自动化控制在农业灌溉控制系统中的应用

自动化控制在农业灌溉控制系统中的应用摘要:未来几十年,在世界范围内,水资源的矛盾将日趋紧张.我国的水资源严重短缺,且分布很不平衡.农业用水占总用水的80%.在农业灌溉中推广自动化控制,不仅可以缓解水资源严重短缺的矛盾,同时可以提高农作物的产量,降低农产品的成本.本文详细介绍了应用在农业灌溉中的自动控制的多种方法.我国的幅员辽阔,可以根据本地区的实际情况,采用不同的控制方法.关键词:农业灌溉;自动控制;无线控制、农业灌溉控制系统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6位,但是人均占有量只有2500m3,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[1].同时,我国水资源的分布很不均匀,北方有些地区人均占有量仅为900m3,低于国际公认的1000m3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%,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%~80%[2].因而,建立灌溉水自动化控制系统,提高灌溉水的利用率,对于缓解水资源的紧缺是非常重要的.1�灌溉系统的有线控制有线控制就是通过线路将控制信息传输出去,同时也可将各种信息返回到控制中心.下面以沙地节水渗灌自动控制系统[3]为例阐述有线控制的原理.1.1�系统的构成此控制系统主要有:(a)土壤水份监测仪;(b)渗坛水位指示器;(c)灌溉自动控制仪;(d)灌水阀门;(e)灌水指示灯.各部分连接如图1所示.1.2�各部分的功能a.土壤水份自动监测仪.通过接收土壤水份感应器(感应探头)感测土壤水份信息,并予以处理、记录和存储.同时,将处理后的土壤水份信息传输给灌溉自动控制仪.b.渗坛水位指示器.感测渗坛中储水水位是否达到上限临界点(若达到上限临界点,表示渗坛水已注满),并将渗坛中的储水信息传输给灌溉自动控制仪.c.灌溉自动控制仪.接收土壤水份监测仪提供的土壤储水信息、渗坛水位指示器提供的渗坛储水信息和植物需水信息,予以处理,并将处理后的供水信息传输给灌水阀门,控制灌水阀门的开启和关闭,同时开启和关闭供水信息指示灯.各种信息是这样处理的:土壤储水信息Ai=1,0(1表示土壤储水不足,0表示储水充足);渗坛储水信息Bi=1,0(1表示渗坛储水不足,0表示储水充足);植物需水信息Ci=1,0(1表示植物水份供应不足,0表示水份供应充�图1�有线控制系统框图足);供水信息Gi=Ai�Bi�Ci=1,0(1表示开始供水,0表示停止供水).通过线路传输控制信息,能够保证信息准确可靠地传送,其自动化的程度也是比较高的.但由于农业灌溉的特殊性,有线控制在农业灌溉中的应用有一定的局限性,尤其是长距离的架设线路,需要很大的投资,因而长距离的有线控制在农业灌溉中很难实施.有线控制一般适宜在小范围的区域中应用.采取无线遥控可以省去线路的架设,因而在农业灌溉中有着广泛的应用前景。2�灌溉系统的无线控制2.1�单向无线传输系统的数据传输通过设在中心站的无线发射机和各子站点的接收机来完成.由于传输系统为单向无线传输方式,其子站的现场数据不能传输到中央控制室,需要人工干预,因此,其自动化程度较低.但目前我国灌区由于受管理水平和管理条件所限,采用此种方式再加上管理人员的巡视,还是可行的.尤其是这种通信方式既操作简单、易于管理又十分经济[4]因为农业耕种的需要和其它客观条件的限制,我国有许多地区无法将电力线路架到灌溉区域.针对这样的情况,笔者设计了一种方案,通过控制输水管道中阀门的开启和关闭来达到对农田灌溉的控制.在子站只需要2节干电池便能提供能源.其系统方案如图2所示.其中子站可以有若干个.2.1.1�系统的构成系统由主站(中央控制室)和子站组成.控制方式为主站向子站单向传输命令,主站给子站下发信号由电台完成,子站现场独立与阀门构成闭环控制.其构成如下:a.主站是自动化控制系统的核心,它主要包括486工控微机1台、多功能接口板1块、电台1部、UPS后备电源及打印机等.主站构成如图3所示.b.子站为现场控制和测量设备,由8051单片机、无线接收机、流量传感器、自控阀门及控制电路等部分组成.子站构成如图4所示2.2.2�系统工作原理a.系统工作原理.系统的拓扑结构为星形分布结构.主站为星形结构的中心结点,设在灌区的中央,星形的外结点为各子站,分布在灌区的四周.在主站操作486工控微机,选中所需发送信号的子站地址,发送控制阀门运行的信号.如要改变运行状态,可重新发送数据.阀门的控制由系统软件和写入单片机的程序来实现.不同的地区可根据本地区灌溉的实际需要来编写单片机的应用程序.一般情况下需要控制的是阀门开启的时间和通过阀门的流量.对时间的控制可分为两种情况:(a)每天的定时开、关,开启一定时间后自动关闭;(b)任意时间的开、关,开启一定时间后自动关闭;同样对流量的控制也分为两种情况:(a)当通过阀门的总流量达到一定值时,阀门自动关闭;(b)每次开启后,当通过阀门的流量达到一定值时,阀门自动关闭.同时对流量的控制为灌溉用水量进行计费提供数据,也可了解灌区的每次灌溉的水量.主站发送的数据存入磁盘中的数据库文件,以便今后查询,打印等需要.子站接收机的接收频率与发射机频率一致,并且解码是固定的,通过主站对发射机进行编码,当发射机编码和接收机解码一致时,收发建立联系,此时主站所发信息只有本子站能够接收到,其它子站由于解码不一致,因而数据无法接收.单片机根据接收到的中央控制室的不同命令去调用相应的子程序,就可以控制阀门的开启时间和通过阀门的流量.子站既可以通过主站发出的信号进行监控,也可以手动实现独立运行。由于系统中使用的自控阀门仅靠电池提供微小的功率,因而必须借助流体本身所携带的动能使其实现开闭.自控阀门由先导阀和主阀两部分组成,先导阀控制一个小孔的开闭,小孔的开闭引起主阀的开闭.降低阀门开闭所需功率的关键是减小小孔的孔径,而小孔的孔径又影响主阀开闭的性能.此方案中使用的自控阀门在保证主阀的开闭的情况下,不换电池可使用10万次以上.为保证系统运行的可靠性和稳定性,所有的芯片(如:CPU处理器、并行接口、数码显示等)及无线接收机全部集成于一块线路板上,大大提高了系统的稳定性.通过编程处理和优化芯片的制造工艺,以保证系统运行可靠.由于子站的运行情况不能够自动返回到主站的中央控制室,因而主站和子站无法实现闭环控制.随着社会的发展,人们对自动化控制的要求越来越高,在农业灌溉中实现双向无线传输的自动化控制是必然的发展趋势.2.2�双向无线传输双向无线传输控制模式既有集中管理,又有分散控制,符合控制系统的运行模式,其自动化程度比较高.当然,其投资也是很高的,如图5所示.中央控制室将所需数据通过传输设备把信号传送出去.信号传输设备有调制解调器和无线电台,由微机串口发出的二进制信号,通过调制解调器的调制,再由无线电台发射出去.子站系统一般由无线电台,调制解调器,控制器组成.控制器可采用PLC或单片机,由无线电台接收到的信号经调制解调器得到一组数据,此数据送控制器.控制器一方面根据不同的数据对系统中的受控输水设备实施启动、检测和保护,另一方面,现场的数据以及农作物的需水信息,通过无线电台发回控制室,实现远程控制.在中央控制室,可以将系统控制中所得到的数据,如不同时期的灌溉量,灌溉设备开启时间等,通过建立关系数据库将其全部记录下来,供以后的分析和参考用.参考文献:[1]�李红丽,姚云峰.我国灌溉农业的现状与发展趋势[J].内蒙古林学院学报,1999,21(2):82�87.[2]�中国灌排水技术开发培训中心.渠道防渗工程技术[J].1997,43第16卷第1期韩宝国,等�自动化控制在农业灌溉系统中的应用[3]�赵爱国,荔克让,唐孝思.沙地节水渗灌自动控制系统的研究[J].中国沙漠,1999,19(2):65�68.[4]�苏万益,陆桂明,吕巨彪.灌区井群自动化控制系统研究[J].华北水利水电学院学报,1999,20(3):1�4.附录---托普物联网简介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。