现代农业智能灌溉控制系统解决方案原理及设计

当代农业智能浇灌控制系统处理方案原理及设计智能浇灌控制系统介绍托普物联网指出所谓智能就是不需要人控制，系统能自动感测到什么时候需要浇灌，浇灌多长时间；系统能够自动开启浇灌，也能够自动关闭浇灌；能够实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时降低喷灌量。要实现此功效就要充分利用可编程控制器控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度功效必须要有土壤湿度传感器。要实现浇灌水量多与少调整，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，传感器采集湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。针对浇灌水利用系数较低,文中提出一个基于嵌入式智能浇灌控制系统。依靠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,中心主机依照信息确定浇灌状态并计算灌水量,控制浇灌设备工作实现智能浇灌;依靠Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化浇灌需求。依照示范区观察,浇灌水利用系数由原来0.6提升到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,处理了精准农业亟待处理关键技术问题。智能浇灌系统包括到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多个高新技术，这些新技术应用使我国农业由传统劳动密集型向技术密集型转变奠定了主要基础。智能浇灌系统能够依照植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还能够在雨後监控土壤湿度。有研究现实，和传统浇灌系统相比，智能浇灌系统成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台新法案要求起新企业必须使用智能浇灌系统。智能浇灌控制系统背景美国每年浪费掉水资源高达8,520亿升，而若安装一个智能浇灌系统则可有效地控制水流量，达成节水目标。HydroPoint企业负责可连续领域业务ChrisSpain援引美国用水工程协会汇报称，美国住宅区和商业区草坪、植物浇灌用水浪费了30%到300%。水资源被浪费原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器浇灌系统，它们在时间控制上还能够，但精准度不高。Spain称，城市浇灌系统占城市用水58%，这些被浪费水资源每年生产54.4万吨温室气体。在中国农业用水量约占总用水量80%左右，因为农业浇灌效率普遍低下，水利用率仅为45%，而水资源利用率高国家已达70%～80%，因而，处理农业浇灌用水问题，对于缓解水资源紧缺是非常主要。我们智能浇灌系统在这种背景下应运而生了。不但美国，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，伴随越来越多家庭开始节约能源，使用热水可能会超出取暖成为制造二氧化碳主要路径。智能浇灌控制系统工作原理1.智能浇灌控制系统工作原理

浇灌系统工作时，湿度传感器采集土壤里干湿度信号，检测到湿度信号经过A/D模块转换，将标准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，实际测得湿度信号与50%—60%RH比较，能够分为：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，变频器依照湿度值，对应调整电动机转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要浇灌时，电磁阀就自动开启，经过主管道和支管道为喷头输水，喷头以各自旋转角度自动旋转。浇灌结束时电磁阀自动关闭。为了防止离水源远喷头不能被供给足够压力，在电磁阀一侧安装一块压力表，确保个喷头水压满足设定喷灌射程，防止发生因为水压不足，喷头射程降低现象。整个系统协调工作，实现对草坪浇灌智能控制。2.智能浇灌控制系统工作原理图总而言之，要实现智能浇灌，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，是整个控制系统中枢部分。②传感器：因为此次设计时间比较仓促，忽略了温度对浇灌影响，所以没有使用温度传感器，只使用了土壤湿度传感器。经过传感器采集土壤里湿度信号，判断是否需要浇灌。③A/D模块：因为可编程控制器不能接收模拟信号，所以需将传感器电压或电流信号转换成数字信号。④变频器：经过改变电动机转速调整喷灌流量，达成节水目标。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压力。⑥电磁阀：控制喷头喷灌是否。⑦喷头：实现均匀喷洒，便于充分吸收。⑧管网：浇灌系统输送水管路。智能浇灌控制系统结构采取了能够无限扩展开放式设计思绪，并采取先进集木式构建。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。所以本系统能够依照用户需求，方便快速地组建智能浇灌系统。用户只需增加各级控制设备数量即可实现整个系统无限扩容。本系统可适适用于小到某块棉田自动浇灌，大到整个兵团全部作物地块，包含绿地自动浇灌。而且系统容量越大，平均投资成本愈低，生产效率也越高。本系统遵照了以下设计标准：1、系统模块化、层次化设计，以提升效率，增加可维护性，便于扩展；2、灵活硬件配置，用户能够任意升级、更换被控硬件设备，而不需要更换软件；3、人机界面友好，实现浇灌过程无人值守，降低人员工作强度，提升浇灌效率；4、抗电磁干扰能力强，确保系统在野外强电磁干扰恶劣环境下能可靠地运行；5、故障自动检测功效，提升系统健壮性，各种设备布局要求美观。智能浇灌控制系统通信方式系统上行数据与下行数据均采取了基于广域网先进无线传输方式进行传输。上行数据包含：空气温度、湿度；土壤温度、显度；电磁阀及各控制器工作状态等信息。下行数据是指中央计算机向各控制单元发出各种控制指令，包含电磁阀开关指令；各工作单元状态查询指令以及对各控制单元参数预设等。因为采取了先进无线数字网络，所以本系统能够快速地任意规模地构建而且不受时间、空间和其它条件限制。无线数字网络还具备误差小、抗干扰能力强、成本低、便于扩展等多个优点，使无线数字网成为智能浇灌系统首选组网方式。无线通信技术使用，拓宽了控制器应用范围，只要有没有线信号覆盖地域，都能够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互动性，系统还具备自动报警功效，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，方便快速地定位并排出故障。智能浇灌控制系统软件设计软件是控制系统灵魂，需要与硬件配合，将实时数据与教授系统设定值进行比较判断，来控制电磁阀开启和延续时间长短，实现智能控制。中央控制室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放和自动备份，并能依照定制条件进行查询。本系统能够实现全自动、无人值守数据处理，并预留WEB接口，远程用户能够经过浏览器查询关于浇灌信息。本系统采取了图形用户界面，用户操作简单方便。实时或定时采集田间土壤水分、土壤温度、空气温湿度等数据，均能够实时地以图形或者表格方式在中央控制计算机上显示。用户能够经过图形界面设定每个地块浇灌策略，实现定时、定量无人值守自动浇灌。从数据传递路径可将本系统分为三个层次，即数据聚集层、数据处理层、数据应用层，如右图所表示：智能浇灌控制系统集群控制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。土壤湿度传感器通常是采集土壤水份含量大小，也叫土壤水分传感器。本系统选取世界最先进土壤水分传感器，它把土壤水含量转化为标准电压信号，经过A/D转换、信号处理后传到集群控制单元，微电脑处理器依照取得土壤信息确定浇灌量，然后输出控制信号并结合中央计算机指令，控制电磁阀开关，即能够实现自动浇灌。土壤湿度传感器用来测量土壤湿度，以了解土壤真实浇灌需求，据此确定浇灌是否以及浇灌时间长短。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值检测，方便控制自动营养液配给。系统控制方式灵活性浇灌控制系统，具备多个浇灌控制方式：系统能够脱离上微机而常年独立运行，有手动浇灌，自动连续浇灌，自动间隙浇灌等不一样浇灌方式，系统能够任意设定轮灌组，每个轮灌组能够设定按照任意天间隔进行浇灌，天天能够设定多组不一样开启时间。供电系统遵照方便、稳定、可靠标准，结合气候条件，本系统各个控制单元均采取了现在最先进太阳能设备，用于供给控制单元电能。太阳能电站具备能效转换高、维护成本低、布署方便等很多优点，成为本系统田间供电最理想选择。考虑到长时间阴雨天气、太阳能系统需要检修等特殊情况，作为太阳供电系统备份，使用了风能发电装置，作为供电系统必要补充。六要素气象站

因为气象条件空间变异特征显著，所以在示范区内配置气象数据监测仪器，自动采集所需气象数据，作为当地气象参数补充。自动观察气象站是由一个能自动测量、统计与存贮数据统计仪与一套对应传感设备所组成一个气象观察统计系统，该站安装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。智能浇灌控制系统功效为了最大程度地节约喷灌用水和实现智能控制，浇灌系统必须具备以下功效：1.数据采集功效：可接收土壤湿度传感器采集模拟量。模拟量信号处理是将模拟信号转变成数字信号（A/D转换）。2.控制功效：具备定时控制、循环控制功效，用户可依照需要灵活选取控制方式。①自动控制功效：可编程控制器经过程序将传感器检测湿度信号与预先设定标准湿度范围值相比较，假如检测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）则自动调整电动机转速，进行浇灌操作。②定时控制功效：系统可对电磁阀设定开、关时间，当浇灌湿度值达成设定湿度值时，电动机自动停顿浇灌。③循环控制功效：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、浇灌时间、停顿时间，系统按设定好时间自动循环浇灌。3.变速功效:当前所测土壤湿度值与预先设定最适宜草坪生长湿度值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。变频器依照土壤湿度三个状态自动调整电动机转速，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.自动转停功效：控制系统依照土壤干湿度情况自动开启喷灌，控制电动机以所需转速转动，喷头喷灌5分钟，停2分钟，再喷5分钟后自动停转。5.电动机过载保护功效：当电动机过载时，电动机立刻停顿转动，浇灌过程中止，而且故障指示灯闪烁报警，过载消除后自动恢复运转。6.阴雨天自动停顿：利用湿度传感器开关量作为一个可编程控制器输入信号，实现控制相关程序功效。7.省电功效：定时控制器在断电时正常计时，故采取其作为可编程控制器电源控制。在定时浇灌控制时间之内，由定时器接通可编程控制器电源，可编程控制器按预先编制程序依次打开各控制设备电源，并依照输入信号改变随时调整程序执行。在非系统工作时间里，定时器自动断开可编程控制器电源，这么既降低了系统花费电能又延长了设备使用寿命。8.急停功效：当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，电动机立刻停顿运转，阀门关闭，喷头停顿浇灌。9.故障自动检测功效：当浇灌系统出现故障，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，水泵立刻停顿运行，电磁阀关闭，故障报警灯闪烁并伴有警笛声响起。操作人员能够按下“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顿闪烁。微机控制微机控制系统可广泛应用于农业或园林浇灌系统自动控制或手动控制。伴随当代农业及园林业发展，伴随水资源不停升值，传统浇灌方式正在被当代智能型微机控制浇灌系统所取代，与传统浇灌方式相比，TLG-2型智能浇灌控制系统有以下优点：a．微机控制喷灌和滴灌，大大节约日趋宝贵水资源，具备巨大社会效益和经济效益。b．依照植物对土壤水份需求特点设定不一样浇灌方式，使植物按最好生长周期生长，达成增产增收目标。c．自动浇灌，大大节约人力资源，提升劳动生产率。智能浇灌控制系统意义智能浇灌系统不但能够提升源利用率，缓解水资源日趋担心矛盾，还能够增加农作物产量，降低农产品成本。基于传感器技术智能浇灌系统是中国发展高效农业和精细农业必由之路。附录---托普物联网介绍托普物联网是浙江托普仪器有限企业旗下主要项目。浙江托普仪器是国内领先农业仪器研发生产商，依据本身在农业领域研发实力，和自主研发配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合当代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化产品与端到端处理方案。主要有：大田种植智能处理方案、畜牧养殖管理处理方案、食品安全溯源处理方案、食用菌种植智能化管理处理方案、水产养殖管理处理方案、温室大棚智能控制处理方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包含三大层次，即感知层、传输层和应用层。所以托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据本身研发优势，开发了多个模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备能够完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测功效。2、终端模块：即终端智能控制系统。它能够完成整个园区或远程控制异地园区进行自动浇灌、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是经过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既