基于土壤湿度参数的自动化灌溉装置设计

项目编号：华北水利水电大学大学生创新性实验计划项目申请书项目名称基于土壤湿度参数的自动化灌溉装置设计申请人马斐所在学院水利学院年级、专业2012级港口航道与海岸工程联系电话[phone]电子邮箱[e-mail]指导教师姓名仵峰职称博士硕士生导师指导教师电话[phone]教务处制表填表日期2014年10月20日填表说明一、《华北水利水电大学大学生创新性实验项目申请书》要按顺序逐项填写。填写内容要实事求是，讲究诚信，不能有雷同；表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸双面打印，于左侧装订成册。二、申请参加“华北水利水电大学大学生创新性实验计划”项目团队人数不得超过5人（1人为项目负责人，参与合作研究者4人以内）。三、申请参加“华北水利水电大学大学生创新性实验计划”项目的个人或团队必须聘请教师作为项目指导教师，并请指导教师在申请书上签名。四、《华北水利水电大学大学生创新性实验计划项目申请书》由项目选题学院初审，签署意见后报送教务处（一式3份原件）。五、“项目编号”由教务处填写。-2项目名称基于土壤湿度参数的自动化灌溉装置设计申请经费5000（元）起止时间2014年11月至2015年11月负责人学号姓名年级所在学院、专业分工联系电话E-mail201204002马斐2012水利学院港口航道与海岸工程专业装置的设计和研究的总体协调[e-mail]参加成员201204008邓运倜2012水利学院港口航道与海岸工程专业设备组装和数据处理[e-mail]201204003牛海添2012水利学院港口航道与海岸工程专业控制软件的编程[e-mail]201204017吴冲2012水利学院港口航道与海岸工程专业资料的收集和设备推广的书的撰写[e-mail]201204038薛帅2012水利学院港口航道与海岸工程专业项目论文和实验总结的撰写[e-mail]指导教师姓名仵峰学院水利学院职称博士硕士生导师[e-mail]联系电话[phone]签名-3一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力和已参加过的研究等条件）我国是个农业大国，但也是个淡水资源相对匮乏的国家，我国农业用水占总用水量的80%以上，但农业灌溉水利用率只有40%左右，比发达国家低一半以上，传统的农业灌溉方式的不合理对水资源造成巨大浪费，而且我国的农业正处在从传统农业向现代化农业转变的历史性时期，现代化农业要求水资源达到优化配置，实现现代化运行管理，现代化农业对土壤水分，空气湿度，温度等作物生长的环境要求更高，对灌水时间、灌水量、灌水部位、水肥营养供给等都有更精确要求。这是传统农业灌溉无法满足的。因而将有限的水资源管好、用好发展节水农业是我国一项根本性的战略措施。我们团队，具有扎实的基础知识，能熟练的使用办公软件和相关的专业的软件，我们有很强的团队协作能力和高效的执行力，同时我们参与过北京水资源中心的《关于最严格水资源管理制度》的项目，和一些书本上实验的小课题。而且我们对此次申请的项目有很大的兴趣与信心。-4二、项目研究内容（目前研究的现状、主要研究内容，重点和难点及可能的创新点，研究思路和方法等）节水农业自动化灌溉系统节水自动化灌溉经历了从初期的机械定时控制到目前同时控制多个物理量的计算机控制系统的发展过程，类型较多：按控制物理量可分为时间型，压力型，空气湿度型土壤湿度型，雨量型和综合型等。按控制系统的复杂程度又可分为简易型，多路控制型和中央计算机控制型。本项目是基于土壤湿度为参数来研究自动化灌溉系统。国外研究现状：灌溉自动化始于20世纪30年代，第二次世界大战前，法国研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水力自动闸门,并提出了一套比较完整的自动化灌溉控制方法,开辟了自动化灌溉的先河。20世纪50年代以来,随着电子学和计算机技术的应用和发展,利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排工程自动化技术也得到了同步发展,并在法国、美国、日本等发达国家乃至一些发展中国家得到了日益广泛的应用和发展,控制模式也由早期的当地控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式。国外由于节水灌溉发展时间长,电子技术水平较高,所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。虚拟仪器(VirtualInstruments)技术是20世纪90年代以来,随着计算机技术进步而逐步发展起来的新仪器产品,是将仪器技术、计算机软硬件技术、网络技术和通信技术等有机结合的产物,近几年已在农业领域得到了初步应用,已成为农业控制系统研发新的里程碑。1996年美国Geomatica,Inc.利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动溉系统,系统中的现场处理器由运用LabVIEW的个人计算机控制(它利用RS一232串行通信口与计算机连接)。现场处理器配置了模拟输人、锁存和继电器板,各种检测器和传感器以星形排列的方式与它相连。用户能够监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等;而修改设定点即可改变灌溉计划;通过监测降雨情况,可使灌溉计划中补充灌水量。补充灌水量、水的用法、水箱水位和降雨情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据。用户能够读出这些数据以与当前月份进行比较;以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水。AgriMate产生的制表软件数据库也提供硬拷贝灌溉状态报告。检测到降雨时.这种报告每天或每小时进行修改。现在AgriMate已成为用户监控水的用-5法、降低费用的有效工具。国内研究现状：我国节水灌溉技术还处于初级发展阶段,系统的成套性还较差,自动化程度低.大部分灌溉工程还停留在人工操作上,即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系统,也只是从国外引进或者是小规模的局部控制,国内开发的自动灌溉控制系统目前还处于研制、试用阶段。西北水利科学研究院用TP801单板机研制出了微(喷)灌单板机自控系统,但该系统还存在一些问题,如测量土壤水势的负压计的质量不过关,工作不稳定,精度差等。由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统,它以INTEL公司的8098单片机为核心采取时间控制方式,根据灌溉计划自动对微灌工程进行监视、控制和事故处理。北京农业工程大学研制了以INTEL公司的8031系列单片机为核心的自动化灌溉控制系统,该系统为多通道土壤水分检测、多路控制灌概的控制系统。吴斌生等开发了自动灌溉控制器,实现了按土壤墒情和植物需水特性实现喷、滴灌的自动运行。吴斌生等还同时开发了微机农田节水灌溉自动监控系统。张建丰等研发的多功能网络式自动灌溉方法及其装置,实现了定量、定时、根据土壤湿度、预先制定灌溉制度进行灌水的功能。杨培岭等研发了分层分布式计算机控制智能灌溉系统,该系统成功实现了自动控制、定时控制、周期控制、手动控制四种灌溉控制方式的和谐统一,每种控制方式既可单独运行,也可混合运行,同时该系统功能强大、软硬件全中文界面、操作简单、运行可靠。但是那些引进的国外灌溉自动控制设备,是为国外的具体情况设计的,没有考虑我国的气候条件、土壤条件、作物类型等因素,并不适合我国的国情,不能充分发挥它的优势,而且引进的设备价格昂贵。因而急需要进行节水灌溉控制系统的国产化研发。灌溉自动化系统发展趋势：新的控制理论与方法不断出现并得到了广泛应用。由于人工智能技术的迅速发展,新的控制理论不断出现并得到了广泛应用。控制精度、智能化程度及可靠性越来越高,操作也越来越简便。集成化及智能化程度越来越高与现代农业管理技术相结合。随着计算机技术和通信技术的迅速发展,现代节水灌溉控制系统与Internet技术、计算机视觉技术、多媒体技术和分布式技术等的结合已成为农业现代化发展的必然趋势。通过节水灌溉自动-6化控制系统的多个方面的配合,很容易做到农业的现代化管理,专家系统、决策支持技术等可以对传统和经验性的生产管理技术实现定量化、规范化、智能化、精确化和标准化。传感器设备系统化、控制执行机构系列化和节能化。目前自动灌溉系统使用的各类传感器(土壤水分、养分、压力、水位、雨量、作物生长生理等)已系统化。控制阀(水动阀、电磁阀等)已形成系列。同时在自动控制器、自动控制阀门中广法使用太阳能等可再生能源。研究的重难点：进一步完善环境对作物生长影响机制并研究响应的信息获取方法。高集成度、智能化的喷微灌自动化、控制技术及控制器的研发。自动灌溉监控系统有如下优点：1、将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。2、通过自动灌溉的控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。3、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平和水资源的合理利用，能有效的节水抗旱。4、对植物科学的灌溉，有效的提高农作物的产量。研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。我们项目核心优势和创新点：1、相对已成型的设备，成本更低。2、我们的设备实现模块化，方便生产运输、组装、设备的后期维护。3、实现终端的灌溉设备不同，实现灌溉和施肥等多元化相关结合。实现功能更强。节水农业自动化灌溉系统（主要研究内容）：节水农业自动化灌溉系统主要由中心主控系统（主计算机）、信息采集控制终端、电磁阀、田间湿度传感器（可测土壤湿度绝对值）、气象观测站（可测量气温、风向、风速通过气象站获取）等设备所组成。操作人员可坐在控制室里或远程遥控，对气象-7站提供的气象资料、田间直接测得土壤湿度等数据进行综合分析，利用自动化灌溉的方式，足不出户的对整片农田进行灌溉。同时还可以利用数据，随时记录、查询、整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。节水农业自动化灌溉系统网络结构分为三层：第一层为控制中心由电脑和信息传送和接受网络组成，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，显示数据和图表。同时可以人工进行操作，通过气象站获取天气信息，有预见性地实施灌溉。电脑中的数据处理的软件是核心的重点和难点，它相当于与整个灌溉系统网络的大脑中枢，他决定着整个系统的数据处理，和结合数据的信息传输，控制灌溉。我们查询是否有已经成型的软件进行改造和使用。如果没有现成的的软件我们就自己编辑符合自己使用的程序。第二层为通信无线传输终终端，我们使用RS6011G无线远程数据监控终端集成了模拟信号采集、过程IO控制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信号或仪表输出的模拟信号、电平信号、干触点、脉冲信号等，是小规模过程信号实施无线测控的最佳手段。从而搭建数据传输通道，把现场数据发送到中心计算机。在传输中我们选择GPRS为主要的传输途径，因为它简单方便而且全国覆盖经济便宜只需一个电话卡即可及时传送信息。-8第三层为传感器采集与电磁阀，所有的传感器感知的数据通过GPRS无线传输终端传送至第二层。通过传感器采集来的多路数据，经过转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。这方面的重点难点是感应器选择的位置、布置方式、数量，我们要通过实验进行测量，收集数据，进行科学的布置。第四层为数据的输入和收集，我们的系统是结合植物特性和节水需要进行灌溉的软件，所以我们要对所灌溉的农作物进行数据库建立，建立小的实验田对不同时期的弄作物需水量做定量的分析和统计，建立灌溉水量数据库，设定软件程序。结论：农业自动化灌溉系统将传统的充分灌溉向非充分灌溉、区域重点灌溉、智能灌溉发展，对植物建立数据库针对植物习性和对水的不同时期的需求量进行收集和分析做到科学规划用水量，同时对灌区用水进行监测预报，实际动态管理和控制。采用传感器来监测土壤的湿度和农作物的生长情况等，实现水的定时定量灌溉的自动化。高效农、精细农业、节水农业要求我们必须提高水资源的利用率。当然我们要真正实现水资源的高效利用，仅仅只是通过节