（农业电气化与自动化专业论文）智能灌溉控制系统开发.pdf

摘要 本文是紧密结台国家“8 6 3 ”课题“作物水分信息采集与精量控制用水技术研究与开发”完成的。作 为其子课题，本文主要完成了智能灌溉控制系统的设计与开发。 本文根据国内外灌溉自动化技术的研究现状与发展趋势，结合课题需要，确定了本文的研究内 容。先按照s p a c 理论以及现有技术条件，选择了土壤水分作为本文的采集与被控对象；并根据其 特点，选择了模糊控制方法对其进行控制：在此基础上，规划了本文智能灌溉控制系统的具体功能 要求；并对其进行了总体设计，研制了与之配套的硬件设备。然后在介绍了模糊控制器基本原理及 设计方法的基础上，本文设计了一个土壤水分模糊控制器。最后开发了整个系统的软件。 本文开发的智能灌溉控制系统实现了土壤水分采集、监测、决策与控制等功能。整个系统基于 4 8 5 总线通讯技术，以t 控机为中心，通过总线进行数据的采集与控制命令的输出，从而降低了干 扰，提高了系统的可靠性。系统已投入实际使用，运行至今己近一年时间，情况良好。验证了整个 系统设计上的合理性与可靠性，达到了系统预期的设计要求。 关键词：节水灌溉，自动控制，模糊控制，工控机 a b s t r a c t t h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ef o u n d a t i o no fn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f c o r p sw a t e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r e c i s e l y c o n t r o l l e di r r i g a t i o nt e c h n o l o g y a sap a r to ft h ep r o j e c t ， a ni n t e l l i g e n ti r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yd e v e l o p p e d b a s e d0 1 1t h er e q u i r e m e n t so fp r o j e c t , t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ep u t t e df o r w a r da c c o r d i n gt h ei r r i g a t i o n a u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y ss t a t u so fr e s e a r c ha n dt r e n d so fd e v e l o p m e n ta l lo v e rt h ew o r l d a tf i r s t ，s o i l m o i s t u r ei n d e xi ss e l e c t e da st h ec o l l e c t e da n dc o n t r o l l e do b j e c ta c c o r d i n gt h es p a c t h e o r ya n dt e c h n o l o g y c o n d i t i o ni n e x i s t e n c e ；a n df u z z yc o n t r 0 1m e t h o di ss e l e c t e d f o ri t s c h a r a c t e r i s t i c ；t h e nt h ed e t a i l e d f u n c t i o n sa r ed e s i g n e df o rt h ei n t e l l i g e n ti r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；a n dah o l i s t i cd e s i g ni sc a r d e do u t ，a h a r d w a r ee q u i p m e n ti sd e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h er a t i o n a l ea n dd e s i g n i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，a f u z z yc o n t r o l l e rf o rs o i lm o i s t u r ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h es o f t w a r ef o rt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m i sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a sr e a l i z e dm a n yf u n c t i o n ss u c ha sc o l l e c t i o n ，m o n i t o r , d e c i s i o n - m a k i n g , c o n t r o la n ds o o n b a s e do nt h ec o m m u n c t i o nt e c h n o l o g yo f4 8 5b u s ，a n dm a k i n gt h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ra si t s c e n t e r , t h es y s t e mr e a l i z e dc o l l e c t i o no fd a t aa n do u t p u to fc o m m a n dt h r o u g ht h eb u s ，t h u st h es y s t e m s d i s t u r b a n c ei sr e d u c e da n dr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d t h es y s t e mh a sb e e nw e l li nu s en e a rt oo n ey e a r i t s h o w st h a tt h es y s t e m sd e s i g ni sv e r yr a t i o n a la n dt r i e d ，a n dt h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e m e n t so fs y s t e m w h i c ha r ea n t i c i p a t e d k e yw o r d s ：w a t e r - s a v i n gi r d g m i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，i n d u s t r i f lp e r s o n a lc o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获锝中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：郭正碜 时间： 三。占年占月，争日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：郭正琴 时间： 扣年占月，日 导师签名 翟西 时间：一多年占月，驴日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 水是一切生命过程中不可替代的基本要素，也是维系国民经济和社会发展的重要基础资源。 过去，人们认为水是取之不竭、用之不尽的天然资源。因为在那些年代，科学技术不够发达，经 济发展不够迅速，人口数量少，人们对水的使用总是很随意，水资源似乎总也用不完。随着科技 不断进步，经济高速发展，生产力极大提高以及人口只增不减，水资源危机开始显现并日渐明显。 目前，水资源危机已成为世界各国面临的共同挑战。我国作为经济高速发展、世界上人口晟 多的国家，面临着更为紧迫的压力。我国虽然从总体上水资源量有2 8 万亿n ，居世界第6 位 但人均年占有量只有2 2 0 0 m 3 ，仅相当于世界平均水平的1 “，居世界第1 2 1 位，被联合国列为世 界上1 3 个严重缺水国家之一。预计到本世纪三十年代，我国人口达到1 6 亿高峰时，人均水资源 量将下降到1 7 6 0 m 3 ，将逼近目前国际上公认的1 7 0 0 m 3 的严重缺水警戒线1 1 j 。另外，我国水资源 时空分布严重不平衡，全年降雨主要集中在7 、8 、9 三个月，降水东南多茜北少，山区多平原少， 与我国国民经济发展的布局严重错位，区域性和季节性缺水严重。再加上我国水质严重恶化，加 剧了水资源的紧缺程度口】。水资源短缺已成为制约我国国民经济和社会发展的瓶颈。 而农业是我国的用水大户，占全国总用水量的7 0 ，北方还高达8 0 ，其中有9 0 是灌溉用 水。农业灌溉为我国以占世界加的耕地养活世界2 2 的人口提供了粮食保证。但近年来，我国 北方许多地区水资源开发己接近极限。由于缺水出现了河道断流、地下水位下降、水土流失、草 原萎缩、荒漠化、沙化等，生态环境日益恶化1 3 j ，严重威胁到我国农业乃至国民经济的可持续发 展。我国农业一方面干旱缺水，另一方面农业灌溉水浪费却十分严重。目前我国渠灌区水的有效 利用率只有0 4 左矗，井灌区也只有0 6 左右，单方水生产粮食仅有1 0k g 左右。而一些发达国 家水的有效利用率可达0 8 以上，单方水生产粮食大体都在2 0 k g 以上，其中以色列已达2 3 2 k g 4 1 。 可见我国农业水资源浪费极其严重，在缺水现象的背后隐藏着巨大的节水潜力。 近年来，我国水资源严重紧缺闯题得到了党中央、国务院各级领导人的高度重视。为解决缺 水问题，党的十五届五中全会明确提出要建立节水型社会，大力发展节水技术。农业作为我国用 水最多的产业，也是节水潜力最大的产业，是节水的关键。因此，我国解决水资源紧缺问题的根 本出路是发展节水农业，深入研究、大力发展和推广高效节水农业技术。 随着节水农业技术研究的不断深入和微电子技术、计算机技术、通信技术和自动控制技术的 飞速发展，将计算机等高新技术与传统农业节水技术相结合成为现代高效节水农业技术的发展趋 势，节水灌溉技术日益走向智能化、精准化、可控化，以满足现代农业对灌溉系统管理的灵活、 准确和快捷的要求。作为现代农业重要组成部分的灌溉水管理技术也得到了迅速发展。近年来灌 溉管理自动化已成为世界先进国家发展高效农业的重要手段阁，灌溉水管理技术正朝着信息化、 自动化、智能化的方向发展。通过采用遥感、遥测( 监测) 土壤墒情和作物生长状况等新技术。 对灌溉用水进行监测，作出灌溉预报，实现水资源的自动控制，做好节水灌溉与节水管理，达到 灌区农业的高效用水。 以色列、日本、美国等国家已采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发 中国暾业大学硕士学位论文 第一章绪论 展，对灌溉用水进行监测预报，实现灌溉用水管理的自动化、动态管理。我国自“九五”期间以来， 国家和地方政府高度重视节水灌溉工作，加大了投资，积极引进国外先进灌溉技术，研究、推广 和应用了多种适合中国国情的农业设施。节水灌溉工作无论从规模上还是从技术上都取得了很大 的进展【t ”。但由于我国现代化的设施农业起步比较晚，目前仍大多数局限于节水灌溉工程措施的 推广和应用。与节水发达国家相比，我国灌溉管理存在着水平低、方法落后等问题。其主要原因 是缺乏配套硬件设备与先进管理控制技术，特别是测控系统的自动化水平不高【8 j 。因此，我国要 提高农业灌溉水利用率和利用效率，实现灌溉管理自动化，除了继续推广适合国情的农业设旆外， 还必须研制先进的灌溉自动控制系统及采用合理的灌溉控制方法。 1 2 国内外灌溉自动化技术研究现状 1 2 1 国外研究现状 水资源危机迫使世界各国积极探索行之有效的节水途径和措施。美国、以色列和加拿人等 些国外先进国家，是较早开始运用电子技术、计算机技术和控制技术开发节水灌溉控制系统的国 家。这些国家经过数年的摸索、研究、开发与实践，灌溉系统从最初的水力控制、机械控制，到 后米的机械电子混合控制，再到当前广泛应用的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，其控 制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。到目前为止，发达国家已 开发并制造了系列用途广泛、功能极强的数字式灌溉控制器，并取得了广泛应用。 3 0 年前，农田灌溉几乎全靠人工控制，自动化控制技术还未应用到灌溉t 程中。真正的自动 控制灌溉源于以色列。以色列是一个水资源严重匮乏、耕地少和干旱贫瘠的小国。为了发展节水 农业，并出于中东安全的考虑，以色列人想出通过自动控制技术在家里控制农田灌水，并减少由 于武装冲突带来的危险。最初的灌溉控制器是一个简单的定时器。它根据经验设定时间，决定何 时自动灌溉。随着电子技术和计算机技术的发展，出现了通过监测土壤水分信息决定灌溉的控制 器，它能使灌水和施肥同步进行，并且当某些参数越限或某台排灌机械出现故障时自动报警。随 着农业对自动化程度要求的提高，以色列推出了一种灌溉用的可编程逻辑控制器( p l c ) ，这种 p l c 能把不同的网络连接到同一计算机上进行数据采集和处理。随着传感技术、通讯技术以及人 工智能的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器通过不同的传感器采集各种信息， 然后通过i n t e m e t 网、远程控制、g s m 模块等把数据传输到计算机，再通过计算机中的一些模型 处理采集到的各种信息，最后作出灌溉决策。 以色列最大的农业计算机控制系统生产厂家e l d a r - s h a n y 自控技术公司，近年来开发了一系列 可编程控制器如e l g a l ，2 4 、e l g a l 一1 2 、e l g a l 一8 ，通过更换不同型号的p l c ，可对不同规模的灌溉 对象进行数据采集和控制输出。该公司开发的大型农田灌溉计算机控制系统( e l g a l a g r o ) 是目前 农机控制领域最先进的控制系统，可通过不同的通讯方式从任何距离自动、精确地实施灌溉、施 肥以及过滤器反冲洗等工作，适用于较大面积的农田、农场、果园、草场、公园绿地等灌溉项目。 开发的温室控制器( e l g a l 2 0 0 0 ) 可对温室气候、灌溉、施肥和排水进行联合控制；g a lc o m p a c t 型控制器有8 - 3 2 个输出控制，可交直流两用，系统紧密、经济，适合中规模农田、果园和温室等 规模的灌溉项目。这些系统采用三种控制连接模式：多电缆连接控制模式、单电缆连接远程控制 2 模式和无线远程控制模式。其中第一种控制模式是最普通的控制模式，这种系统中每一个控制设 备需要通过一根独立的控制电缆接入控制器。适用于距离短，连接无障碍的情况。第二种控制模 式则通过同一根电缆可以连接6 4 个远程控制单元，每一个远程控制单元安装在距离控制设备较近 的地方来控制设备的运行。适用于控制设备距离远，分布不规则的系统。第三种控制模式通过无 线电通讯将远程控制单元连接起来，每个无线远程控制单元安装在距离控制设备较近的地方来控 制设备的运行。适用于有电缆铺设障碍的情况。 而在美国，b e n a m i 和o f e n ( 1 9 8 4 年) 9 1 开发了一套通过监测土壤水分确定是否打开灌水阀 门的灌溉控制器。p h e n e 等( 1 9 7 3 年) 1 0 1 、p h e n e 和h o w e l l ( 1 9 8 4 年) 【1 1 】、p h e n e ( 1 9 8 9 年) 【1 目 均以土壤湿度为被控制量，通过把所采集到的土壤湿度与设定值比较决定是否灌溉，同时土壤湿 度值反馈给控制系统形成闭环控制，从而使作物根部保持一定的湿度。这些系统经运行得出结论， 系统运行得好坏主要取决于四个方面：系统的硬件设计、系统所采用的算法、传感器的可靠性、 电磁阀和压力调节装置以及流量计、过滤器等设备的性能。1 9 9 0 年f a n g m e i e r 等人1 1 “采用红外线 热电偶测+ 壤温度，同时联合空气湿度、土壤湿度，研制了一套多参数因子综合决策灌溉的控制 器。p h e n e 等人 1 4 1 于1 9 9 2 年通过计算作物蒸腾量，确定作物需水量，设计了一种滴灌控制系统。 加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功的自动化灌溉产品。其中比较有代表 性的如澳大利弧h a r d l ei r r i g a t i o n 公司的灌溉控制器，己形成m i c r o m a s t e r t m 、r a i n j e t 等多个系列， 几十种型号的产品。其中h r 6 1 0 0 系列成本较低，是一种小型的自动灌溉控制器，主要面对家庭 庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉；而m i c r o m a s t e r t m 系列产品是h a r d i e 公司为进行大面积灌 溉而开发的。这些产品采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其 子控制器进行控制，并能随时监控灌溉系统的工作状况。 近几年来，随着人工智能、模糊逻辑和神经网络等新兴学科迅猛发展，人工智能技术、模糊 控制技术和神经控制技术开始应用于节水灌溉控制过程，并显示出了广阔的应用前景。通过应用 专家系统、模糊逻辑及神经网络对温室环境参数进行建模、预测，作出控制策略，使环境参数控 制在合适的数值范围，以利于作物生长。其中模糊控制和神经网络在灌溉控制器中的应用较多。 一般以土壤水分和作物蒸腾量为输入量，经模糊化后输入到模糊控制器，模糊控制器经模糊规则 决策得出模糊输出，再把该模糊输出精确化传送给执行机构，控制电磁阀动作。如果系统使用模 糊控制不能得到满意的结果，则可通过神经网络优化控制规则，以达到更精确的控制效果。 h a w k i n s 和b u t t 于1 9 9 0 年1 1 5 i 应用人工智能与植物学、土壤学、水利学等知识相结合，开发 出一套农田灌溉管理专家系统。r i b e i r o 和y o d e r 于1 9 9 7 年【1 6 j 使用模糊逻辑建立了一个利用太阳 辐射和空气相对湿度来估算作物蒸腾最的模型，经模型估算出的作物蒸腾量与p e n m a n - m o n t e i t h 方法计算结果进行比较，结果相关性良好。在此基础上，r i b e i r o 【1 。1 以土壤湿度和作物蒸腾量为输 入数据，研制了一套基于模糊控制的实时灌溉系统。为了使系统的控制更加精确，m c c l e n d o n 等 学者( 1 9 9 1 年) 【1 应用神经网络对常规控制器的输出进行了优化，利用每天的环境参数和作物 的状态变量训练神经网络，再用训练过的神经网络预测灌溉量。1 9 9 3 年k o c h 研究认为，在作物 生长过程中，神经网络能使系统在不同的时间按需分时灌水。1 9 9 6 年，w i l l i a m s 和z a z u e t a 研究 了如何用最少的天气信息通过神经网络的优化来预测豌豆的灌溉，结果表明：神经网络能用来确 定灌溉计划。系统根据天气状况首先确定蒸腾量，然后把该蒸腾量输入到一个神经网络去预测灌 溉需求。 1 9 1 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 国内自2 0 世纪7 0 年代以来就非常重视灌溉设备的研制，但引进较多，自主开发且有影响的成 果较少。灌区灌水自动控制技术在“九五”期间才真正开始研制，并进行示范。目前灌溉控制设备 大多还处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用较广的灌溉控制器还不多见。 我国开发的代表性产品，如：2 0 0 0 型温室自动灌溉施肥系统 2 0 1 ，是由国家“九五”科技攻关计 划资助，中国农业机械化研究院联合多家单位自主研发的。该系统结合我国温室环境和实际使用 特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施 肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。具有手动、自动等多种控制模式，使用方便 灵活。经在北京、大连等示范区投入使用，效果很好，取得了一定的社会和经济效益。天津市水 利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统1 2 1j ，采用了先进的可编程控制技术，实现对阀 门进行智能控制，具有手动、自动( 条件、定时、定量) 控制灌溉施肥功能。系统功能齐全、界 面友好、操作简便、性能稳定可靠，可广泛应用于蔬菜、花卉等作物的灌溉施肥智能化控制，已 形成系列化产品。北京澳作生态仪器有限公司开发的智能节水灌溉控制系统【捌是一个灌溉管理系 统。可收集、记录、分析土壤水分、气象及其它各种传感器数据，从而确定最佳灌溉和施肥量， 并准确控制施加灌溉量和施肥罱。系统控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计 算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心 计算机上。 毛慎建、张文革等幽j 早在1 9 9 4 年就设计了一个以8 0 3 1 单片机为核心的全自动灌溉控制系统， 是多通道十壤水分检测、多路控制灌溉的闭环系统，具有合理的任意设定周期、多路定时控制灌 溉功能。系统设计为模块化结构，可根据应用不同进行组合。系统在犬兴安岭林区温室和北京航 空航天大学体育场得到了应用，情况良好。随着计算机、自动控制及通讯技术的发展，许建中( 1 9 9 5 年) 2 4 1 在大规模灌溉工程的计算机监控系统中采用了分散功能和集中管理，各局部系统( r t u ) 都能独立工作，各r t u 之间的信息可通过高速数据通道进行联系。其控制方式包括时间控制、水 量控制、时间水量综合控制等。系统己成功地应用于山东两处大面积果树微喷灌工程上。刘叶飞、 陈志刚( 1 9 9 9 年) 2 5 1 根据农业灌溉系统的特点，提出了一种开关控制和模糊控制相结合的双模控 制灌溉方案，采用8 0 3 1 单片机实现，经安装调试投入实际应用，各项性能指标均能达到设计要求。 朱张青、曹成茂( 2 0 0 1 年) 【拍j 针对现有节水灌溉系统的缺陷，研究了一种适用面，1 、基于多单片 机工作机制下的节水灌溉计算机监控系统。该系统具有能与现有各种节水灌溉方式配套、进行全 方位科学监控，以进一步提高节水效果的特点，而且稳定可靠。2 0 0 2 年，针对喷灌节水工程，冯 同普 2 7 1 研究开发了一套全自动喷灌系统的软件，该软件包括测控软件和管理软件两部分。其中测 控软件根据硬件特点，采用c 语言编程，完成了气象数据、土壤湿度、灌溉水量等动态数据的实 时检测与数据打包、存储，数据通讯，灌水方案控制指令的接收，运行状态的监视以及喷灌设备 的控制；管理软件则采用微软推出的v b6 o 编程，完成数据分析、灌溉预测预报、发出灌溉控制 指令等。系统集计算机自动监测与控制、作物蒸腾蒸发、农田水分调控、灌溉预测预报等多项高 新技术与科研成果于一体，具有较高的科技含量和科技水平，为灌溉预报、科学灌溉专家系统的 进一步开发、研究奠定了基础。同年，吴军辉、徐立鸿【”】针对滴灌节水工程，研究开发了一套智 能节水滴灌控制器，控制器基于p h f l i p sp 8 9 c 5 1 r d 2 高性能单片机进行设计。经在上海南汇和松江 4 中国农业大学硕上学位论文 第一章绪论 农业示范园区实践应用，表明该智能滴灌控制器具有较高的性价比和自动化程度，节水效果明显。 随着人工智能、模糊逻辑、神经网络等新兴学科的发展，近年来，我国应用这些新兴技术在 灌溉管理、精量灌溉控制、灌溉预测预报等方面的研究开发工作空前活跃。夏继红、严忠民等( 2 0 0 1 年) 2 9 1 基于农田灌溉用水管理的复杂性和实时性，研制了一个农田灌溉决策支持系统。该系统根 据采集的土壤墒情、作物旱情、水源水情等信息，进行计算、分析、决策，作出灌溉预报，确定 精确的灌溉时间和最佳的灌溉水量，再利用决策结果对灌溉设备进行自动控制与监测。系统成功 应用于江苏省锡山市安镇农业现代化示范区。针对我国当前灌区的管理现状，卢麾、田富强等 ( 2 0 0 2 年) 3 0 l 通过先进的科技手段，研制了一个基于遗传算法和g i s 技术的灌溉决策支持系统， 该系统由灌区信息管理模块、田闯灌溉模拟模块、优化配水模块和g i s 模块等组成，具有一定的 智能性、通用性和可扩展性，界面友好，易于操作，为提高灌溉用水效率利灌溉管理水平，发展 节水农业和精准农业，实现农业的可持续发展提供了一个可行的途径。为了提高绿化用水的利用 率，姜文峰、郑文刚等( 2 0 0 5 年) j 设计了一个城市绿地自动化节水灌溉系统。系统上位机与 下位机采用g s m 短信或4 8 5 总线方式通信，通过各种传感器实时采集灌区土壤水分、土壤温度、 空气温湿度、静辐射、风速等植物生长的环境数据，在上位机形成原始数据库，并通过专家知识 系统决策是否灌溉及灌水量多少，从而达到节水灌溉的目的。目前，该控制系统已在北京海淀区 苏家屯绿地精确灌溉节水示范区、北京南五环京开立交桥高速公路中央隔离带及北京大兴庞各庄 温室中应用。张兵、袁寿其等c 2 0 0 3 年) 3 z l 、江明、陈其工等( 2 0 0 5 年) p 3 1 分别设计了一个模 糊推理系统确定作物需水量，用于指导灌溉。系统均以作物蒸腾量和土壤水势为输入，作物需水 量为输出，通过模糊推理，能快速、准确地计算出作物的需水量，在灌溉管理工程中很有实用价 值。靳兆荣、徐敏杰等( 2 0 0 4 年) p 4 j 根据灌溉对象的特点，应用模糊逻辑，设计了一种全自动 模糊智能节水灌溉控制器，该控制器能根据检测到的土壤含水量和作物的需水情况进行模糊决 策，从而实现全自动智能灌溉。已成功运行于安徽曲阜示范区，收到了较好的社会和经济效益。 1 3 存在的问题及发展趋势 经过多年的研究、开发与实践，国外灌溉控制器己逐步趋于成熟、系列化。先进国家生产的 灌溉控制器已不仅能满足本国需求，还远销国外。我国在灌溉控制设备的技术开发方面，远落后 于发达国家的水平。目前，我国使用的节水灌溉控制设备许多都是从国外引进，有相当多的示范 点取得了显著的成效，产生了较好的社会和经济效益。进口的灌溉控制设备质量好，品种多，功 能齐全，但价格也相当昂贵，加上由于没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源和农民经济状 况等实际国情，因此国外灌溉控制器在我国应用并不普及，这就大大制约了我国农业节水灌溉的 发展。我国白“九五”以来，虽然有多家单位研制灌溉控制器，但大多属于试生产或小批量生产阶 段，还没有形成规模，产业化和社会化程度较低，且技术性能还有待于在实际使用中检验和提高， 这些灌溉控制器远远不能满足我国农业节水灌溉的需要。究其原因- - n 是开发性能完善的灌溉控 制系统不仅需要大量的人力、物力的投入，还需要多部门、多学科的融合，这在一定程度上限制 了性能完善、适应性强的控制器的开发。其次是现在开发出来的灌溉控制器价格昂贵，农民尽管 知道能节省人力、灌溉用水和提高产量，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这在一定 程度上也限制了灌溉控制器的普及。 5 综上所述，国外的灌溉控制设备虽然性能优越，但价格昂贵且有些产品不符合我国国情。而 我国对灌溉控制设备的研制由于起步比较晚，技术还很不成熟，仅有的研制出的产品也因物以稀 为贵，价格脱离了农民所能承受的范围，这些情况都大大制约了我国现代节水高效农业的发展n 随着我国农业现代化进程的加快、农业结构的调整和我国加入w t o 等现状，以及计算机技 术、通信技术和自动控制技术等的迅速发展，专家预言，精量控制灌溉技术将成为我国未来农业 工程的主要研究方向和热点m l 。通过将土壤墒情信息、作物水分动态信息、作物生长信息等采集 手段相结合，运用模糊神经网络技术、计算机技术、通讯技术和自动控制技术等，建立具有监测、 传输、诊断、决策、自控功能的作物精量控制灌溉系统，实现灌溉自动化。将是今后节水灌溉管 理的发展趋势p q 。 1 4 本课题的研究内容 为加快我国现代节水农业技术体系的建立，促进农业节水技术水平的提升。实现节水农业产 业的跨越式发展，科技部、水利部和农业部启动实施了叫一五”国家重大科技专项“现代节水农业技 术体系及新产品研究与开发”。其子项目“作物水分信息采集与精量控制用水技术研究与开发”( 国 家“8 6 3 ”课题，项目编号：2 0 0 2 a a 2 2 4 0 7 1 ) 由中国农业大学传感器与检测技术研究所承担。作为 叶f 物水分信息采集与精量控制用水技术研究与开发”的子课题，本文主要进行了智能灌溉控制系 统的设计与开发。其主要研究内容为如下； 1 研发对作物需水信息进行实时采集、监测与控制的硬件设备； 2 研究合理实用的作物需水信息控制方法； 3 作物需水信息控制方法的软件设计与实现： 4 开发具有采集、监测、决策与自控功能的智能灌溉控制系统。 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章智能灌溉控制系统的硬件设计与实现 第二章智能灌溉控制系统的硬件设计与实现 2 1 系统概况 中国水科院水利所节水中心( 后称“水科院水利所”) 精量灌溉试验区，是国家 8 6 3 颂目子课 题“智能化精量灌溉预报与决策软件”的试验地，位于该所在北京大兴的试验站。精鼠灌溉试验区 总面积1 5 2 7 2 m 2 ，内部均匀分布3 5 个4 m x 4 m 的小区。试验区原装有一套手工控制的灌溉系统， 为了适应课题项目需要、减少系统管理费用以及提高灌溉管理水平等，该所节水中心决定对原系 统进行改造，在精量灌溉试验区建立一套智能灌溉控制系统。 精量灌溉试验区的组成和管线分布如图2 - 1 所示，节水中心选取了其中的3 0 个小区进行改 造。为了描述直观，本文对试验区内需要改造的小区进行了编号( 0 1 3 0 ) 。试验区南北走向总干 管采用中5 0 钢管，其上南端装有1 个中5 0 雨鸟电磁阀，北端装有1 个中5 0 手动闸阀，这两个 阀在整个试验基地中起分流作用，使水流进入精量灌溉试验区。同时对后面设备可起保护作用； 东西走向支管采用中4 0 钢管，共有3 根支管，每根支管装有2 个中4 0 手动闸阀，在本试验区起 分流作用，同时也对后面设备起到一定的保护功能；支管入每小区加接了一些管道连接件( 四通、 对丝等) ，再装一虫4 0 手动闸阀，实现对每一小区供水。试验区以东大约5 米处是节水中心控制 室，室内放置一些试验仪器以及控制设备等。东南大约1 5 0 米处是整个试验站的泵房，泵房内是 供水系统，装有水泵一台，同时配有一台l 3 0 0 p 型日立变频调速器，实现对水泵、管道等设备恒 压控制。 旧：h： e 丽瓣；醅0 2 菇瓣0 40 5 瓣瓣0 6 西 o _ 7 = f 酪 r l ” f 孓 0 9 瞄；嗣；1 01 1 卓簪瓣1 2 南中北 ij 东 l1 3 瓣；嗣孓1 4 ：5 亨嗣莓央1 61 7 ；嗣蔡；霹孓1 8 ： i 1 9 ，i 鼙辞；又j 勰j 守母 ；f 摹2 22 3 桀= ；鼯2 4 ； 缸3 0 ，i i 变频器l i 嚣；瞬；酶 2 6 蘸每醇毋。s御幸筘 ；l ：li l _inel 亿 水伪 | 控制室 图2 4 精量灌溉试验区分布图 7 中国农业大学硕士学位论文第二章智能灌溉控制系统的硬件设计与实现 2 2 系统控制目标 本课题“智能灌溉控制系统开发”作为千f 物水分信息采集与精量控制用水技术研究与开发” 的子课题，根据国内外灌溉自动化技术的研究现状与发展趋势，并针对水科院水利所课题项目需 求及其精量灌溉试验区的具体情况，同时本着先进、可靠、准确、耐用、操作简便的原则，设计 并提出了本系统的控制功能及要求。 1 按照土壤植物一大气连续体( s p a c ) 理论，用以反映作物水分信息的指标可分为三类：土 壤水分指标、作物水分生理指标和气象指标。 长期以来，国内外众多学者对控制土壤水分指导灌溉做了许多研究，对各种主要作物形成了 指导农田灌溉的土壤水分指标，为合理灌溉提供了可靠依据，并在指导农作物生产中发挥了十分 明显的作用p ”。对于监测土壤水分，我国己开发出性能优越，价格远低于国外且适合国情的土壤 水分传感器及相关仪器。但灌溉的对象是作物，而不是土壤。土壤含水量不能及时、直接和客观 地反映出作物体内的实际水分状况。作物水分生理指标能反映作物本身的需水信息。但测定大多 需要人工测量，不能实时监测作物生理指标状况，难于满足现代节水农业灌溉自动化的要求。作 物环境气象因子也是诊断作物需水信息的间接指标。单项气象因子分析气象条件与腾发量( 需水 量) 的关系，是中外学者常用的方法。但气象因素对腾发量的影响是综合性的，并非一个因子单 独作用。因此，单因子法建立的模型在实际应用中误差会较大。另外，腾发量( 需水量) 与气象 因素之问的相关系数的大小在不同地区也会不同。而考虑各种气象因子计算作物需水量，虽然有 相关的采集设备，但成本较高，且计算作物需水量公式复杂，也难于满足本系统准确可靠的要求。 根据以上分析，为了满足系统准确性、可靠性、实用性要求，本文选用已相当成熟的土壤水 分作为本系统的采集与控制对象。通过实时监测与诊断土壤水分状况，实现灌溉自动化。 2 选择土壤水分作为控制对象，即选择了_ 卜壤作为灌溉的对象。而土壤是一个大惯性、非线 性、纯时延的系统p “”，无法对其建立一个精确的、统一的数学模型，传统控制方法受到了严峻 的挑战。而模糊控制不需要建立被控对象的数学模型，鲁棒性强【4 目，适合于非线性、时变、滞后 性系统的控制。因此，控制土壤水分选择模糊控制方法很适宜。 3 根据国内外灌溉控制系统研究现状与发展趋势，系统应具有采集、监测、决策与手动控制 与自动控制等功能；由于控制系统的工作环境比较恶劣，必须可靠性高，抗干扰性好，可跃期不 间断运行；要求控制具有实时性；此外，还应具有友好的人机界面，操作简便，便于维护。 4 水科院水利所已开发出一个“智能化精量灌溉预报与决策软件”( 后称“i p i c 软件”) ，需要 研制与开发灌溉控制的软硬件，实现对试验小区实施自动灌溉控制。 2 3 系统硬件总体结构 灌溉控制系统的结构多种多样，使得系统的控制要求和控制方案也千变万化。根据本系统的 规模、控制对象的特点和技术要求，本文系统方案选择采用计算机集中控制方式。 计算机集中控制系统是用一台计算机实现接收多个传感器的输入信号、输出多个控制信号、 运算和控制、操作监视等多项任务，完成多个回路的控制。这种控制方式便于集中监视、操作和 管理 4 3 1 。由此设计出本文控制系统的硬件总体结构，如图2 2 所示。 图2 2 系统硬件总体结构 整个系统的工作原理是通过土壤水分传感器感测现场的土壤含水量，传感器输出的模拟电信 号经a d 模块采集后将数据上传到计算机，计算机再将数据进行计算处理，进行灌溉决策，产生 灌溉指令并输出控制信号，再通过d o 模块控制执行机构，从而实现自动灌溉控制。a d 模块和d o 模块与计算机之间通过通信模块实现数据传输。 2 4 系统硬件设计与实现 2 4 1 系统硬件选型 ( 1 ) 计算机 灌溉控制系统的工作环境很恶劣，冬冷夏热。因此对控制系统的工作计算机要求很高，必须 具有可靠性高、抗干扰性强、可长期不问断运行等优点。工控机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ， i p c ) 就是一种专门为这种特殊工作环境而设计的计算机。 本系统的计算机选用了研华公司生产的i p c - - 6 1 0 p 工控机。其配置如下： 1 i n t e lp i l l1 0 gc p u ； 2 金士顿的1 2 8 ms d r a m ； 3 迈拓盒装的4 0 g7 2 0 0 p r m 硬盘； 4 8 个i s a 总线接口，4 个p c i 总线接口： 5 2 个串口，1 个并口，2 个u s b 口； 6 三星的光驱、软驱； 7 双飞燕的键盘、鼠标。 此外，还选用了飞利浦1 7 寸纯平显示器。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章智能灌溉控制系统的硬件设计与实现 ( 2 ) 传感器 本文选用了由本所即中国农业大学传感器与检测技术研究所研制的s w r 3 型土壤水分传感 器，如图2 - 3 所示。该传感器基于驻波率( s w r ) 原理开发，技术性能已与t d r 等相当，并有 一定的突破。输出信号为0 砣5 v 电压，精度在0 5 0 v 0 1 范围内为- - 2 v 0 1 ，电缆线长度可达5 0 0 m 。 图2 - 3s w r 3 型土壤水分传感器 ( 3 ) 执行机构 智能灌溉控制系统的执行机构包括：电磁阀、水泵( 变频器) 等。 1 电磁阀 本文选择采用美国雨鸟( r a i n b i r d ) 公司的电磁阀。根据水科院水利所精量灌溉试验区原 控制系统管道尺寸，选用了两种管径的电磁阀，型号分别为1 0 0 d v f 和1 5 0 p g a 。其中1 0 0 d v f 电磁阀用于给每小区供水，管径为中2 5 ，流量范围为0 0 5 9 0 8 m 3 h ；1 5 0 p g a 电磁阀接在支管 上用于分流，管径为垂4 0 ，流量范围为7 0 - 2 2 0 m 3 h 。试验区总干管上南端原装有1 个中5 0 雨 鸟电磁阀，型号为2 0 0 - p g a ，流量范同为1 2 0 3 4 0m 3 m ，其也需要控制。 2 水泵( 变频器) 水泵电机运转需要三相a c 3 8 0 v ，5 0 h z 电源供电。由于工作电源不稳定，即电压值或频率上 下波动，超过一定限值，容易损坏水泵和使管道等设备破裂。大兴试验站在水泵的三相电源前接 了一台变频器，以输出比较恒定的电压和频率，从而达到保护水泵和水路管道等设备的作用。 变频器型号为日立l 3 0 0 p 变频器，其支持多种控制方式，如：由控制端子控制启，停、由数 字操作器，远程操作器控制启，停、由r s 4 8 5 通讯端子控制启停等。大兴试验站已有一套自动控 制系统对变频器进行了控制，支持了以上所列的几种控制方式。 为了与原系统对变频器的控制不发生冲突，本文采用了使用最频繁的控制端子方式。先将变 频器控制方式设置为端子方式，再短接变频器的p 2 4 、f w 端子，即可启动变频器。 因此，选择了一个中间继电器，在p 2 4 、f w 端子之间连接一对常开开关触点，通过对继电 器的电磁线圈通电，断电，即可控制变频器启，停。 ( 4 ) 采集模块 s w r 3 型土壤水分传感器的输出是电压信号，但计算机并不能直接识别模拟信号，必须经过 模拟量输入通道，将模拟信号转换成数字信号，才能被计算机接收。 为提高系统的采集速度、精度以及可靠性，并缩短开发周期，本文选用了台湾泓格公司生产 的远程模拟量输入模块，型号为1 - 7 0 1 7 r 。它具有8 路差分信号输入：分辨率达到1 6 位，精度很 1 0 中周农业大学硕七学位论文第二章智能灌溉控制系统的硬件设计与实现 高；支持r s - 4 8 5 通信接口。另外这个模块还设计了特殊的过电压和防静电破坏的保护电路。 ( 5 ) 输出模块 计算机输出的信号是数字信号，不能直接控制电磁阀和继电器( 控制变频器) ，因此选择了 泓格1 - 7 0 6 7 d 继电器输出模块。其具有7 路常开继电器输出，基于r s - 4 8 5 总线接口与计算机通 信，输出量直接控制电磁阀和继电器动作。 ( 6 ) 通信模块 本系统的通信网络采用r s 4 8 5 总线方式。r s 4 8 5 标准采用平衡传输技术，允许多个设备“挂” 接在总线上，具有通信可靠性高，传输距离远的特点。为实现采集模块、输出模块与计算机的通 信，选择了泓格1 - 7 5 2 0 通信模块，实现r s 2 3 2 到r s 4 8 5 的协议转换，从而为工控机提供了4 8 5 通信接口。 ( 7 ) 电源设备 本系统需要的电源有两种，即：交流2 4 v 5 0 h z ，为电磁阀和继电器供电；直流2 4 v 为 s w r 3 型土壤水分传感器、采集模块1 - 7 0 1 7 r 、输出模块1 - 7 0 6 7 1 ) 和通信模块1 - 7 5 2 0 供电。 对于交流2 4 v 电源，选择了德力西公司的控制变压器，型号为b k - 2 5 v a 。其输入电压可为 2 2 0 3 8 0 v a c ，可输出四种电压：3 6 、2 4 、1 2 、6 3 v a c 。而直流2 4 v 电源则选用了朝阳电源公司 型号为4 n i c - x 7 2 工业级线性开关电源。其输入电压可为1 1 0 2 2 0 3 8 0 v a c ，输出为2 4 v d c ，3 a 。 此外，为给系统提供稳定可靠的工作电压，以保护系统硬件设备不易被损坏，在系统总输入 电源前加了一个单相高精度全自动交流稳压器t n d 1 0 0 0 v a 。该稳压器对交流2 2 0 v 电源可控制 在精度3 以内具有延时、过压、欠压及过流等保护功能，从而提高了系统的可靠性和安全性。 2 4 2 系统功能电路实现 ( 1 ) 供电电源 根据前面设各所需，对整个控制系统的供电电源实现如图2 _ 4 所示。 2 2 0 v a c 图2 - 4 供电电源 图中，设计号为q f 0 1 的元件是一个带漏电保护的断路器( 德力西d z 4 7 l e1 p + n ，3 0 a ) 。 其具有漏电( 触电、过载、短路) 等保护功能，迸一步提高了