基于自动化控制技术的智能化灌溉系统解决方案设计.doc

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基于自动化控制技术的智能化灌溉系统解决方案设计

1引言

灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均，保证适时适量地满足作物生长所需要水分的重要措施。

以往的农田灌溉，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。

不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制水均匀度，对植物的正常生长产生不利影响。

我国是一个水资源短缺，水旱灾害频繁的国家。

虽然水资源的总量居世界第六位，但是人均占有量约为世界人均水量的1/4，排在世界110位，已被联合国列为13个贫水国家之一，同时，我国水资源的分布很不均匀，有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。

我国农业用水量约为总用水量的80%，农业灌溉用水的利用率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%。

建立农田节水灌溉的自动化系统，采用高效的灌水方式已势在必行。

一方面可以集中管理，加强控制;一方面可以按时按需定量供水，严格控制灌溉用水量，达到节水用水目的，另一方面，可以通过自动量测设备，实施精确计量，为按方收费提供依据，促进用水观念更新，为农业生产和人民生活带来巨大的社会效益和经济利益。

笔者利用组态软件作为开发平台，开发的农田节水灌溉自动控制系统，已在江苏省泰兴市农业科学研究所节水灌溉示范区得到应用。

2节水灌溉自动化控制系统的总体结构

农科所节水灌溉示范区的130亩土地，主要由固定喷灌区，大蓬滴灌区，露地微灌区，草坪喷灌区，低压管道输水灌溉区等部分组成，主要采用滴灌、喷灌、微喷灌和低压管道输水灌溉四种灌溉方式。

整个灌区采用自动控制系统，在分干管的放水孔口设置电磁阀和信号收发设备，通过电缆传输到泵房内的控制中心，控制中心根据需水的孔口数量确定打开电磁阀的个数，自动或手动开机灌溉。

由泵站出水口沿灌溉区设主干管，主干管沿线再设分干管，分干管上共设有36个给水口，由电磁阀控制后连接支管，每个给水口设置用户给水信号开关一只，当用户需要供水时，按动信号开关，控制中心就会有相应的声光报警提示，控制中心可以远程控制水泵和相应的电磁阀，实现供水，当达到预定的灌溉量水量时，可以自动停泵或关闭电磁阀。

控制系统主要是利用PC机远程控制一台水泵、四台加压泵以及36个电磁阀来实现各种灌溉方式。

整个控制系统由3个现场控制单元，每个现场控制单元由继电器输出模块，数字量输入模块，开关电源，控制电源等组成，根据系统要求，本系统采用每十六个控制量由一个现场控制单元控制。

节水灌溉自动化控制系统的总体结构如图1所示。

3自动化控制系统结构

整个自动化控制系统的结构采用总线型结构，所有的节点共享一个公共物理通道（总线）。

这种结构的特点是网络不封闭，很容易加扩新的节点，节点之间通过总线直接通信，速度较快;当某个节点出现故障时不会影响其他节点的工作，不会导致整个系统瘫痪。

但总线式结构对硬件的实现要求相对较高，因为总线式网络的各个节点都是挂在一条总线上的，总线的负载很重。

由于考虑到本系统传输的数据量相对较小，以及系统结构的可扩容性，故采用了总线式结构。

一条485总线上挂接了17个模块（11个继电器输出模块，6个数字量输入模块），控制一台水泵、四台加压泵和36个电磁阀等设备。

由于每个继电器输出模块能输出4路信号，而每个数字量输入模块能接收8路信号，在本系统中，共采用了11个继电器输出模块、6个数字量输入模块。

系统由数字量输入模块采集输入数字量信号以获得供水请求信息;电磁阀由继电器输出模块输出开关控制信号控制，水泵和加压泵由继电器输出模块输出开关控制信号并通过控制中间继电器和交接触器来进行控制，电磁阀、水泵和加压泵均可手动控制。

自动化控制系统如图2所示.

4通信介质的选择

传输介质是计算机网络系统重要组成部分，是网络数据可靠、快速、准确传输的重要保证，所以选择合理的传输介质是计算机网络通信的重要部分。

根据本系统计算机通讯的特点，采用有线传输介质。

双绞线（TP）是计算机网络系统中最常用的一种传输介质，其特点是连接简单，走线方便，价格便宜。

双绞线又分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两种。

国际电气工业协会（EIA）为双绞线定义了5种不同规格。

计算机网络综合布线通常使用3、4、5类。

3类双绞线最高传输速率为10Mbit/s;4类为20Mbit/s;5类为100Mbit/s。

随着计算机网络的发展，双绞线的传输性能不断提高。

现已广泛使用的超5类非屏蔽双绞线比普通双绞线在衰减、干扰等性能方面得到了显著提高。

在100M的频率下，可提供8dB近端串扰余量，用户的设备受到的干扰只有普通5类的1/4，使系统具有更强的独立性和可靠性。

考虑到本系统的数据流量相对较少，从经济性角度考虑，采用屏蔽双绞线作为系统的通信介质。

5软件设计

本系统软件采用了托普物联网的多线程、COM组件等技术、实现了实时多任务的处理。

运行期间，通过驱动程序和外部设备进行数据交换，每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和前台软件构成一个完整的系统，即保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到一个较大的规模。

系统程序原理框图如图3所示。

5.1前台控制软件

前台控制软件由三部分组成：

动画显示控制界面、报警显示界面、按键互锁。

整个控制画面采用动画设计，用动画的方式显示整个系统的流程，方便直观。

报警显示界面上标有36个电磁阀及水泵和4个加压泵。

如有报警信号（供水请求信号）产生，则产生相应的报警，提醒操作员。

如果系统是运行在全自动方式下，则系统自动发出控制信号打开相应的设备，开始（停止）灌溉，同时把设备打开（关闭）信息自动记入数据库。

if（Bit（输入模块_46,1）&&确认按钮1&&（电磁阀9==0））

｛PlaySound（"F:

\sound1\Virus.wav",2）;//需水发声报警｝ 

软件部分同时设计了整个系统的逻辑关系，按键互锁。

如果要打开某个电磁阀，则相应的加压泵、水泵自动打开。

反之，如果某个加压泵或水泵辖下的电磁阀已全部关闭了，则该加压泵或水泵也将自动关闭。

5.2历史记录数据库

本系统采用微软的ACCESS数据库，使用微软的ODBC数据库引擎。

所有对设备的操作都自动记入数据库，并自动形成灌溉报表。

SQLConnect（DeviceID,"dsn=kxg;uid=;pwd=＊＊＊＊"）;//打开数据库

SQLCreateTable（DeviceID,"电磁阀_9","table1"）;//创建表格“电磁阀_9”BitSet（继电器输出模块_43,1,电磁阀9）;//打开电磁阀9

数据库电磁阀状态=电磁阀9;//记录电磁阀状态

数据库电磁阀序号=9;//记录电磁阀序号

SQLInsert（DeviceID,"电磁阀9","bind2"）;//按照“bind2”模式插入数据库

数据库自动记录下每个电磁阀的状态改变时间、日期，操作员姓名以及电磁阀的序号，为以后科学分析、科学灌溉提供依据。

6结束语

由于信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象使信号扭曲，从而影响信号的远距离传送，必须采用电阻匹配的方法来消除反射，双绞线的特性阻抗一般为110～130Ω，为此本系统在传输线末端并接了120Ω的电阻，进行阻抗匹配，提高了系统的可靠性，本系具有统结构简单、性能稳定、便于维护、控制准确等特点。

附录—托普物联网

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。

浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，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，结合现代农业科技、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、智能化的产品与端到端的解决方案。

主要有：

大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。

因此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

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种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可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：

即终端智能控制系统。

它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、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的自动控制。

3、视频监控模块：

即实时视频监控系统。

主要是通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可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：

即远程植保预警系统。

可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：

即农产品安全溯源系统。

该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：

即中央控制室。

可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。