基于web的远程农业灌溉信息化管理系统研究与应用.docx
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基于web的远程农业灌溉信息化管理系统研究与应用
基于web的远程农业灌溉信息化管理系统研究与应用
基于web的远程农业灌溉信息化管理系统研究与应用
王永涛1，陈玲2，张小明2，张和喜1
（贵州省水利科学研究院,贵州贵阳550002）
摘要：
本文设计一种基于web的远程农业灌溉信息化管理系统，该系统采用组态王6.55进行组态，集远程数据采集、远程数据传输、远程监控、水泵启停及变频调速、流量自动测量于一体。
综合应用传感器技术、GPRS无线通信技术、TCP/IP网络通信技术、计算机技术、嵌入式程序编制技术等，形成多通道灌溉区域信息采集、预报与决策，提供了农业灌溉远程控制及信息化管理完善的解决方案。
关键词：
信息化管理系统应用多种技术解决方案
Aresearchandapplicationoftheremoteagriculturalirrigationinformationmanagementsystembasedonweb
WangYong-tao1,ChenLing2,ZhangXiao-ming2,ZhangHe-xi1
（WaterResourcesResearchInstituteofGuizhouProvince,Guizhou,550002）
Abstract：
Inthispaper,wedesignedaremoteagriculturalirrigationinformationmanagementsystembasedonweb,thesystemadoptedthekingview6.55toconfigurate,Itsetedtheremotedataacquisition,theremotedatatransmission,theremotecontrol,thewaterpumpstoporstart,
thefrequencycontrolofmotorspeedandtheflowofautomaticmeasurementinonebody.Weapplicatedthesensortechnology,theGPRSwirelesscommunicationtechnology,theTCP/IPnetworkcommunicationtechnology,thecomputertechnologyandtheembeddedprogrammingtechnologycomprehensively.Itformedmuchchannelirrigationareainformationcollection,forecastanddecision.Weprovidedremotecontrolofagriculturalirrigationandtheperfectsolutionofinformationmanagement.
Keywords：
InformationmanagementsystemTheapplicationofmultipletechniquesSolution
1引言
随着不断加快的城市化进程和经济的高速发展，工业和生活用水将会大大增加，农业面临严峻的水危机。
故实行严格的水资源管理和农业灌溉过程中的信息化管理，是现代农业的重要内容，我国部分地区已初步掌握了部分主要作物的需、耗水规律，对实现按照作物需求灌溉提供了有利条件[2]。
本文构建基于互联网的整体框架体系和高度集成及智能化的农业管理系统，在农业灌溉过程中，通过对作物信息、环境信息的实时采集，并按照设定作物需水规律指导灌溉[3]。
同时在灌溉区现场控制级采用太阳能供电，具有充分利用太阳能的特点[4]。
2系统的组成
系统主要由管理房控制级、远程web页面监控级、灌溉区现场控制级、水泵房控制级等组成。
灌溉区现场控制级将灌溉区作物信息、环境信息通过DTU模块发送到管理级组态软件，由监控组态软件参与决策，来确定是否打开电磁阀，实现按照作物需水要求进行灌溉[5]。
在实现灌溉的同时，还可对管道流量自动计量，可为水利人员相关计算提供数据。
水泵房管理级还可对根据灌溉区高位水池的水位情况，启停水泵，并通过变频器自动调节水泵进水量[6]。
图1为系统组成框图。
基金项目：
贵州省科技计划课题（黔科合NY字[2010]3063号）
作者简介：
王永涛（1986-），男，陕西汉中，硕士，主要从事自动控制、信息化应用等研究工作。
图1系统组成框图
Figure1Blockdiagramofthesystem
2.1主要部件选型
2.1.1DTU模块的选型
DTU模块选用灵旗通无线远程测控终端（GPRSRTU）LQ2883，它集成了模拟信号采集、数字信号采集、继电器控制输出和无线数据通信于一体的高性能测控装置。
可以直接接入标准变送器输出的模拟信号、各种电平信号、干触点、脉冲信号等，可作为工业Modbus-RTU协议的主站连接各种Modbus-RTU协议的仪表设备，是小规模过程信号实施无线测控的最佳手段。
图2为DTU模块外形图。
图2DTU模块外形图
Figure2AppearancefigureoftheDTUmodule
2.1.2土壤温湿度传感器的选型
TDR-5土壤温湿度传感器是将土壤水分和土壤温度传感器整合于一体，方便土壤墒情，土壤温度的测量研究，具有携带方便，密封性好，高精度等优点，是土壤墒情，土壤温度测量的理想选择。
土壤水分采用国际先进的频域反射原理设计，土壤温度采用德国Heraeus公司进口A级ST-1-PT1000精密铂电阻，传感器内置信号采样及放大、温度补偿功能，由电源模块、温度传感模块、变送模块、温度补偿模块及数据处理模块等组成。
图3为土壤温湿度外形图。
图3土壤温湿度外形图
Figure3Appearancefigureofthesoiltemperatureandhumidity
2.1.3变频器的选型
根据流体力学相似理论，在转速控制时，流量Q，扬程H，轴功率P，转速N之间的关系如下:
（1）
电机转速与输入频率的关系为：
（2）
式中：
n—电机转速rp/m;f—频率Hz；s—滑差率；P—极对数。
水泵的负载性质是平方递减转矩型,有下列关系:
水泵的流量Q与转速n成正比;扬程H与转速n的三次方成正比;电动机的转速n与电源频率F成正比.因此改变电动机电源频率,可改变电机即水泵的转速,从而达到调节给水流量和水泵的扬程的目的.
设定系统为5KW，选择Goodrive200变频器。
它以DSP控制系统为平台，采用矢量化的V/f控制技术，并配合多种保护模式，可应用于异步电机，提供优越的驱动性能。
具有准确的电机参数自学习，良好的电压、电流控制，有效减少变频器的故障和波动护次数[7]。
表2.1为变频器参数表，图4为变频器连接图。
表2.1变频器参数表
Table2.1ParametersoftheInverter
端子种类
数量
特点
开关量输入
8路
最大输入频率：
1kHz,兼容NPN和PNP两种类型输入
高速脉冲输入
1路
最大输入频率：
50kHz,兼容NPN和PNP两种类型输入
模拟量输入
3路
0~10V，0~20mA，-10V~+10V
开关量输出
1路
最大输出频率：
1kHz
高速脉冲输出
1路
最大输出频率：
50kHz
模拟量输出
2路
0~10V，0~20mA
继电器输出
2路
3A/250VAC,1A/30VDC,常开+常闭
图4变频器连接示意图
Figure4ConnectiondiagramoftheInverter
2.2灌溉区现场控制级太阳能配置
2.2.1系统典型功耗测量
系统灌溉区现场控制级的用电负载有电磁阀、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、雨量传感器、风速传感器、管道流量计、DTU无线模块。
设计时，选取消耗能量相对较高土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器部分，具有代表性。
其中脉冲电磁阀采用12V供电、湿度传感器全部采用12V供电，DTU无线模块采用5V供电，表2.2为灌溉区现场控制级的功率消耗，各器件都以最大电流消耗值为标准，综合计算：
一块下位机的能量消耗约为：
电流约为250MA，功率消耗为1.6W。
表2.2现场控制级各器件功耗
Table2.2Powerconsumptionofthedeviceinthefieldcontrollevel
器件名称
工作电压
最大电流消耗
功率消耗
数量
空气温湿度传感器
12V
30MA
360MW
1
土壤温湿度传感器
12V
20MA
240MW
1
DTU无线模块
5V
200MA
1W
1
2.2.2供电系统各参数计算
（1）太阳能电池板的选择
1）根据本地气象条件，最长的阴雨天设定为7d，核查光照条件，7个阴雨天后一般是3个晴天。
太阳能年平均日照小时数，取4.5H。
2）太阳能电池板功率的确定
Ps=（P×H×N1）／（
×T2）=66.37W，取70W
（3）
P一太阳能用电负载，取1.6W；
H一负载每天工作小时数，取24小时：
N1一最长连续阴雨天数，取7天。
即系统能在没有太阳的情况下持续工作7天；
一安全系数。
包括充放电效率，电池组件组合损失修正系数，灰尘遮挡系数等的综合系数，取0.9；
T2一太阳能年平均日照小时数，取4.5H。
3）太阳能电池板参数
单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，成本相对较高。
结合计算，本系统中选择了单晶硅70W太阳能电池板，将太阳辐射能源直接转换成直流电能，经由控制器存贮于蓄电池内储能备用，供负载使用。
在标准光照（AM1.5，1000W／㎡）辐照度，25℃的环境温度下，参数如表2.3所示，图5为70W太阳能电池板外形图[8]。
表2.3太阳能电池板参数
Table2.3Parametersofthesolarbatteryboard
型号
光合单晶70W
电池元件类型
单晶
峰值功率
70Wp
峰值电压
17.2V
峰值电流
1.17A
短路电流
1.62A
开路电压
21.6V
最大系统电压
750V
重量
2.45kg
尺寸（MM）
300X540X30
图570W太阳能电池板外形图
Figure5Appearancefigureofthe70Wsolarpanel
（2）蓄电池的选择
根据行业通用计算太阳能蓄电池容量的公式：
蓄电池容量：
Bc=AQ×N1×D／C=57.75AH，取60AH
（4）
A—安全系数，取1.1～1.5之间；
Q—负载平均耗电量，工作电流乘以日工作小时数，即Q=250MA×24H=6AH：
N1—最长连续阴雨天数，取7d；
D—修正系数。
一般工作环境在0℃时取1；10℃以上时取1.1;-10℃以下时取1.2；
C一蓄电池放电深度，全密闭免维护铅酸蓄电池取为0.8，碱性镍镉蓄电池取为0.85。
考虑到使用太阳能的特点及系统的工作重要性，采用密闭免维护铅酸蓄电池15AH，12V。
图6为60AH全封闭免维护铅酸蓄电池外形图。
图660AH全密闭免维护铅酸蓄电池外形图
Figure6Appearancefigureofthe60AHfullysealedmaintenance-freelead-acidbattery
（3）控制器的参数
CY—B1参数见表2.4，所选的控制器能够满足安要求。
图7为12V5A控制器外形图。
表2.412V5A太阳能充电控制器参数
Table2.4Parametersofthe12V5Asolarchargecontroller
type
CY-B1
workvoltage
12V
ratedloadcurrent
5A
ratedloadcurrent
5A
图712V5A控制器外形图
Figure7Appearanceofthe12V5Acontroller
3组态王与GPRSRTU通讯
随着移动推出GPRS无线数据传输以来，GPRS的通信速度快、通信费用低、组网灵活等优点，越来越被广大客户看好。
GPRS数传终端，具有TCP/IP协议转换功能不需要用户提供TCP/IP的支持。
可适用于所有带串口的终端设备，通过GPRS网络平台实现数据信息的无线和透明传输，为不具备TCP/IP协议处理的终端设备提供了GPRS通信的能力。
GPRSRTU通过GPRS无线网络将数据包发往远程电脑上配套的测控中心软件。
测控中心软件将数据包整理成Modbus-RTU协议的格式，通过电脑上的串口（或虚拟串口）发给组态软件（或其他应用软件）使用。
测控中心软件与组态软件的通信采用通过串口的方式。
若要将测控中心软件与组态软件安装在同一台电脑上，则该台电脑上须有两个硬件串口（或两个虚拟串口），以便测控中心软件和组态软件各占用一个串口进行通信。
要在同一台电脑上实现两个虚拟串口，本文采用虚拟串口软件（如VirtualSerialPortDriver6.0）,来增加增加一对可以互相通信的虚拟串口COM2和COM3。
本协议遵循Modbus-RTU协议标准，组态软件作为客户机（主站）发送读/写命令帧，测控中心软件作为服务器（从站）发送应答帧。
由于测控中心的软件可以连接多台GPRSRTU终端，而每台GPRSRTU终端的RS485接口也可连接多台外接设备，所以测控中心与GPRSRTU终端是一对多的关系，而GPRSRTU终端与外接设备也是一对多的关系。
通过对地址码（1-247）分段来确定操作的是GPRSRTU终端还是终端外接的设备，本协议将（1-200）的地址码作为终端的地址码，将（201-247）的地址码作为终端RS485口外接设备的地址码。
在对外接设备进行读写指令时须先指定是要操作哪台GPRSRTU终端的外接设备，这个是通过先发送GPRSRTU终端操作指令（地址码在1-200）来确定当前操作的是哪台终端，然后才再发送外接设备的操作指令（地址码在201-247）。
GPRSRTU终端根据型号不同，含有不同路数的模拟量输入，开关量输入，继电器输出和扩展模块（如1个温度传感器）。
测控中心软件可同时与多个终端连接。
基本的通讯字节数据格式是：
1个起始位，8位数据，低位在前，无奇偶校验位，1个停止位。
默认串口设置为：
波特率9600bps，无奇偶校验,8个数据位,1个停止位。
即：
9600,N,8,1。
若要采用其他串口参数可在配套的测控中心软件中设置。
4端口映射与动态域名
4.1端口映射
DTU模块只能于处于公网IP的数据中心服务器相互通信，而用户所在的数据中心服务器，一般是通过路由器与公网IP相连接，处于局域网内，是无法与处于公网的DTU模块直接通信，须利用端口映射技术来实现。
本文主要是通过路由器来实现端口映射的。
路由器所获得的公网IP是60.212.57.124。
数
据监控中心服务器所在局域网IP为：
192.168.3.11。
在路由器的转发规则下，使用虚拟服务器进行端口映射，当在路由器上做好端口映射后，也就定义了广域网服务器端口与局域网网络服务器之间的映射关系，所有对广域网服务端口的访问将会被重新定位给通过IP地址指定的局域网网络服务器。
则GPRS网络所有发向8080端口的数据，都将转发到数据监控中心服务器192.168.3.11上。
同理数据监控中心服务器192.168.3.11也可以将数据发送到公网的计算机60.212.57.124上去。
4.2动态域名与花生壳软件的应用
在一般的应用中，用户很少有固定或专线接入GPRS网络，当数据中心服务器采用ADSL直接拨号上网，获取的是公网的动态IP；GPRS网络须使用固定IP传输数据。
故此条件下，要实现GPRS与数据中心服务器互联，须采用动态域名解析技术实现。
目前，公网动态IP须大多数是通过“花生壳”软件实现IP地址的固定。
它是完全免费的动态域名解析服务客户端软件。
花生壳动态域名解析体系是全球用户量最多的动态域名服务体系，Oray根据服务使用群体与应用范围进行动态域名服务体系区分，并为不同级别用户提供多种增值服务：
指定登陆花生壳服务器的源端口（SourcePort）、支持多网卡用户指定网卡接入INTERNET、支持多种不同运行商服务线路选择、动态解析服务监控以及保持IP。
当用户下载并成功安装动态域名客户端，然后凭您已注册的Oray护照成功登录，那么护照下所有激活花生壳服务的域名将与机器的公网IP绑定。
您可以利用花生壳动态域名建立主机的远程接入应用，让互联网用户随时随地都可以通过域名找到您的机器的网络地址[1]。
5上位机组态软件开发
系统上位机主要由网络状况良好的PC机组成，PC机需运行测控中心软件、组态王6.55等组成。
组态王6.55是国内主流的监控组态软件，是数据采集与过程控制的专用软件。
它具有丰富的人机界面、可视化的操作界面、丰富的图库、简单实用、强大的网络通讯能力、画面刷新能力和脚本执行性能。
同时它还具备实时数据、历史数据、报警数据、安全用户、变量对象、设备对象、用户对象等配置接口。
具有良好的可维护性和可定制性。
可以支持200个以上的客户端同时访问。
提供了大量的图形元素和图库精灵，用户可根据需要，自己创建图库精灵。
历史曲线、报表和Web发布功能等功能进一步提高，软件的稳定性强[9]。
6组态王ForInternet应用
随着Internet科技日益渗透到生活、生产的各个领域，传统自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工业自动化的关键。
组态王提供了web全新版，web全新版基于ActiveX技术，采用B/S结构，客户可以随时随地通过Internet/Intranet实现远程监控。
客户端有着强大的自主功能，Internet/Intranet网络上的任何一台PC机都可以通过IE浏览器浏览工业现场的实时画面，监控各种工业数据，实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。
全新版的web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王web的所有功能：
IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能[10]。
图8为WEB发布画面的过程图。
图8WEB发布画面
Figure8ImageoftheWEBpublishing
7、系统测试与应用
系统分手动/自动控制两种模式，当选择手动控制模式时，手动点击1#灌溉区绿色开阀门按钮，阀门打开，1#区开始灌溉。
当管理者想要结束对1#灌溉区作物的灌溉时，只需手动点击1#灌溉区红色关闭阀门按钮。
当选择自动灌溉模式时，管理者在自动控制区，设定好作物名称，以及作物湿度的上、下限值后，系统能够按照设定目标灌溉。
2#区域手动、自动灌溉模式操作方式和1#区相同。
无论是自动灌溉还是手动灌溉，系统均能作出1#、2#灌溉区域土壤湿度实时、历史趋势曲线，并可以超限报警。
在web浏览器输入发布的IP地址，下载画面和数据后，可以在web客户端查看和监控灌溉区域情况。
图9为在web客户端查看的系统实时画面。
图9系统实时画面
Figure9Realtimeimageofthesystem
8、结论
8.1该系统应用组态王6.55开发监控组态画面，具有通讯可靠，画面发布功能强大，画面和数据可同时发布，实现了web远程监控，具有开发容易，操作简单，稳定性高等特点。
8.2管理者预先设定好作物需水限值，系统自动完成无人值守的精确灌溉，和趋势图的绘制，超限报警等功能。
并同步显示当前灌溉区域环境参数，方便对作物需水规律的研究。
管理者可方便对数据增加、删除、修改、保存和打印。
8.3系统灌溉区现场控制级采用太阳能供电，具有节能降耗的特点。
同时选用GPRS作为数据传输方式，突破了地域的限制。
克服了通电布线的不便，具有极大的推广价值。
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