1．概述

1.1 目的和意義

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏，水旱災(zāi)害頻繁的國(guó)家。雖然水資源的總量居世界第6 位，但是按人均水資源量計(jì)算，人均占有量只有2500 立方米，約為世界人均水量的1/4，在世界排110 位，已被聯(lián)合國(guó)列為13 個(gè)貧水國(guó)家之一。另一方面，我國(guó)水資源的分布很不平衡。北方有些地區(qū)水資源的占有量?jī)H為900 立方米，低于國(guó)際公認(rèn)的1000 立方米的水資源下限。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國(guó)家埃及和以色列的水平。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國(guó)范圍而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%～80%，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。

在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動(dòng)化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理。采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效，僅憑單項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的。必須將水源開(kāi)發(fā)、輸配水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。

自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益。

2、通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量。

3、將使灌溉更加科學(xué)，方便、提高管理水平。

研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。

1.2 相關(guān)研究綜述

自動(dòng)灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是有大面積種植或缺水地區(qū)。按灌溉方式分為地面灌、噴灌（噴灑灌溉）和微灌等等。而微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化是世界先進(jìn)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國(guó)目前的灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。

2．自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

灌溉自控系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)（主計(jì)算機(jī)、控制柜）、電磁閥、田間濕度傳感器（可測(cè)土壤濕度絕對(duì)值）、氣象觀測(cè)站（可測(cè)量氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速）等設(shè)備所組成。

操作人員可坐在控制室里，對(duì)傳上來(lái)的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用手動(dòng)或自動(dòng)方式，足不出戶的對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時(shí)還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時(shí)記錄、查詢、打印整個(gè)灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元管理一片區(qū)域。利用GPRS/GSM 網(wǎng)路，由中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對(duì)灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可通過(guò)專用軟件在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)，顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時(shí)可以人工進(jìn)行特殊操作。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見(jiàn)性地實(shí)施灌溉。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上圖所示，我們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為控制中心，有電腦和以太網(wǎng)組成；第二層為GPRS 無(wú)線控制器，該層和第一層之間無(wú)需電纜連接；第三層為閥門控制器，所有的閥門控制器和GPRS 無(wú)線控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細(xì)介紹一下本方案。

首先我們可以將需要灌溉的區(qū)域分成若干個(gè)小區(qū)，劃分的原則為閥門相對(duì)集中。每個(gè)小區(qū)內(nèi)采用一個(gè)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備GPRS DTU，通過(guò)它與中心控制室通訊；在GPRS DTU 上可以連接一個(gè)手動(dòng)控制器，用來(lái)手動(dòng)控制該區(qū)域內(nèi)的閥門開(kāi)關(guān)；再用一跟電纜連接到各個(gè)閥門，在閥門的位置需要接一個(gè)控制器，一個(gè)控制器可以控制1～4 個(gè)閥門，如下圖所示：

該套設(shè)備只需要很少的電力，可以使用太陽(yáng)能來(lái)供電。這個(gè)小區(qū)的控制系統(tǒng)無(wú)需任何電纜與中心控制室連接。

我們對(duì)各個(gè)小區(qū)實(shí)現(xiàn)同樣的控制方法，然后再通過(guò)無(wú)線連成一套系統(tǒng)。如下圖所示：

這樣的控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1、 中心控制室可以控制遠(yuǎn)在千里之外的閥門。

2、 每個(gè)小區(qū)內(nèi)只需使用一根電纜連接所有的閥門。大大節(jié)約成本。

3、 在電力無(wú)法到達(dá)的地方，我們可以采用太陽(yáng)能供電。

4、 也可以通過(guò)就地的手動(dòng)控制器來(lái)控制閥門。

5、 也可以通過(guò)手機(jī)短信來(lái)控制閥門。

3． 控制器的設(shè)計(jì)

3.1 控制器的主要功能

1) 土壤含水量的監(jiān)測(cè)；

2) EC（電導(dǎo)率）值和pH 值的監(jiān)測(cè)（可選）；

3) 電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；

4) 電磁閥狀態(tài)的控制；

5) 各種監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)的通訊傳輸；

6) 低電壓報(bào)警；

3.2 工作原理

每個(gè)控制單元控制著1—4 路電磁閥。通過(guò)傳感器采集來(lái)的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號(hào)輸出，結(jié)合中央管理計(jì)算機(jī)的指令，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。土壤濕度傳感器用來(lái)測(cè)量土壤的濕度，以了解土壤的真實(shí)灌溉情況，據(jù)此確定灌溉與否和時(shí)間長(zhǎng)短；配有EC（電導(dǎo)率）值和pH 值傳感器，可對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行EC 值和pH 值的檢測(cè)，以便控制自動(dòng)營(yíng)養(yǎng)液的配給。其主要工作原理框圖如圖2所示。

圖2 控制單元硬件原理圖

3.3 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的重要環(huán)節(jié)。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號(hào)，也叫土壤水分傳感器。本系統(tǒng)選用AQUA-TEL 公司的專業(yè)土壤水分傳感器，它把土壤水吸力的大小轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA 電流信號(hào)。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個(gè)傳感器注意其安放位置應(yīng)具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC 傳感器和pH 傳感器檢測(cè)灌溉用水的電導(dǎo)率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養(yǎng)分多少。

1) AQUA-TEL 土壤水分傳感器（美國(guó)）

特點(diǎn)：

• 可長(zhǎng)期埋設(shè)

• 長(zhǎng)度可增加，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性

• 容易攜帶，使用簡(jiǎn)單

• 能耗低

• 最經(jīng)濟(jì)的TDR 原理水分探頭

技術(shù)參數(shù)

• 測(cè)量土壤水分范圍：0-100%Vol

• 重復(fù)性誤差：小于1%

• 溫度范圍：-60 to 85℃ 精度：±2℃

• 電源：12VDC±20%

• 輸出：4-20 mA 或 0-5V

• 全部尺寸：直徑 19mm

• 長(zhǎng)度：635mm

• 預(yù)熱時(shí)間：1 秒

2) 直流電池閉鎖電磁閥

 

                     

直流閉鎖電磁閥采用的工作電流是一種快速脈沖電流。這種電磁閥一般使用6伏，9伏和12伏電壓。由于當(dāng)一個(gè)快速脈沖電流作用在線圈上不會(huì)產(chǎn)生電流，因此柱塞在一個(gè)電流脈沖信號(hào)作用下改變位置后如果保持不動(dòng)則不再需要電流，即在直流閉鎖電磁閥中沒(méi)有持續(xù)電流。這樣，直流閉鎖電磁閥在一小塊電池或太陽(yáng)能電源控制裝置的作用下即可長(zhǎng)時(shí)間的工作。

要開(kāi)啟閥門時(shí)，線圈收到一個(gè)直流脈沖信號(hào)，使得柱塞堵住端口P，連同端口A 與端口R?？刂魄慌欧牛y門開(kāi)啟。

要關(guān)閉閥門時(shí)，線圈收到一個(gè)直流脈沖信號(hào)，柱塞向相反方向移動(dòng)，端口A 和端口P連通，而端口R 堵住。這樣壓力水流從閥門進(jìn)口（上游）充滿控制腔，關(guān)閉閥門。脈沖對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)反向的磁力使得柱塞沿與開(kāi)啟閥門時(shí)相反的方向移動(dòng)。

3) 傳感器信號(hào)的輸入

在大田中埋設(shè)多個(gè)傳感器，然后把傳感器和多路開(kāi)關(guān)相連，多路傳感器的輸出經(jīng).A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，CPU將不斷讀I/O口，并把采集到的信號(hào)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)模糊決策的結(jié)果，決定是否灌溉以及灌溉的時(shí)間。

4） 主控部分

以微控制器為核心，通過(guò)接收服務(wù)器發(fā)送來(lái)的系統(tǒng)時(shí)間，起始工作時(shí)間，每次放水時(shí)間，停水時(shí)間和閥工況選擇等。微控制器是CMOS 器件，功耗很低。

3.2 數(shù)據(jù)處理及軟件編制

傳感來(lái)的信號(hào)送入多路開(kāi)關(guān)CD4051，分時(shí)把采集來(lái)的信號(hào)送到A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用單片機(jī)作為微處理器，A/D 轉(zhuǎn)換器采用精度高，速度快的AD574。該A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率為12 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us，并在轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)用LF398 作了采樣保持處理。

軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的灌溉需求量專家系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，來(lái)控制電磁閥開(kāi)啟和延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)智能控制?？刂瞥绦虿捎?SPAN>C 編寫。

3.3 輸出通道及總線設(shè)計(jì)

輸出通道包括繼電器和輸出接口。單片機(jī)的I/O 口可作為輸出口控制固態(tài)繼電器的開(kāi)合，并由續(xù)流二極管與繼電器并接以保護(hù)繼電器。固態(tài)繼電器不僅可以實(shí)現(xiàn)小信號(hào)對(duì)大功率負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制，而且還具有隔離功能。

輸出接口還涉及到與上位機(jī)的通信。RS-232 屬單端信號(hào)傳送，且不能用于長(zhǎng)距離的通信。在要求通信距離幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 收發(fā)器。RS-485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)200mV 的電壓，幫傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。

所以，本設(shè)計(jì)使用RS-485 總線來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。單個(gè)控制單元把信號(hào)通過(guò)RS-485 接口送至GPRS DTU 上，以傳送給遠(yuǎn)方的中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

4．管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從控制單元通過(guò)GPRS 送到中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)的總管理軟件上，我們可以設(shè)置相關(guān)灌溉的參數(shù)，并傳送到各個(gè)控制單元。另外，它還可以接收室外實(shí)時(shí)的天氣溫濕度情況，及通過(guò)Internet 獲取近期的天氣情況，以作預(yù)先性處理。

4．1 設(shè)計(jì)要求

1) 數(shù)據(jù)傳輸通訊穩(wěn)定；

2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全；

3) 操作界面美觀；

4) 整個(gè)系統(tǒng)人性化；

5) 系統(tǒng)整體穩(wěn)定；

6) 整個(gè)系統(tǒng)的高速運(yùn)行；

7) 系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)；

8) 操作幫助功能要求強(qiáng)大；

9) 要考慮后續(xù)工作的接口；

4.2 監(jiān)控管理軟件的主要功能

1) 操作人員的權(quán)限管理；

2) 圖形化動(dòng)態(tài)顯示各種參數(shù)；

3) 人工編制套灌溉方案；

4) 自動(dòng)記錄各個(gè)站點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；

5) 自動(dòng)分析各站點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；

6) 可隨時(shí)干預(yù)控制各站點(diǎn)的灌溉狀態(tài)；

7) 可根據(jù)實(shí)地情況隨意組合站點(diǎn)，分區(qū)；

8) 對(duì)所分的區(qū)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置；

9) 隨時(shí)記錄操作員的信息；

10) 隨時(shí)記錄操作信息；

11) 能隨時(shí)顯示各站點(diǎn)的狀態(tài)；

12) 能隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的各種信息；

13) 能對(duì)管理員有檔案管理；

14) 歷史記錄的隨時(shí)打?。?/FONT>

15) 自動(dòng)生成灌溉記錄報(bào)表；

16) 根據(jù)參數(shù)隨時(shí)報(bào)警提示或直接分析處理；