智能灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用了可以無限擴展的開放式設(shè)計思路，并采用先進(jìn)的集木式構(gòu)建。整個系統(tǒng)由多組集群控制單元組成，每組集群控制單元管理一片區(qū)域，每一個片區(qū)由多臺控制器、電磁閥、傳感器組成。因此本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求，方便快速地組建智能灌溉系統(tǒng)。用戶只需增加各級控制設(shè)備的數(shù)量即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無限擴容。本系統(tǒng)可適用于小到某塊棉田的自動灌溉，大到整個兵團所有作物地塊，包括綠地的自動灌溉。并且系統(tǒng)容量越大，平均投資成本愈低，生產(chǎn)效率也越高。本系統(tǒng)遵循了以下設(shè)計原則：

1、系統(tǒng)模塊化、層次化設(shè)計，以提高效率，增加可維護(hù)性，便于擴展；

2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設(shè)備，而不需要更換軟件；

3、人機界面友好，實現(xiàn)灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；

4、抗電磁干擾的能力強，保證系統(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行；

5、故障自動檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備的布局要求美觀。

美國每年浪費掉的水資源高達(dá)8,520億升，而若安裝一種智能灌溉系統(tǒng)則可有效地控制水流量，達(dá)到節(jié)水目的。

HydroPoint公司負(fù)責(zé)可持續(xù)領(lǐng)域業(yè)務(wù)的Chris Spain援引美國用水工程協(xié)會的報告稱，美國住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)的草坪、植物灌溉用水浪費了30%到300%。

水資源被浪費的原因是技術(shù)不行，美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統(tǒng)，它們在時間控制上還可以，但精準(zhǔn)度不高。Spain稱，城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生產(chǎn)54.4萬噸溫室氣體。

在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達(dá)70%～80%，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智能灌溉系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運而生了。

不僅美國，英國也開始關(guān)注節(jié)水問題。英國節(jié)能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節(jié)約能源，使用熱水可能會超過取暖成為制造二氧化碳的主要途徑。

?所謂智能就是不需要人的控制，系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間；系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guān)閉灌溉；可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。要實現(xiàn)此功能就要充分利用可編程控制器的控制作用。系統(tǒng)要實現(xiàn)自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳感器。要實現(xiàn)灌溉水量的多與少的調(diào)節(jié)，必須要有變頻器。在可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標(biāo)準(zhǔn)濕度，傳感器采集的濕度模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

針對灌溉水利用系數(shù)較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng)。依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集灌區(qū)作物需水信息,匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給主控中心,中心主機根據(jù)信息確定灌溉狀態(tài)并計算灌水量,控制灌溉設(shè)備工作實現(xiàn)智能灌溉;依托Internet管理員有權(quán)對系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理,滿足了規(guī)模化灌溉的需求。根據(jù)示范區(qū)觀測,灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9。系統(tǒng)結(jié)合了無線傳感、計算和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),解決了精確農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

智能灌溉系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。

智能灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智能灌溉系統(tǒng)的成本差不多，卻可節(jié)水16%到30%。 加州出臺的新法案要求2012年起新公司必須使用智能灌溉系統(tǒng)。

系統(tǒng)上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)均采用了基于廣域網(wǎng)的先進(jìn)的無線傳輸方式進(jìn)行傳輸。上行數(shù)據(jù)包括：空氣溫度、濕度；土壤溫度、顯度；電磁閥及各控制器的工作狀態(tài)等信息。下行數(shù)據(jù)是指中央計算機向各控制單元發(fā)出的各種控制指令，包括電磁閥的開關(guān)指令；各工作單元的狀態(tài)查詢指令以及對各控制單元的參數(shù)預(yù)設(shè)等。由于采用了先進(jìn)的無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，因此本系統(tǒng)能夠快速地任意規(guī)模地構(gòu)建而且不受時間、空間和其它條件的限制。無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)還具有誤差小、抗干擾能力強、成本低、便于擴展等多種優(yōu)點，使無線數(shù)字網(wǎng)成為智能灌溉系統(tǒng)首選的組網(wǎng)方式。

無線通信技術(shù)的使用，拓寬了控制器的應(yīng)用范圍，只要有無線信號覆蓋的地區(qū)，都可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線采集與控制。實現(xiàn)了計算機和控制器等多方面的互動性，系統(tǒng)還具有自動報警功能，控制器檢測出系統(tǒng)異常，會及時將故障相關(guān)信息上報給中央計算機系統(tǒng)，以便迅速地定位并排出故障。

田間控制單元 田間控制單元控制著電磁閥和各種數(shù)據(jù)采集儀器。土壤濕度傳感器一般是采集土壤水份含量大小，也叫土壤水分傳感器。本系統(tǒng)選用世界最先進(jìn)的土壤水分傳感器，它把土壤水含量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、信號處理后傳到集群控制單元，微電腦處理器根據(jù)獲得的土壤信息確定灌溉量，然后輸出控制信號并結(jié)合中央計算機指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實現(xiàn)自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉需求，據(jù)此確定灌溉與否以及灌溉時間長短。本系統(tǒng)還配有EC（電導(dǎo)率）值和pH值傳感器，可對進(jìn)水和出水進(jìn)行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養(yǎng)液的配給。

系統(tǒng)控制方式靈活性 灌溉控制系統(tǒng)，具有多種灌溉控制方式：系統(tǒng)可以脫離上微機而常年獨立運行，有手動灌溉，自動連續(xù)灌溉，自動間隙灌溉等不同灌溉方式，系統(tǒng)可以任意設(shè)定輪灌組，每個輪灌組可以設(shè)定按照任意天間隔進(jìn)行灌溉，每天可以設(shè)定多組不同啟動時間。

供電系統(tǒng) 遵循方便、穩(wěn)定、可靠的原則，結(jié)合的氣候條件，本系統(tǒng)各個控制單元均采用了目前最先進(jìn)的太陽能設(shè)備，用于供給控制單元電能。太陽能電站具有能效轉(zhuǎn)換高、維護(hù)成本低、部署方便等諸多優(yōu)點，成為本系統(tǒng)田間供電最理想的選擇?？紤]到長時間陰雨天氣、太陽能系統(tǒng)需要檢修等特殊情況，作為太陽供電系統(tǒng)的備份，使用了風(fēng)能發(fā)電裝置，作為供電系統(tǒng)的必要補充。

六要素氣象站 由于氣象條件的空間變異特征明顯，因此在示范區(qū)內(nèi)配備氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測儀器，自動采集所需的氣象數(shù)據(jù)，作為當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)的補充。自動觀測氣象站是由一個能自動測量、記錄與存貯數(shù)據(jù)的記錄儀與一套相應(yīng)的傳感設(shè)備所組成的一個氣象觀測記錄系統(tǒng)，該站安裝的農(nóng)業(yè)氣象自動站其探測內(nèi)容在室外有風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫濕度、輻射和降水量；總共為6個氣象要素。

為了最大限度地節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能：

1.數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換）。

2.控制功能：具有定時控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。

①自動控制功能：可編程控制器通過程序?qū)鞲衅鳈z測的濕度信號與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)濕度范圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設(shè)定濕度值，（低于設(shè)定值則調(diào)大電動機轉(zhuǎn)速，高于設(shè)定值則調(diào)小電動機轉(zhuǎn)速）則自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，進(jìn)行灌溉操作。

②定時控制功能：系統(tǒng)可對電磁閥設(shè)定開、關(guān)時間，當(dāng)灌溉的濕度值達(dá)到設(shè)定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。

③循環(huán)控制功能 ：用戶在可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好控制程序，分別設(shè)定起始時間、結(jié)束時間、灌溉時間、停止時間，系統(tǒng)按設(shè)定好的時間自動循環(huán)灌溉。

3.變速功能:當(dāng)前所測的土壤濕度值與預(yù)先設(shè)定的最適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分為大于、等于、小于三種結(jié)果，即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態(tài)。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個狀態(tài)自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機設(shè)有高速，中速，低速3種旋轉(zhuǎn)速度，分別對應(yīng)高速，中速，低速三個指示燈。

4.自動轉(zhuǎn)停功能：控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌，控制電動機以所需的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉(zhuǎn)。

5.電動機過載保護(hù)功能：當(dāng)電動機過載時，電動機立即停止轉(zhuǎn)動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復(fù)運轉(zhuǎn)。

6.陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能。

7.省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內(nèi)，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。

8.急停功能：當(dāng)出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉(zhuǎn)，閥門關(guān)閉，噴頭停止灌溉。

9.故障自動檢測功能：當(dāng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關(guān)閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。

系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或園林灌溉系統(tǒng)的自動控制或手動控制。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及園林業(yè)的發(fā)展，隨著水資源的不斷升值，傳統(tǒng)灌溉方式正在被現(xiàn)代智能型微機控制灌溉系統(tǒng)所取代，與傳統(tǒng)灌溉方式相比，TLG-2型智能灌溉控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

a．微機控制噴灌和滴灌，大大節(jié)省日趨寶貴的水資源，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

b．根據(jù)植物對土壤水份的需求特點設(shè)定不同的灌溉方式，使植物按最佳生長周期生長， 達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。

c．自動灌溉，大大節(jié)省人力資源，提高勞動生產(chǎn)率。

每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是最大限度地滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度范圍之內(nèi)。經(jīng)資料查證最適宜草坪生長的濕度是50%—60%RH。此信號與50%—60%RH比較，可以分為：大于，等于，小于三種情況。系統(tǒng)按可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好的程序自動按一定的灌水量進(jìn)行灌溉。最終實現(xiàn)不需要人的直接參與，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)灌溉，人的作用只是調(diào)整控制程序和檢修控制設(shè)備。

可編程控制器、傳感器、變頻器是實現(xiàn)智能灌溉不可缺少的設(shè)備。但要想使整個草坪都得到相同的水量，對草坪實現(xiàn)均勻而智能的灌溉，必須要設(shè)計一套完整的系統(tǒng)。一套完整的智能灌溉系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關(guān)量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表，顯示面板等組成。

水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區(qū)的遠(yuǎn)近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。

電源模塊：穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)是整個系統(tǒng)安全、可靠運行的重要前提，要求電源模塊穩(wěn)定、可靠，留有一定的功率余量。

可編程控制器主控模塊：負(fù)責(zé)發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分，要求具有高可靠性和穩(wěn)定性，通信方式靈活，具有可擴展的功能。

開關(guān)量、模擬量輸入、輸出模塊：該部分是可編程控制器裝置正確接收信息和發(fā)出指令的關(guān)鍵設(shè)備，要求有高可靠性、穩(wěn)定性，能實現(xiàn)某些電、磁的隔離功能。

現(xiàn)場儀表：可編程控制器系統(tǒng)通過接收現(xiàn)場儀表設(shè)備發(fā)出的信號判斷被控設(shè)備的運行狀況，以及是否符合設(shè)備運行的環(huán)境條件，因此要求現(xiàn)場儀表設(shè)備具有高可靠性、穩(wěn)定性和精確性。

顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于控制和維修。

其他輔助設(shè)備：輔助設(shè)備如冷卻風(fēng)扇、UPS不間斷電源等是完善整個系統(tǒng)所必須的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。

1.智能灌溉系統(tǒng)工作原理 灌溉系統(tǒng)工作時，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器。可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標(biāo)準(zhǔn)濕度值，實際測得的濕度信號與50%—60%RH比較，可以分為：在這個范圍內(nèi)，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況?？删幊炭刂破鲗⒖刂菩盘杺鹘o變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉(zhuǎn)角度自動旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時電磁閥自動關(guān)閉。為了避免離水源遠(yuǎn)的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側(cè)安裝一塊壓力表，保證個噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程，避免發(fā)生因為水壓不足，噴頭射程減少的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。

2.智能灌溉系統(tǒng)工作原理圖 綜上所述，要實現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網(wǎng)和噴頭等設(shè)備。

①可編程控制器：負(fù)責(zé)發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。

②傳感器：由于本次設(shè)計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。

③A/D模塊：因為可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

④變頻器：通過改變電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量，達(dá)到節(jié)水的目的。

⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。

⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。

⑦噴頭：實現(xiàn)均勻噴灑，便于充分吸收。

⑧管網(wǎng)：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。

智能灌溉系統(tǒng)不僅可以提高源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本?；趥鞲衅骷夹g(shù)的智能灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)的必由之路。

通尚智能灌溉系統(tǒng)的控制層由控制中心、首部控制層和田間控制層三個層級構(gòu)成。該控制中心采用"分散控制，集中管理"的模式，灌溉系統(tǒng)中的首部控制器及其所控制的面積形成一個相對獨立的智能灌溉單元，可單獨操作。在此基礎(chǔ)上將地理位置接近，同屬一個管理機構(gòu)的灌溉單元組網(wǎng)，接入到一個中央控制室進(jìn)行集中管理。同時可配合小型氣象站和土壤墑情監(jiān)測站實現(xiàn)全自動化精準(zhǔn)節(jié)水灌溉。該方案集前端數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，后端數(shù)據(jù)存儲分析于一體，真正形成一套基于實時數(shù)據(jù)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)解決方案。

控制中心可單獨控制某個首部控制器或田間控制器。監(jiān)控中心可實時顯示和控制整個灌區(qū)的灌溉情況，通過GPRS通訊方式與首部控制器連接，灌溉計劃由控制中心下達(dá)到首部控制器，由其存儲并執(zhí)行控制中心下發(fā)的指令，并根據(jù)灌溉計劃實時控制田間控制器的開啟。

該系統(tǒng)解決方案，可實時采集并存儲各類數(shù)據(jù)參數(shù)，如土壤溫濕度，氣象參數(shù)，不同植物生長參數(shù)，通過對這數(shù)據(jù)的長期跟蹤和分析，可針對不同的區(qū)域、不同的場景、不同的種植作物，制定更加合理的施肥和灌溉計劃，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥，真正達(dá)到節(jié)水，增效，增產(chǎn)的目的，大力提升農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的科學(xué)管理水平。

從水源取水，通過渠道、管道及附屬建筑物輸水、配水至農(nóng)田進(jìn)行灌溉的工程系統(tǒng)。可分為渠道灌溉系統(tǒng)和管道灌溉系統(tǒng)兩類。