)，電磁閥就自動