智能农业灌溉系统方案设计

智能农业灌溉系统方案设计

托普物联网认为所谓智能农业灌溉系统就是不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。要实现此功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。

针对灌溉水利用系数较低,文中提出一种基于嵌入式智能灌溉控制系统。依托无线传感器网络采集灌区作物需水信息,汇聚到网关节点发送给主控中心,中心主机根据信息确定灌溉状态并计算灌水量,控制灌溉设备工作实现智能灌溉;依托Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化灌溉的需求。根据示范区观测,灌溉水利用系数由原来的0.6提高到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,解决了精确农业亟待解决的关键技术问题。

智能农业灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。

智能农业灌溉系统可以根据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实，和传统灌溉系统相比，智能农业灌溉系统的成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必须使用智能农业灌溉系统。

智能农业灌溉系统

背景

灌溉造成水资源浪费

美国每年浪费掉的水资源高达8,520亿升，而若安装一种智能农业灌溉系统则可有效地控制水流量，达到节水目的。

HydroPoint公司负责可持续领域业务的Chris Spain援引美国用水工程协会的报告称，美国住宅区和商业区的草坪、植物灌溉用水浪费了30%到300%。

水资源被浪费的原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain称，城市灌溉系统占城市用水的58%，这些被浪费的水资源每年生产54.4万吨温室气体。

在中国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，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。我们的智能农业灌溉系统在这种背景下应运而生了。

不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，随着越来越多的家庭开始节约能源，使用热水可能会超过取暖成为制造二氧化碳的主要途径。

智能农业灌溉系统整体方案图

结构

系统结构

采用了可以无限扩展的开放式设计思路，并采用先进的集木式构建。整个系统由多组集群控制单元组成，每组集群控制单元管理一片区域，每一个片区由多台控制器、电磁阀、传感器组成。因此本系统可以根据用户的需求，方便快速地组建智能农业灌溉系统。用户只需增加各级控制设备的数量即可实现整个系统的无限扩容。本系统可适用于小到某块棉田的自动灌溉，大到整个兵团所有作物地块，包括绿地的自动灌溉。并且系统容量越大，平均投资成本愈低，生产效率也越高。本系统遵循了以下设计原则：

1、系统模块化、层次化设计，以提高效率，增加可维护性，便于扩展；

2、灵活的硬件配置，用户可以任意升级、更换被控硬件设备，而不需要更换软件；

3、人机界面友好，实现灌溉过程的无人值守，减少人员的工作强度，提高灌溉效率；

4、抗电磁干扰的能力强，保证系统在野外强电磁干扰的恶劣环境下能可靠地运行；

5、故障自动检测功能，提高系统的健壮性，各种设备的布局要求美观。

通信方式

控制系统

系统上行数据与下行数据均采用了基于广域网的先进的无线传输方式进行传输。上行数据包括：空气温度、湿度；土壤温度、显度；电磁阀及各控制器的工作状态等信息。下行数据是指中央计算机向各控制单元发出的各种控制指令，包括电磁阀的开关指令；各工作单元的状态查询指令以及对各控制单元的参数预设等。由于采用了先进的无线数字网络，因此本系统能够快速地任意规模地构建而且不受时间、空间和其它条件的限制。无线数字网络还具有误差小、抗干扰能力强、成本低、便于扩展等多种优点，使无线数字网成为智能农业灌溉系统首选的组网方式。

无线通信技术的使用，拓宽了控制器的应用范围，只要有无线信号覆盖的地区，都可以实现远距离无线采集与控制。实现了计算机和控制器等多方面的互动性，系统还具有自动报警功能，控制器检测出系统异常，会及时将故障相关信息上报给中央计算机系统，以便迅速地定位并排出故障。

软件设计

数据的传递路径

软件是控制系统的灵魂，需要与硬件配合，将实时数据与专家系统的设定值进行比较判断，来控制电磁阀的开启和延续时间的长短，实现智能控制。中央控制室的计算机系统使用了大型关系数据库，能对各种数据进行分类存储和自动备份，并能根据定制条件进行查询。本系统能够实现全自动、无人值守的数据处理，并预留WEB接口，远程用户可以通过浏览器查询有关的灌溉信息。

本系统采用了图形用户界面，用户操作简单方便。实时或定时采集的田间土壤水分、土壤温度、空气温湿度等数据，均可以实时地以图形或者表格方式在中央控制计算机上显示。用户可以通过图

形界面设定每个地块的灌溉策略，实现定时、定量的无人值守的自动灌溉。

从数据的传递路径可将本系统分为三个层次，即数据汇集层、数据处理层、数据应用层，如右图所示：

集群控制

田间控制单元

田间控制单元

田间控制单元控制着电磁阀和各种数据采集仪器。土壤湿度传感器一般是采集土壤水份含量大小，也叫土壤水分传感器。本系统选用世界最先进的土壤水分传感器，它把土壤水含量转化为标准的电压信号，经过A/D转换、信号处理后传到集群控制单元，微电脑处理器根据获得的土壤信息确定灌溉量，然后输出控制信号并结合中央计算机指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉需求，据此确定灌溉与否以及灌溉时间长短。本系统还配有EC（电导率）值和pH值传感器，可对进水和出水进行EC值和pH值的检测，以便控制自动营养液的配给。

系统控制方式灵活性灌溉控制系统，具有多种灌溉控制方式：系统可以脱离上微机而常年独立运行，有手动灌溉，自动连续灌溉，自动间隙灌溉等不同灌溉方式，系统可以任意设定轮灌组，每个轮灌组可以设定按照任意天间隔进行灌溉，每天可以设定多组不同启动时间。

供电系统

遵循方便、稳定、可靠的原则，结合的气候条件，本系统各个控制单元均采用了目前最先进的太阳能设备，用于供给控制单元电能。太阳能电站具有能效转换高、维护成本低、部署方便等诸多优点，成为本系统田间供电最理想的选择。考虑到长时间阴雨天气、太阳能系统需要检修等特殊情况，作为太阳供电系统的备份，使用了风能发电装置，作为供电系统的必要补充。

六要素气象站

由于气象条件的空间变异特征明显，因此在示范区内配备气象数据监测仪器，自动采集所需的气象数据，作为当地气象参数的补充。自动观测气象站是由一个能自动测量、记录与存贮数据的记录仪与一套相应的传感设备所组成的一个气象观测记录系统，该站安装的农业气象自动站其探测内容在室外有风向、风速、空气温湿度、辐射和降水量；总共为6个气象要素。

功能

为了最大限度地节约喷灌用水和实现智能控制，灌溉系统必须具备以下功能：

1.数据采集功能：可接收土壤湿度传感器采集的模拟量。模拟量信号的处理是将模拟信号转变成数字信号（A/D转换）。