农业灌溉智能化解决方案Word文档格式.docx
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（16）《通信局（站）接地设计暂行技术规范（）YDJ26-89）
（17）《计算机机房防雷设计规范》（GB500174-93）
（18）《雷电电磁脉冲的防护》（IEC1312-1，2，3）
（19）《低压电力配电系统的浪涌保护器》（IEC1643-1）
1.2项目范围、规模、内容与建设期限
1.2.1项目范围
本项目工程范围在xxx农场，总面积xxx亩。
1.2.2项目内容
在项目区xxx亩高效蔬菜水果园区内对xxx座水源首部泵站以及灌溉轮灌组电磁阀、土壤及空气环境参数进行数据采集、设备控制对灌溉用管路系统进行安装，对灌溉终端喷头、滴灌灌、顶喷管及喷头等进行安装。
具体内容有安装水泵电气控制柜、安装水位、压力传感器，安装远程水表，安装电磁阀、压力开关、各种传感器、布置控制电路和通信线路，安装终端控制单元，安装控制室总控计算机，安装控制范围内容的视频摄像机及其信号、控制、电源线路，安装控制室视频采集系统，开发整个系统控制程序等。
1.2.3建设期限
项目建设规划从xxx年xxx月开始实施，xxx年xxx月完工。
本工程总投资为xxxx万元，其中智控系统材料设备部分投资xxxx万元，设备安装费xxxx万元,临时工程费用xxxx万元，独立费用xxxx元。
项目资金70%由上级财政补助，xxxx由用户自筹。
1.4效益及经济评价
1.4.1经济效益
根据相关工程经验，工程建成后种植作物可增产30%以上；
作物品质得到明显改善，销售价格提高15%以上；
根据往期工程经验，喷滴灌工程实施后，每年每亩可节约5个工时，按每个工时100元计算，xxx农场智能化喷微灌工程每年可节省30万元灌溉费用；
相比人工控制喷灌和微灌的水泵运行、闸阀启闭来说，采用智能控制系统，不仅节省人工，更主要的是为精确实施作物灌溉模型、为远程控制、为农作物生长过程中灌溉模型的研究，提供了必要的基础设施，为xxx农场的农业生产向高科技要效益提供了可能。
1.4.2社会效益
通过项目的建设，可以稳定灌溉面积和大大降低人工灌溉的工作量，可以促进原有传统、粗放的农业灌溉方式向高效、精确的方向改变，对推进现代化灌溉和管理科学化，促进传统农业向现代农业转变，促进地区社会经济健康持续发展具有重要意义。
1.4.3环境效益
智能控制系统是在喷灌和微灌的基础之上实施的，它本身不产生环境垃圾，不对作物、周围环境有影响。
通过项目的实施，能够高效、精确控制整个灌区的作物用水，使水的供给变得合理和科学，用水量相对减少，渗漏水量相对减少，从而降低了局部地区的地下水位，同时也使局部地区的地下水、地表水的分布更加合理。
灌溉用水量的减少，可以增加土壤的透气性，有利于作物的生长。
同时，节约的一部分灌溉水量可以用于生态用水，对改善生态环境起着积极的作用。
综上所述，该项目经济技术可行。
2项目区基本情况
2.1自然概况
2.1.1地形地貌及土壤
xxx农场地处丘陵地带，但本项目区地形基本平整。
土壤属为黄化青紫泥水稻土，粘质土，PH值6.5左右，土层深度70cm左右，地下水位不大于100cm。
2.1.2气象概况
本区四季分明，冬夏季长达4个月，春秋季仅约2个月。
若以候平均气温10～22℃为春秋两季、＞22℃为夏季、＜10℃为冬季这一标准划分，一般是3月第六候入春，6月第一候进夏，9月第六候入秋，11月第六候入冬。
但西部山区冬季比平原要长1个月，而夏季则要短近2个月，春、秋季比平原略长1旬，是春来迟秋去早。
春季天气变化无常，时冷时热，常有阴雨天气出现；
夏季盛行东南风，雨热同步，宜水稻等作物生长，除局部雷阵雨外，多连续晴热天气，有时还会受到台风等热带天气系统影响，出现大的降水过程；
秋季天气相对凉爽，但有时也会出现秋老虎，由于常有小股冷空气南下，出现阴雨天气。
冬季盛行偏北风，较寒冷干燥，但多晴朗天气，光温互补，宜越冬作物生长。
本区主要灾害性天气有台风、暴雨、低温冷害、连阴雨、冰雹、雷暴、伏旱、寒潮和霜冻等。
2.1.3水文水资源
项目区东边及西边各有一座水塘，A区从项目区西边金辉水塘引水，蓄水位4m（85国家高程），水塘面积3800m2，储水总量约为0.8万方，经测算年来水量为35.02万m3。
B区从东边金日林水塘引水，蓄水位13m，水塘面积1850m2，储水量约为0.4万方，经测算年来水量为18.72万m3。
金辉水塘水量充沛，且来水量较多，一到下雨天，水塘水即可蓄满，可作为灌溉用水水源，此外金辉水塘可从河道进行引水，灌溉保证率90%以上；
金日林水塘来水量相对较少，为保证水量，可铺设引水管从金辉水塘引水。
工程建成后A区用水量为40.5m3/h，年用水量为26.61万m3；
B区用水量为40.5m3/h，年用水量为26.61万m3。
年总用水量为53.22万m3，根据以上数据显示，满足该项目区灌溉需水量。
2.2社会经济概况
1978年以来，集思广益，勇于开拓，经济建设和社会各项事业硕果累累。
1995年，xxx跻身于全国农村经济综合实力百强县（）行列。
2010年，实现国内生产总值224.82亿元，第一、二、三产业增加值分别达21.76亿元、109.95亿元和93.11亿元。
全年完成财政一般预算收入33.18亿元。
城镇居民人均可支配收入和农村居民人均纯收入分别达到28759元和13543元。
2010年完成农林牧渔业总产值35.54亿元，比上年增长2.1%。
粮食作物播种面积13.11千公顷，粮食总产量8.03万吨。
全年水果总产量8.51万吨，肉类总产量2.22万吨，水产品总产量11.73万吨。
积极实施农产品品牌战略，当年新增无公害农产品产地12家、无公害农产品13只，新增产地面积1.75万亩。
续报绿色食品2只，有机食品新增1只、保持认证3只，建成全国绿色食品原料（雷笋）标准化生产基地1家、国家级标准化示范基地2只。
农产品新增驰名商标3只、浙江省名牌产品1只、浙江省农业名牌产品1只、xxx知名商标1只。
新农村建设扎实推进。
村庄“示范整治”工程深入实施，农村“经济顾问”深入推广，公共财政向农村倾斜。
农业产业化经营步伐继续推进，54家级农业龙头企业实现产值27.5亿元、销售24.5亿元、出口12.9亿元；
农民组织化程度不断提高，已有58家农民专业合作社；
农产品购销组织进一步做强，新成立名特优农产品专卖店2家。
农民生产生活条件明显改善。
2.3基础设施概况
xxx农场智能化喷微灌项目实施面积xxx亩，种植的都是水果、蔬菜。
基地属于典型的丘陵地带，局部区域坡度较陡，最大高差30m。
灌区附近有县江经过，在项目区内原有水塘，可从河道取水，作灌溉用水水源。
项目区内喷微灌工程已完成，此次项目将对原有喷微灌工程进行智能化改造。
2.4智控系统概况
xxx农场拟建的灌溉基础设施和生产条件仍使用人工手动控制的方法，这与提高农业生产效率、提高蔬菜苗木品质、降低生产成本、总结种植经验等要求有相当大的差距，对建立品种区域种植体系、发挥新品种展示示范作用、以及对作物种子种苗的研究和应用普及都造成较大障碍，现有的种植条件已经无法满足现代农业生产要求。
为改变这一现状，xxx农场计划在进行喷滴灌设施建设后，配套建设先进的节水灌溉技术、水肥一体化技术、智能化控制等技术。
项目范围包括精品蔬果xxx亩。
除对水源、管路和灌水器等进行建设外，重点进行喷微灌智能控制系统的建设。
本智能控制系统由下列部分组成：
集中控制室①智控计算机及智能灌溉控制软件②视频监视系统，③光缆通信及网络系统，④小型自动气象站监测参数传输至计算机；
水源首部的①泵用变频器控制柜，②含有PLC模块的智能远程终端单元MCU，③水位、压力、水量等传感器，④水肥一体控制器；
分布于田间的①终端控制单元（TCU），②控制水（肥）流通断的电磁阀，③判定水压是否正常的压力开关组件；
玻璃温室的①手电一体控制柜，②含有PLC模块的智能远程终端单元MCU，③土壤水分、温湿度、光照等室内传感器，
重点部位的视频监视摄像头。
上述硬件构成满足当前先进的分层分布自控体系要求，具有良好的硬件扩展性和软件功能扩展性。
本智能控制系统实现下列功能：
能基于泵房MCU（远程控制单元）操作台简便自控灌溉过程，能基于PLC的HMI（人机界面）预置多变量条件实现自动灌溉，能基于计算机全功能软件实现不同灌溉模式下的智能控制；
能采集、记录（存储）、查询、打印系统中的各个参量：
土壤墒情、水位、管压、流量、气温、地温、降雨量、蒸发量、光照、风速、风向等；
能对重点部位进行视频监视、录像；
对于智控系统和视频系统，均支持局域网授权访问和控制以及广域网授权访问。
2.5方案结构图
3项目建设的必要性和可行性
3.1项目建设背景与依据
3.1.1建设背景
中共中央、国务院《关于加快推进农业科技创新持续增强农产品供给保障能力的若干意见》中强调，水利建设的重点就是充分完成农田节水灌溉基础设施建设，对于农田灌溉发展提出了明确的要求。
农田水利设施薄弱是制约xxx农业可持续发展的主要瓶颈之一。
xxx政府办公厅发出《关于加快农田水利设施建设的通知》，要求把农田水利作为农村基础设施建设的重点任务，到2015年，基本建成较为完善的农田水利设施配套体系。
通知指出，农田水利设施建设要以农业“两区”建设为重点，以建设旱涝保收高标准农田和高效节水灌溉为核心，整体规划、规模推进，洪涝旱渍综合治理，提高农田水利现代化水平。
通知强调，要大力推广高效节水灌溉工程，以北部都农业区和南部生态农业区、农业科技示范园区中集中连片的种植区为重点，新增喷微灌设施面积25万亩，逐步推广低压管道灌溉技术，新增受益面积10万亩。
另一方面，由于受国民经济、农业用水传统观念等因素的影响，我国在节水灌溉智能控制方面的研究起步相对较晚，目前几乎处于起步阶段，灌区基础自动化设备普遍短缺、综合自动化管理水平较低。
我国现代灌区中所拥有的节水灌溉自动化系统基本都是在引进和消化外来技术的基础上形成的。
1990年代，现场数据采集和设备控制的硬件主要以单片机为主，数据传输方式以有线方式为主，软件以采用汇编语言、高级语言自行开发为主。
2000年代以来，与节水灌溉相关的传感器技术、微喷灌设备技术进步较快，同时PLC的应用，组态软件的应用，GPRS、ZigBee、3G等最新通信技术的应用都取得了一定的成果。
国外方面，总体上比我国要早10～20年的时间，而且国外技术的特点是在具有先进性的同时，强调实用性和可靠性。
美国早在20世纪90年代就开发出第一套灌溉控制器，以土壤中水分作为整个控制系统的控制对象。
1990年，Fangmeier等人在总结红外线热电偶在其它工程中的应用特征后，成功将其引入到自动化灌溉控制领域，形成了以红外线热电偶测灌区土壤温度，并与空气湿度计、土壤湿度传感器等相互配合，构筑了一整套完善的自动化灌溉控制系统。
在美国一些管理水平较高的灌区中，已经做到了将土壤墒情与灌区灌水、降雨等因素相结合，实现了取水、输水、配水、用水等过程的统一调度、优化配水的灌溉全过程自动化管理。
日本几乎所有灌区管理均实现了全过程自动化动态管理，整个节水灌溉系统采用分层分布式结构，以计算机为核心，并通过无线通讯功能单元构筑了集遥测、遥控、遥信等功能为一体的节水灌溉自动化管理系统，实现对灌区水资源的分散检测和集中控制调度等功能。
以色列是微灌技术发展最为典型的国家，以色列农业工作人员在家里就可以通过电脑实现对农场的全程监督管理，不仅可以通过操作家用电脑上相关“电子软按钮”实现对灌溉间隔时间、灌溉水量等的远程调控，同时还可以根据历史灌溉数据分析，获得较为灵活、准确、实时快捷的灌溉方案。
在此背景下，xxx农场拟在微喷灌工程的基础上，建设智能灌溉控制系统，总体项目拟于2016年9月开始实施，2016年12月完工。
3.2项目建设的必要性
3.2.1必要性
在水资源日益短缺的情况下，采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”等灌溉方式是节约水资源、提高水资源利用率和发展现代设施农业的一条有效途径。
现下土地价格越来越高，种植的物种也越来越丰富，以水果瓜蔬花卉苗木等经济作物为主，而这些作物的生长对水、肥等有更迫切的精确灌溉需求。
另一方面，最近几年来人工成本上涨较快，如果不能通过自动化、智能化的手段减少用工人数，那么所生产的产品成本就不会有较好的价格竞争力。
在喷微灌项目的基础上建设智能灌溉控制系统，对于高效、科学、精确地保证项目区节水灌溉的质量，对改善农业生产条件、巩固农业基础地位，增加农民收入，改善生态环境，提高人民生活质量，促进社会主义新农村建设，作用明显，也是十分必要的。
3.2.2可行性
xxx政府对水利工作常抓不懈，尤其对开展农田水利建设、开展节水灌溉非常重视，通过积极筹措配套资金，对节水工作给予极大的支持。
项目规划经深入调查、反复论证，合理准确，符合当地条件，也符合立项原则，可操作性强，便于实施。
4喷微灌智能控制设计依据及目标
4.1项目设计依据
4.2项目建设目标
经济作物在生长过程中对水分灌溉和水肥一体灌溉有着较高的要求，不仅要适时，还要适量，对土壤肥力的补充也要根据土壤养分的缺失情况。
这些要求需要通过传感器技术、通信技术、控制技术、计算机技术、作物种植技术等的综合运用，才能加以解决。
同时，在对优质果蔬品种进行种植的过程中，不断总结出先进、实用的节水灌溉智能控制技术，进而为今后推广果蔬种植技术提供适用高效的灌溉配套技术，具有十分重要的意义。
近年来，各行各业的生产成本中，人力成本的上升特别快，如果在果蔬生产过程中不能尽可能地减低劳力成本，那么生产出的产品就不易具备好的竞争力。
使用智能控制的灌溉技术，不仅节水省电，而且大大节省劳动力，降低生产成本。
另一方面，通过科学方法把控好果蔬的灌溉时、量、性，可以提高产品的品质，进而提高经济效益。
项目建设总目标以智能自动化灌溉为重点，通过对项目区先进灌溉设施的配套建设，改善项目区水环境、土壤养分环境，使项目区果蔬生产和研究过程中的灌溉实现远程智能化操作。
具体建设目标为：
（1）通过远程可控的水源建设，为整个农庄的优质高效水果种植提供适合于微喷灌的水源；
（2）通过水肥一体控制技术的实施应用，为水果种植提供精准的施肥技术措施；
（3）通过分层分布式控制系统结构的建设，实现分散的电磁阀的即接即用功能，为本项目智能控制技术在其它项目的推广应用提供技术保障；
（4）通过将网络技术应用于节水灌溉领域，为远程控制灌溉找到一种实用可行的控制方法；
（5）提高智能灌溉自动化信息化水平；
（6）促进农业生产从人工经验转型精准智能种植；
（7）为xxx地区水果生产过程中的水分灌溉和水肥一体灌溉提供可复制的样板；
（8）为行政管理部分加大智能节水灌溉配套政策体系和智能农业体系推广力度摸索经验。
5智控系统设计方案
5.1项目概述
xxx农场智能化喷微灌实施受益面积xxx亩。
项目范围内设计有1座水源首部泵站，要求通过对空气环境温度、空气环境湿度、光照、土壤墒情、土壤温度的监测，依据水果品种生长过程中对水、肥的不同需求，对水泵和电磁阀进行自动控制，以实现方便、实用、高效、智能的灌溉目标。
智能节水灌溉控制主要根据作物灌溉模型，在实时监测土壤及空气环境的相关数据条件下，通过对水泵和管路电磁阀的自动控制来实现。
水泵位于水源首部，考虑到水泵对整个智能灌溉的重要性，并按照分层分布式网络结构的要求，在泵房布置以PLC为核心的现地控制层。
该层不仅控制水泵启停、对水泵运行的状态进行监测，而且一方面和田间地头的终端控制单元（TCU）进行通信，收集各个田块的土壤和空气环境数据，控制管路电磁阀的启停。
另一方面和上位工控机进行通信，将现场数据发送给上位机，同时接收上位机的控制指令。
整个智控系统的网络架构体现分层分布的控制思想，包括远程决策层、集中控制层、现地控制层和终端控制层。
集中控制层是整个系统的核心所在，该层设置有主控计算机和网络交换设备，用来实现作为远程决策层服务器的功能，以及与现地控制层的通信功能。
复杂的智能灌溉控制功能都在集中控制层实现。
现地控制层以水源泵房为载体，该层既要接收上位机（集中控制层）的控制参数和指令，又要与终端控制层的智能模块进行通信，采集现场的压力、土壤和空气、光照数据，控制电磁阀的通断。
现地控制层的核心设备是可编程序控制器（PLC）。
终端控制层是采集数据和控制电磁阀的最终执行层，其核心设备是智能数据采集模块和智能开关量输出模块。
在各层之间的通信方式可根据不同的现场情况，按照可靠、经济、维护性好的原则加以选择。
在本项目中，为了保证控制系统的可靠性，节约建设和运行维护资金，在集中控制层与现地控制层之间采用光缆进行以太网通信，在现地控制层（MCU）与终端控制层（TCU）之间采取RS485通信技术（含光缆通信）。
●作物生长环境数据采集
作物生长环境数据主要包括土壤水分、土壤温度、土壤电导率、土壤各养分、空气温度、空气湿度、光照强度、风向、风速等，尽管这些数据在作物灌溉模型中均作为条件参量，但作为实用和先进相结合的智能灌溉系统，土壤含水率是最为重要的参数。
①土壤水分传感器
水分是决定土壤介电常数的主要因素。
测量土壤的介电常数，能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量。
土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。
土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成遥测系统。
配合一些附加的传感器，可以计算出土壤水分蒸发量和农作物所需的水分参数。
3个灌溉表技术（蒸发量，作物水胁迫指数CWSI和土壤水分）的综合应用可以提供农作物适宜生长的最大的保证。
土壤水分传感器的一般性能指标如下
测量参数：
土壤容积含水量
单位：
%（m3/m3）
量程：
0～100%（m3/m3）
精度：
0～50%（m3/m3）范围内为±
2%（m3/m3）
测量区域：
90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm的圆柱体内
稳定时间：
通电后约1秒
响应时间：
响应在1秒内进入稳态过程
工作电压：
电流输出的为12V—24VDC，电压输出的为5VDC
工作电流：
50～70mA，典型值50mA
输出信号：
电流输出为4～20mA标准电流环，电压输出为0~2.5VDC
密封材料：
ABS工程塑料
探针材料：
不锈钢或铜
电缆长度：
标准长度5m
测量距离：
小于1000米
土壤水分传感器的其它特点：
a．高稳定性，安装维护操作简便；
b．支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证；
c．密封性好，可长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀；
d．采用标准的电流环传送技术使其具有抗干扰能力强，传送距离远，测量精度高，响应速度快；
e．土质影响较小，应用地区广泛，价格低廉，适合中国国情。
②全自动气象观测站（八要素）
用于观测降水、温度、风等侵蚀动力要素；
观测气象要素包括观测风向、风速、温度、湿度、蒸发、降水（过程）、辐射、地温。
系统配有线（标准RS232/RS485）+无线（GSM网接口），两路通讯接口实时传送采集数据；
采用GSM网通讯技术，不受距离限制，数据传输可靠。
各观测量技术指标如下：
A、环境温度：
通道数：
1路；
测量范围:
-50～80℃；
测量精度:
±
0.2℃；
分辨率:
0.1℃；
B、环境湿度：
测量范围：
0～100%；
测量精度：
±
2%RH；
0.1%RH；
C、风速：
0～70米/秒；
（0.3±
0.03v）米/秒；
分辨率：
0.1米/秒；
启动风速：
0.3米/秒；
D、风向：
0～xxx°
；
3°
2.5°
E、降水量：
0～999.9mm；
0.3mm；
0.1mm；
F、总辐射：
0~1400W/m2；
1W/m2；
5%；
G、蒸发量：
0~100mm；
1.5%；
H、地温：
-50~+80℃；
0.1℃；
0.5℃。
本方案中使用专业的多路模拟量测量仪表来测量土壤含水量和其它以模拟信号输出的传感器信号，然后由仪表与PLC进行通信将数据传送至PLC。
对于可以通信方式进行传输的参数，可直接与PLC进行通信。
在现地控制层，可根据土壤含水量的设定值对作物进行自动灌溉。
●GPRS网络
GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。
GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP/IP、X.25等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。
GPRS是通用分组无线服务的简称，它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。
GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。
而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。
GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。
数据传送之前并不需要预先分
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