智能农业灌溉系统方案设计

智能农业灌溉系统方案设计

托普物联网认为所谓智能农业灌溉系统就是不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。要实现此功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。

针对灌溉水利用系数较低,文中提出一种基于嵌入式智能灌溉控制系统。依托无线传感器网络采集灌区作物需水信息,汇聚到网关节点发送给主控中心,中心主机根据信息确定灌溉状态并计算灌水量,控制灌溉设备工作实现智能灌溉;依托Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化灌溉的需求。根据示范区观测,灌溉水利用系数由原来的0.6提高到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,解决了精确农业亟待解决的关键技术问题。

智能农业灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。

智能农业灌溉系统可以根据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实，和传统灌溉系统相比，智能农业灌溉系统的成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必须使用智能农业灌溉系统。

智能农业灌溉系统

背景

灌溉造成水资源浪费

美国每年浪费掉的水资源高达8,520亿升，而若安装一种智能农业灌溉系统则可有效地控制水流量，达到节水目的。

HydroPoint公司负责可持续领域业务的Chris Spain援引美国用水工程协会的报告称，美国住宅区和商业区的草坪、植物灌溉用水浪费了30%到300%。

水资源被浪费的原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain称，城市灌溉系统占城市用水的58%，这些被浪费的水资源每年生产54.4万吨温室气体。

在中国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智能农业灌溉系统在这种背景下应运而生了。

不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，随着越来越多的家庭开始节约能源，使用热水可能会超过取暖成为制造二氧化碳的主要途径。

智能农业灌溉系统整体方案图

结构

系统结构

采用了可以无限扩展的开放式设计思路，并采用先进的集木式构建。整个系统由多组集群控制单元组成，每组集群控制单元管理一片区域，每一个片区由多台控制器、电磁阀、传感器组成。因此本系统可以根据用户的需求，方便快速地组建智能农业灌溉系统。用户只需增加各级控制设备的数量即可实现整个系统的无限扩容。本系统可适用于小到某块棉田的自动灌溉，大到整个兵团所有作物地块，包括绿地的自动灌溉。并且系统容量越大，平均投资成本愈低，生产效率也越高。本系统遵循了以下设计原则：

1、系统模块化、层次化设计，以提高效率，增加可维护性，便于扩展；

2、灵活的硬件配置，用户可以任意升级、更换被控硬件设备，而不需要更换软件；

3、人机界面友好，实现灌溉过程的无人值守，减少人员的工作强度，提高灌溉效率；

4、抗电磁干扰的能力强，保证系统在野外强电磁干扰的恶劣环境下能可靠地运行；

5、故障自动检测功能，提高系统的健壮性，各种设备的布局要求美观。

通信方式

控制系统

系统上行数据与下行数据均采用了基于广域网的先进的无线传输方式进行传输。上行数据包括：空气温度、湿度；土壤温度、显度；电磁阀及各控制器的工作状态等信息。下行数据是指中央计算机向各控制单元发出的各种控制指令，包括电磁阀的开关指令；各工作单元的状态查询指令以及对各控制单元的参数预设等。由于采用了先进的无线数字网络，因此本系统能够快速地任意规模地构建而且不受时间、空间和其它条件的限制。无线数字网络还具有误差小、抗干扰能力强、成本低、便于扩展等多种优点，使无线数字网成为智能农业灌溉系统首选的组网方式。

无线通信技术的使用，拓宽了控制器的应用范围，只要有无线信号覆盖的地区，都可以实现远距离无线采集与控制。实现了计算机和控制器等多方面的互动性，系统还具有自动报警功能，控制器检测出系统异常，会及时将故障相关信息上报给中央计算机系统，以便迅速地定位并排出故障。

软件设计

数据的传递路径

软件是控制系统的灵魂，需要与硬件配合，将实时数据与专家系统的设定值进行比较判断，来控制电磁阀的开启和延续时间的长短，实现智能控制。中央控制室的计算机系统使用了大型关系数据库，能对各种数据进行分类存储和自动备份，并能根据定制条件进行查询。本系统能够实现全自动、无人值守的数据处理，并预留WEB接口，远程用户可以通过浏览器查询有关的灌溉信息。

本系统采用了图形用户界面，用户操作简单方便。实时或定时采集的田间土壤水分、土壤温度、空气温湿度等数据，均可以实时地以图形或者表格方式在中央控制计算机上显示。用户可以通过图

形界面设定每个地块的灌溉策略，实现定时、定量的无人值守的自动灌溉。

从数据的传递路径可将本系统分为三个层次，即数据汇集层、数据处理层、数据应用层，如右图所示：

集群控制

田间控制单元

田间控制单元

田间控制单元控制着电磁阀和各种数据采集仪器。土壤湿度传感器一般是采集土壤水份含量大小，也叫土壤水分传感器。本系统选用世界最先进的土壤水分传感器，它把土壤水含量转化为标准的电压信号，经过A/D转换、信号处理后传到集群控制单元，微电脑处理器根据获得的土壤信息确定灌溉量，然后输出控制信号并结合中央计算机指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉需求，据此确定灌溉与否以及灌溉时间长短。本系统还配有EC（电导率）值和pH值传感器，可对进水和出水进行EC值和pH值的检测，以便控制自动营养液的配给。

系统控制方式灵活性灌溉控制系统，具有多种灌溉控制方式：系统可以脱离上微机而常年独立运行，有手动灌溉，自动连续灌溉，自动间隙灌溉等不同灌溉方式，系统可以任意设定轮灌组，每个轮灌组可以设定按照任意天间隔进行灌溉，每天可以设定多组不同启动时间。

供电系统

遵循方便、稳定、可靠的原则，结合的气候条件，本系统各个控制单元均采用了目前最先进的太阳能设备，用于供给控制单元电能。太阳能电站具有能效转换高、维护成本低、部署方便等诸多优点，成为本系统田间供电最理想的选择。考虑到长时间阴雨天气、太阳能系统需要检修等特殊情况，作为太阳供电系统的备份，使用了风能发电装置，作为供电系统的必要补充。

六要素气象站

由于气象条件的空间变异特征明显，因此在示范区内配备气象数据监测仪器，自动采集所需的气象数据，作为当地气象参数的补充。自动观测气象站是由一个能自动测量、记录与存贮数据的记录仪与一套相应的传感设备所组成的一个气象观测记录系统，该站安装的农业气象自动站其探测内容在室外有风向、风速、空气温湿度、辐射和降水量；总共为6个气象要素。

功能

为了最大限度地节约喷灌用水和实现智能控制，灌溉系统必须具备以下功能：

1.数据采集功能：可接收土壤湿度传感器采集的模拟量。模拟量信号的处理是将模拟信号转变成数字信号（A/D转换）。

2.控制功能：具有定时控制、循环控制的功能，用户可根据需要灵活选用控制方式。

①自动控制功能：可编程控制器通过程序将传感器检测的湿度信号与预先设定的标准湿度范围值相比较，如果检测的湿度值超出了设定湿度值，（低于设定值则调大电动机转速，高于设定值则调小电动机转速）则自动调节电动机转速，进行灌溉操作。

②定时控制功能：系统可对电磁阀设定开、关时间，当灌溉的湿度值达到设定的湿度值时，电动机自动停止灌溉。

③循环控制功能：用户在可编程控制器内预先编好控制程序，分别设定起始时间、结束时间、灌溉时间、停止时间，系统按设定好的时间自动循环灌溉。

3.变速功能:当前所测的土壤湿度值与预先设定的最适宜草坪生长的湿度值50%—60%RH比较，分为大于、等于、小于三种结果，即可将湿度分为高湿度、中湿度、低湿度三种状态。在控制面板上表现为高湿度、中湿度、低湿度三个指示灯。变频器根据土壤湿度的三个状态自动调节电动机的转速，电动机设有高速，中速，低速3种旋转速度，分别对应高速，中速，低速三个指示灯。

4.自动转停功能：控制系统根据土壤的干湿度情况自动启动喷灌，控制电动机以所需的转速转动，喷头喷灌5分钟，停2分钟，再喷5分钟后自动停转。

5.电动机过载保护功能：当电动机过载时，电动机立即停止转动，灌溉过程中止，并且故障指示灯闪烁报警，过载消除后自动恢复运转。

6.阴雨天自动停止：利用湿度传感器的开关量作为一个可编程控制器的输入信号，实现控制相关程序的功能。

7.省电功能：定时控制器在断电时正常计时，故采用其作为可编程控制器的电源控制。在定时灌溉控制时间之内，由定时器接通可编程控制器的电源，可编程控制器按预先编制的程序依次打开

各控制设备电源，并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。在非系统工作时间里，定时器自动断开可编程控制器的电源，这样既减少了系统耗费的电能又延长了设备的使用寿命。

8.急停功能：当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，电动机立即停止运转，阀门关闭，喷头停止灌溉。

9.故障自动检测功能：当灌溉系统出现故障，如水管破裂（水压为零），传感器故障，电动机故障，变频器故障，电磁阀故障等，水泵立即停止运行，电磁阀关闭，故障报警灯闪烁并伴有警笛声响起。操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才自动停止闪烁。

微机控制

節水

系统可广泛应用于农业或园林灌溉系统的自动控制或手动控制。

随着现代农业及园林业的发展，随着水资源的不断升值，传统灌溉方式正在被现代智能型微机控制灌溉系统所取代，与传统灌溉方式相比，TLG-2型智能灌溉控制系统有如下优点：a．微机控制喷灌和滴灌，大大节省日趋宝贵的水资源，具有巨大的社会效益和经济效益。

b．根据植物对土壤水份的需求特点设定不同的灌溉方式，使植物按最佳生长周期生长，达到增产增收的目的。

c．自动灌溉，大大节省人力资源，提高劳动生产率。

方案

每种植物都有适合其生长的湿度，湿度过大，植物的根系就会在土壤中腐烂，湿度过小，就不足以满足植物生长所需要的水分。灌溉就是最大限度地满足土壤的湿度在适宜植物生长的湿度范围之内。经资料查证最适宜草坪生长的湿度是50%—60%RH。此信号与50%—60%RH比较，可以分为：大于，等于，小于三种情况。系统按可编程控制器内预先编好的程序自动按一定的灌水量进行灌溉。最终实现不需要人的直接参与，由系统自动实现灌溉，人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。

可编程控制器、传感器、变频器是实现智能灌溉不可缺少的设备。但要想使整个草坪都得到相同的水量，对草坪实现均匀而智能的灌溉，必须要设计一套完整的系统。一套完整的智能农业灌溉系统由水源、电源、可编程控制器、开关量、模拟量输入、现场仪表，显示面板等组成。

水源：包括各种可能使用的水源的类型，如自来水、河流、井水、池塘等。视距离灌溉区的远近而定，重要的是所选水源必须要有足够的供水量。

电源模块：稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重要前提，要求电源模块稳定、可靠，留有一定的功率余量。

可编程控制器主控模块：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分，要求具有高可靠性和稳定性，通信方式灵活，具有可扩展的功能。

开关量、模拟量输入、输出模块：该部分是可编程控制器装置正确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可靠性、稳定性，能实现某些电、磁的隔离功能。

现场仪表：可编程控制器系统通过接收现场仪表设备发出的信号判断被控设备的运行状况，以及是否符合设备运行的环境条件，因此要求现场仪表设备具有高可靠性、稳定性和精确性。

显示面板：通过显示面板上的指示灯，使操作人员能清晰的看到系统的运行状态，便于控制和维修。

其他辅助设备：辅助设备如冷却风扇、UPS不间断电源等是完善整个系统所必须的，对提高系统的可靠性和使用寿命有很大的帮助。

工作原理

1.智能农业灌溉系统工作原理

智能农业灌溉系统工作原理

灌溉系统工作时，湿度传感器采集土壤里的干湿度信号，检测到的湿度信号通过A/D模块转换，将标准的电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到可编程控制器。可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度值，实际测得的湿度信号与50%—60%RH比较，可以分为：在这个范围内，超出这个范围，小于这个范围三种情况。可编程控制器将控制信号传给变频器，变频器根据湿度值，相应的调节电动机的转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要灌溉时，电磁阀就自动开启，通过主管道和支管道为喷头输水，喷头以各自的旋转角度自动旋转。灌溉结束时电磁阀自动关闭。为了避免离水源远的喷头不能被供给足够的压力，在电磁阀的一侧安装一块压力表，保证个喷头的水压满足设定的喷灌射程，避免发生因为水压不足，喷头射程减少的现象。整个系统协调工作，实现对草坪灌溉的智能控制。

2.智能农业灌溉系统工作原理图

综上所述，要实现智能灌溉，系统需要有可编程控制器、传感器、A/D模块、变频器、电动机、水泵、电磁阀、管网和喷头等设备。

①可编程控制器：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分。

②传感器：由于本次设计时间比较仓促，忽略了温度对灌溉的影响，因此没有使用温度传感器，只使用了土壤湿度传感器。通过传感器采集土壤里的湿度信号，判断是否需要灌溉。

③A/D模块：因为可编程控制器不能接收模拟信号，所以需将传感器的电压或电流信号转换成数字信号。

④变频器：通过改变电动机的转速调节喷灌流量，达到节水的目的。

⑤电动机、水泵：由电动机带动水泵从水源抽水，为喷灌系统提供一定的压力。

⑥电磁阀：控制喷头的喷灌与否。

⑦喷头：实现均匀喷洒，便于充分吸收。

⑧管网：灌溉系统输送水的管路。

意义

智能农业灌溉系统不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。基于传感器技术的智能农业灌溉系统是中国发展高效农业和精细农业的必由之路。