大型喷灌机节水灌溉系统设计方案及对策

农田墒情监测与灌溉自动化系统简要案

1、系统建设要求

农田墒情监测与灌溉自动化系统的建设应满足以下要求：

1、对系统建设域的18个灌溉区土壤墒情信息进行实时的在线监测；

2、通过该系统的建设，实现去灌区的18台指针式圆形喷灌机的自动控制；

3、该系统设置一个中心控制站，通过中心控制站实现全部的监测控制功能；

4、由于灌区覆盖面积较广，选择的通讯式应满足信息远距离传输的要求；

5、要保证系统对墒情信息，设备信息的实时采集、传输。

2、系统建设应考虑的因素

2.1 通讯式的选择

在信息和命令的传输中有线通讯和无线通讯两种式。

1、有线通讯是在通讯距离较近和地形、地势较好的条件下，通过包括：双绞线、同轴电缆、光纤等有线介质来传输测量数据和控制命令的通讯式。它有以下一些特点：建设投资省、无需自身维护通道，配套设备简单便宜，但容易受到风暴和人为的破坏。

2、无线通讯包括超短波、短波、微波、卫星、GSM数据业务、GPRS通讯等。其中GPRS是人们经常用到的通讯式。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的

简称。它是利用“分组交换”的概念所发展出的一套无线传输式，是国际上流行的2．5代移动通信产品。可与互联网或企业网相连，向移动客户提供丰富的数据业务。

所谓的分组交换就是将数据分装成多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点像寄包裹，采用分组交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费式。它在移动用户和数据网络之间提供一种连接。给移动用户和数据网络之间提供高速无线IP。GPRS允用户在端对端分组转移模式下发送和接收数据，提供了一种高效、低成本的无线分组业务。

每一个用户可以同时占用多个信道，并且同一个信道又可以供多个用户共享，资源被有效利用，GPRS能提供比现有GSM网9．6 Kbps 更高的数据率。传输速率最高可达171．2 Kbps，净速率可达l 15 Kbps，该项业务适合墒情数据传输的要求。

GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接，支持中、高速率数据传输。GPRS采用了信道聚合和信道复用技术，一个用户可以占用多个时间片，多个用户可以共享一个时间片，这样，资源的分配更加灵活，一个用户能获得的最大速率也有所提高。费费用便宜，GPRS不是基于传统的电路交换技术，而是基于无线分组交换技术，所谓的分组交换就是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路由，以存储转发的接力式通过通信子网传送到目的端，再组装成完整的数据。GPRS数据是以包来的形式传输，采用了断续传输

的策略，计费是按数据流量而不是按照在线时间长短来计算的，非常适合水情数据的传输。兼容Internet／Intranet，现有的网络是IP协议的天下，Internet及大部分局域网应用也是基于IP协议的。GPRS 从协议上提供了和IP网络的互通功能，能够实现从空中接口到外部网络之间的分组数据传输，GPRS可以接入基于TCP／IP协议的外部网络和X．25网络。用户可以通过GPRS系统的网关连接到互联网，对于Interact网络的其它GPRS网络的系统只是一个普通的子网。GPRS 网络是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的。

通过对GPRS通讯式的描述，对比有限通讯和其他无线通讯的式，该系统中为了保证系统的稳定性，节约建设成本，因此采用GPRS无线通讯式。

2.2 供电系统的配备

系统建设时，考虑到监测点分布较广，不能采用市电统一供电，为了保证墒情监测点不间断工作的需求，为每个墒情监测点配备了太阳能供电系统。

太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。各部分的作用为：①太阳能电池组件：太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。②太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系

统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。③蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。本系统采用的太阳能供电系统包含一个20W 的太阳能板，2个24V的电瓶，可满足连续阴雨5～8天监测点的供电。

太阳能供电系统具备以下特点：

?长寿命：晶体硅太阳能电池组件的质量保证期是15-20年；

?高性能：晶体硅太阳能电池发电系统具有抗台风、抗冰雹、抗潮湿、抗紫外辐照等特点，组件系统可以在零下40度到零上

70度环境下正常工作；

?无需职守：运行中无需人员职守，像常规能源一样能向负载供电；

?无间断供电：系统设计时考虑到当地的阴雨天气情况，将平时多余的电能存储在蓄电池，可确保用户在阴雨天仍有足够的电

能可供使用；

?直流无干扰电源：太阳能电池发电设备，无噪声、电源无高次谐波干扰，特别适用于通信电源；

?不受地理环境影响：平原、河道、海洋、高山、雪原、海岛、森林地区，任需电的地都可以使用晶体硅太阳能电池发电系

统。

3、系统建设案

农田墒情监测与灌溉自动化系统实现了18个灌区土壤墒情信息的测量、无线传输和实时显示及18台圆形指针喷灌机的自动操控，并配备了太阳能供电系统，可满足野外长期监测与喷灌机自动控制的需求。

该系统建设覆盖了18个灌溉区域，主要由1个监控中心和分布在各区域的信息采集箱、设备控制箱及土壤水分传感器、角度传感器组成。系统整体建设框架图如下：

系统整体框架图

从上图可知，系统的建设主要分为两部分，一是灌溉区现场硬件

的布设，二是监控中心的建设。

3.1 灌溉区现场硬件布设

3.1.1、硬件的选择

该系统主要是实现远距离土壤墒情信息的实时采集和喷灌机的自动控制，为达到以上目的，系统的建设应包含以下硬件：

1、土壤水分传感器：可长期埋设与土壤和堤坝使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量，本系统中采用SWCP1型号的土壤水分传感器，具体参数详见附录；

2、角度传感器：固定在圆形喷灌机上，实时测量喷灌机转过的角度，以确定喷灌机具体的位置；

3、数据采集控制模块：用于信息采集及控制设备自动化过程控制的产品。它下接土壤水分传感器、角度传感器，上连通讯模块，用于传递传感器采集的信息和接收上位机所发出的控制指令。本系统中采用DMG-1数据采集控制模块，具体参数详见附录；

4、无线传输模块：通过GPRS网络将与其相连的用户设备数据传输到Internet中的任意一台主机上，可实现数据远程透明传输。本系统中采用MG601无线传输模块，具体参数详见附录。

5、太阳能供电系统：用于在市电供电不便的区域为采集、执行设备提供电源。主要由太阳能板、太阳能控制器、电瓶组成及支架等附件组成。

6、电源转换系统：用于将220V的交流电转换成24V直流电，可

为系统的中的其他设备提供工作电源。

7、配电箱：用于存放数据采集控制模块、无线传输模块、太阳能电瓶。并置继电器、接线柱等。

8、支架：用于固定配件箱的设备。

3.1.2、硬件的布设案

根据系统的要求及选用的硬件设备，硬件的布设主要为信息采集箱和设备控制箱的建设。

其息采集箱，主要来监测土壤水分信息的设备，主要包括1个配电箱、1套太阳能供电系统、1个无线传输模块、1个数据采集控制模块、2个土壤水分传感器。

设备控制性，主要用来控制喷灌机和水泵的设备，主要包括1个配电箱，1个电源转换系统，1个无线传输模块、1个数据采集控制模

块、2继电器、1个角度传感器。各个灌区设备配置相同，基本的硬件框架图如上图。

设备控制箱放置在圆形喷灌机中央箱附近，用来控制喷灌机和水泵的启动/关闭。信息采集箱放置在喷灌机末端位置，土壤水分传感器与信息采集箱之间的距离为喷灌机所喷出水流距离的两倍，具体位置图如下：