智能控制农业自动化灌溉系统解决方案

基于智能控制的农业自动化灌溉系统解决方案前言

我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁的国家。虽然水资源的总量居世界第6 位，但是按人均水资源量计算，人均占有量只有 2500 立方米，约为世界人均水量的 1/4，在世界排 110 位，已被联合国列为 13 个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分布很不平衡。北方有些地区水资源的占有量仅为 900 立方米，低于国际公认的 1000 立方米的水资源下限。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。我国农业用水量约占总用水量的

80% 左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为 45 % ，而水资源利用率高的国家已达 70% 一 80% ，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。

1、自动化控制灌溉系统的工作原理

托普物联网指出所谓的自动化控制灌溉即利用田间布设的相关设备采集或监测土壤信息、田间信息和作物生长信息，并将监测数据传到首部控制中心，在相应系统软件分析决策下，对终端发出相应灌溉管理指令。

托普物联网研制的农业灌溉自动化控制系统的工作原理为:通过土壤、气象、作物等类传感器及监测设备将土壤、作物、气象状况等监测数据通过墒情信息采集站，传到计算机中央控制系统，中央控制系统中的各类软件将汇集的数值进行

分析，比如将含水量与灌溉饱和点和补偿点比较后确定是否应该灌溉或停止灌水，然后将开启或关闭阀门的信号通过中央控制系统传输到阀门控制系统，再由阀门控制系统实施某轮灌区的阀门开启或关闭，以此来实现农业的自动化控制。

与国际水平相比，我国的农业传感器生产水平相对落后，而土壤水分传感器生产水平已达到了国际同类水平。

2、自动化控制系统设备的组成

自动化控制系统的设备主要有中央控制器、田间工作站、RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)、电磁阀及田间信息采集或监测设备 5 个部分组成。

中央控制器

中央控制器(主站):主要有微机等设备及控制系统软件组成。

微机设备与目前办公设备类似，由电源控制箱、主控计算机、中央控制器和激光打印机等设备组成。

控制系统软件是安装于微机设备上的，其内容有信息采集与处理模块、信息数据显示模块、信息记录与报警模块、阀门状态监控模块和首部控制模块等组成。

现有自动化监测、控制系统除了具有预测预报等功能外，还在计算机上实现如下功能:过程监视、数据收集、数据处理、数据存储、报警、数据显示、数据管理和过程控制等。并实现实时过程智能决策，达到完全自动控制。

田间工作站(中继站)

田间工作站的设计根据地形及设备信号接收的限制来确定布设位置及个数。

在实际操作中若地形平坦，无遮挡物，信号传输效果好。则相应一个田间工作站可控制面积较大，反之，则田间工作站布设较多。

田间工作站是中央控制器与 RTU 或解码器及田间信息采集监测设备的中转站。采集的信息需要通过中间站输送到中央控制器，而中央控制器发送的指令则需通过田间工作站传达到各个 RTU 或解码器。

RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)

RTU(远程网络终端单位)或解码器(阀门控制器)是接收由田间工作站传来的指令并实施指令的下端。

解码器(阀门控制器)直接与管网布置的电磁阀相连接，接收到田间工作站的指令后对电磁阀的开闭进行控制，同时也能够采集田间信息，并上传信息至田间工作站。一个阀门控制器可控制多个电磁阀。

电磁阀

电磁阀是控制田间灌溉的阀门。

电磁阀由田间节水灌溉设计轮灌组的划分来确定安装位置及个数。

墒情信息采集站及田间信息采集、监测设备田间信息采集及监测设备是自动化控制系统的最根本。

田间信息采集主要依赖于传感设备。传感设备就是能够感受规定的被测量物并按照一定规律转换成可能输出信号的器件或装置。自动化灌溉可能设计的传感器主要分为:土壤类、作物类、气象类及系统类传感器。主要测量土壤水分、养分、温度、作物水分、养分、长势、气象类的光照、蒸发、风速、雨量及系统类的水压、阀门状态、流量、水质等数据资料。经由墒情信息采集站将信息传输至中央控制器，通过中央控制器安装的各类自动化监测软件系统对采集的数据分析，再以数值和曲线形式显示历史与实的时参数值和变化曲线，并进行

信息实时报警与记录。

3、自动化控制系统子系统的配置

自动化控制系统可根据用户不同层次的实际需求，由灌溉自动控制子系统、农田墒情监测子系统、作物生长图像采集子系统、水肥智能决策子系统、作物网络化管理平台等多个子系统配置，能为用户提供多种管理选择方式。依据工程基础条件、管理水平、项目投资等因素来确定项目子系统类型的配置及灌溉方式的选择。

4、自动化控制系统的灌溉方式选取

根据现在节水灌溉模式及管理水平目前已实现的控制灌溉方式主要分为 3类，在实际操作中可根据具体情况选取适合自己的控制灌溉方式:

自动化控制灌溉方式

由于实际情况中存在墒情采集及分析水平不足的因素，在现状自动化控制中主要还是依据节水工程设计中规定的耗水定额、灌溉时间及作物的需肥等数据来作为自动化控制发出命令的依据。

根据节水设计可进行阀门编组轮灌，可供选择的轮灌方式有:①灌水时间设定轮灌:根据设定时间编组轮灌;②灌溉量设定轮灌:根据墒情及土壤的监测结果预设灌溉制度进行轮灌并施加肥料;③随机设定轮灌:根据实际需要进行任意阀门编组轮灌，包括补灌。

人工参与控制灌溉方式

系统以土壤湿度临界值主参数(可包括气象信息、作物视频诊断等)进行人工参与智能化控制灌溉;用户也可根据墒情监测结果，通过 G 网用手机随时进行智能化控制。

手动控制灌溉方式

在系统出现意外情况下，可人工手动进行电磁阀开启。以保证连续灌溉不会中断，不误农时。

5、自动灌溉监控优点：

¾将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。

¾通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。