1．概述

1.1 目的和意義

我國是一個水資源嚴重缺乏，水旱災(zāi)害頻繁的國家。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)合國列為13 個貧水國家之一。另一方面，我國水資源的分布很不平衡。北方有些地區(qū)水資源的占有量僅為900 立方米，低于國際公認的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家埃及和以色列的水平。我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國范圍而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達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。

在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制，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)自動化的水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預(yù)報，實際動態(tài)管理。采用傳感器來監(jiān)測土壤的墑情和農(nóng)作物的生長，實現(xiàn)水管理的自動化。高效農(nóng)業(yè)和精細農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現(xiàn)水資源的高效，僅憑單項節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的。必須將水源開發(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，實現(xiàn)按期、按需、按量自動供水。

自動灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

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、通過自動控制技術(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)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。

1.2 相關(guān)研究綜述

自動灌溉技術(shù)在發(fā)達國家，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)自動化是世界先進國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國目前的灌溉系統(tǒng)自動化的水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預(yù)報，實行動態(tài)管理。

2．自動灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

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

操作人員可坐在控制室里，對傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶的對整個小區(qū)進行灌溉。同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)由多個控制單元組成，每個控制單元管理一片區(qū)域。利用GPRS/GSM 網(wǎng)路，由中央計算機統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結(jié)果送入計算機，在這里進行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對灌溉情況進行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機上存儲，顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進行特殊操作。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見性地實施灌溉。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

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 無線控制器，該層和第一層之間無需電纜連接；第三層為閥門控制器，所有的閥門控制器和GPRS 無線控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細介紹一下本方案。

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

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

我們對各個小區(qū)實現(xiàn)同樣的控制方法，然后再通過無線連成一套系統(tǒng)。如下圖所示：

這樣的控制方式的主要優(yōu)點有：

1、 中心控制室可以控制遠在千里之外的閥門。

2、 每個小區(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、 在電力無法到達的地方，我們可以采用太陽能供電。

4、 也可以通過就地的手動控制器來控制閥門。

5、 也可以通過手機短信來控制閥門。

3． 控制器的設(shè)計

3.1 控制器的主要功能

1) 土壤含水量的監(jiān)測；

2) EC（電導(dǎo)率）值和pH 值的監(jiān)測（可選）；

3) 電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測；

4) 電磁閥狀態(tài)的控制；

5) 各種監(jiān)測和控制信號的通訊傳輸；

6) 低電壓報警；

3.2 工作原理

每個控制單元控制著1—4 路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，信號處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號輸出，結(jié)合中央管理計算機的指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實現(xiàn)自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉情況，據(jù)此確定灌溉與否和時間長短；配有EC（電導(dǎo)率）值和pH 值傳感器，可對進出水進行EC 值和pH 值的檢測，以便控制自動營養(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)采集部分是實現(xiàn)自動灌溉的重要環(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，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)化為標準的4-20mA 電流信號。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個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）

特點：

• 可長期埋設(shè)

• 長度可增加，提高測量的準確性

• 容易攜帶，使用簡單

• 能耗低

• 最經(jīng)濟的TDR 原理水分探頭

技術(shù)參數(shù)

• 測量土壤水分范圍：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

• 長度：635mm

• 預(yù)熱時間：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)一個快速脈沖電流作用在線圈上不會產(chǎn)生電流，因此柱塞在一個電流脈沖信號作用下改變位置后如果保持不動則不再需要電流，即在直流閉鎖電磁閥中沒有持續(xù)電流。這樣，直流閉鎖電磁閥在一小塊電池或太陽能電源控制裝置的作用下即可長時間的工作。

要開啟閥門時，線圈收到一個直流脈沖信號，使得柱塞堵住端口P，連同端口A 與端口R。控制腔排放，閥門開啟。

要關(guān)閉閥門時，線圈收到一個直流脈沖信號，柱塞向相反方向移動，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口（上游）充滿控制腔，關(guān)閉閥門。脈沖對柱塞產(chǎn)生一個反向的磁力使得柱塞沿與開啟閥門時相反的方向移動。

3) 傳感器信號的輸入

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

4） 主控部分

以微控制器為核心，通過接收服務(wù)器發(fā)送來的系統(tǒng)時間，起始工作時間，每次放水時間，停水時間和閥工況選擇等。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

傳感來的信號送入多路開關(guān)CD4051，分時把采集來的信號送到A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用單片機作為微處理器，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)換時間為25us，并在轉(zhuǎn)換前對信號用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，將實時采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的灌溉需求量專家系統(tǒng)的設(shè)定值進行比較判斷，來控制電磁閥開啟和延續(xù)時間長短，實現(xiàn)智能控制。控制程序采用C 編寫。

3.3 輸出通道及總線設(shè)計

輸出通道包括繼電器和輸出接口。單片機的I/O 口可作為輸出口控制固態(tài)繼電器的開合，并由續(xù)流二極管與繼電器并接以保護繼電器。固態(tài)繼電器不僅可以實現(xiàn)小信號對大功率負載的開關(guān)控制，而且還具有隔離功能。

輸出接口還涉及到與上位機的通信。RS-232 屬單端信號傳送，且不能用于長距離的通信。在要求通信距離幾十米到上千米時，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，能檢測低達200mV 的電壓，幫傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。

所以，本設(shè)計使用RS-485 總線來進行信號傳輸，用一對雙絞線實現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。單個控制單元把信號通過RS-485 接口送至GPRS DTU 上，以傳送給遠方的中央監(jiān)控計算機。

4．管理系統(tǒng)的設(shè)計

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

4．1 設(shè)計要求

1) 數(shù)據(jù)傳輸通訊穩(wěn)定；

2) 數(shù)據(jù)存儲安全；

3) 操作界面美觀；

4) 整個系統(tǒng)人性化；

5) 系統(tǒng)整體穩(wěn)定；

6) 整個系統(tǒng)的高速運行；

7) 系統(tǒng)容錯性強；

8) 操作幫助功能要求強大；

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) 圖形化動態(tài)顯示各種參數(shù)；

3) 人工編制套灌溉方案；

4) 自動記錄各個站點傳來的數(shù)據(jù)；

5) 自動分析各站點傳來的數(shù)據(jù)；

6) 可隨時干預(yù)控制各站點的灌溉狀態(tài)；

7) 可根據(jù)實地情況隨意組合站點，分區(qū)；

8) 對所分的區(qū)進行各種參數(shù)設(shè)置；

9) 隨時記錄操作員的信息；

10) 隨時記錄操作信息；

11) 能隨時顯示各站點的狀態(tài)；

12) 能隨時查詢數(shù)據(jù)庫中記錄的各種信息；

13) 能對管理員有檔案管理；

14) 歷史記錄的隨時打印；

15) 自動生成灌溉記錄報表；

16) 根據(jù)參數(shù)隨時報警提示或直接分析處理；