一、前言

      我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏，水旱災(zāi)害頻繁的國(guó)家。雖然水資源的總量居世界第6 位，但是按人均水資源量計(jì)算，人均占有量只有2500 立方米，約為世界人均水量的1 / 4 ，在世界排110 位，已被聯(lián)合國(guó)列為13 個(gè)貧水國(guó)家之一。另一方面，我國(guó)水資源的分布很不平衡。北方有些地區(qū)水資源的占有量?jī)H為900 立方米，低于國(guó)際公認(rèn)的1000 立方米的水資源下限。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國(guó)家埃及和以色列的水平。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80% 左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國(guó)范圍而言，水的利用率僅為45 % ，而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70% 一80% ，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。
      自動(dòng)灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是有大面積種植或缺水地區(qū)。按灌溉方式分為地面灌、噴灌（噴灑灌溉）和微灌等等。而微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化是世界先進(jìn)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國(guó)目前的灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。

二、系統(tǒng)概述

1．自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
1. 1 功能設(shè)計(jì)
      灌溉自控系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)（主計(jì)算機(jī)、控制柜）、電磁閥、田間濕度傳感器（可測(cè)土壤濕度絕對(duì)值）、氣象觀測(cè)站（可測(cè)量氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速）、數(shù)據(jù)采集指令傳輸?shù)韧ㄓ嵲O(shè)備組成。
      可坐在控制室里，對(duì)GPRS DTU傳上來(lái)的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用手動(dòng)或自動(dòng)方式，足不出戶的對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時(shí)還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時(shí)記錄、查詢、打印整個(gè)灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。
多個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元管理一片區(qū)域。利用GPRS / GSM 網(wǎng)路，由中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對(duì)灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可通過(guò)專用軟件在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)，顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時(shí)可以人工進(jìn)行特殊操作。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見(jiàn)性地實(shí)施灌溉。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

     
1. 2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
      如上圖所示，我們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為控制中心，有電腦和以太網(wǎng)組成；第二層為GPRS 無(wú)線控制器，該層和第一層之間無(wú)需電纜連接；第三層為閥門(mén)控制器，所有的閥門(mén)控制器和GPRS 無(wú)線控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細(xì)介紹一下本方案。
      可以將需要灌溉的區(qū)域分成若干個(gè)小區(qū)，劃分的原則為閥門(mén)相對(duì)集中。每個(gè)小區(qū)內(nèi)采用一個(gè)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備GPRS DTU ，通過(guò)它與中心控制室通訊；在GPRS DTU 上可以連接一個(gè)手動(dòng)控制器，用來(lái)手動(dòng)控制該區(qū)域內(nèi)的閥門(mén)開(kāi)關(guān)；再用一跟電纜連接到各個(gè)閥門(mén)，在閥門(mén)的位置需要接一個(gè)控制器，一個(gè)控制器可以控制1 一4 個(gè)閥門(mén)，如下圖所示：

        
      該套設(shè)備只需要很少的電力，可以使用太陽(yáng)能來(lái)供電。這個(gè)小區(qū)的控制系統(tǒng)無(wú)需任何電纜與中心控制室連接。
      我們對(duì)各個(gè)小區(qū)實(shí)現(xiàn)同樣的控制方法，然后再通過(guò)無(wú)線連成一套系統(tǒng)。如下圖所示：

        
這樣的控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)有：
1 ）中心控制室可以控制遠(yuǎn)在千里之外的閥門(mén)。
2 ）每個(gè)小區(qū)內(nèi)只需使用一根電纜連接所有的閥門(mén)。大大節(jié)約成本。
3 ）在電力無(wú)法到達(dá)的地方，我們可以采用太陽(yáng)能供電。
4） 也可以通過(guò)就地的手動(dòng)控制器來(lái)控制閥門(mén)。
5 ）也可以通過(guò)手機(jī)短信來(lái)控制閥門(mén)。

2．控制器的設(shè)計(jì)

2 . 1 控制器的主要功能
l ）土壤含水量的監(jiān)測(cè)；
2 ）EC（電導(dǎo)率）值和pH 值的監(jiān)測(cè)（可選）;
3 ）電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；
4 ）電磁l 飼狀態(tài)的控制；
5 ）各種監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)的通訊傳輸；
6 ）低電壓報(bào)警；

2. 2 工作原理
      每個(gè)控制單元控制著1 一4 路電磁閥。通過(guò)傳感器采集來(lái)的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A / D 轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號(hào)輸出，結(jié)合中央管理計(jì)算機(jī)的指令，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。土壤濕度傳感器用來(lái)測(cè)量土壤的濕度，以了解土壤的真實(shí)灌溉情況，據(jù)此確定灌溉與否和時(shí)間長(zhǎng)短；配有EC （電導(dǎo)率）值和pH 值傳感器，可對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行EC 值和pH 值的檢測(cè)，以便控制自動(dòng)營(yíng)養(yǎng)液的配給。其主要工作原理框圖如圖所示。

2. 3 數(shù)據(jù)采集部分
      數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的重要環(huán)節(jié)。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號(hào)，也叫土壤水分傳感器。本系統(tǒng)選用AQUA 一TEL 公司的專業(yè)土壤水分傳感器，它把土壤水吸力的大小轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4 一ZOmA 電流信號(hào)。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個(gè)傳感器注意其安放位置應(yīng)具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC 傳感器和pH 傳感器檢測(cè)灌溉用水的電導(dǎo)率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養(yǎng)分多少。
1 ) AQUA 一TEL 土壤水分傳感器（美國(guó)）
特點(diǎn)：
可長(zhǎng)期埋設(shè)；長(zhǎng)度可增加，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性容易攜帶，使用簡(jiǎn)單；能耗低。
最經(jīng)濟(jì)的TDR 原理水分探頭
技術(shù)參數(shù)：（略）
2 ）直流電池閉鎖電磁閥

      直流閉鎖電磁閥采用的工作電流是一種快速脈沖電流。這種電磁閥一般使用6 伏，9 伏和12 伏電壓。由于當(dāng)一個(gè)快速脈沖電流作用在線圈上不會(huì)產(chǎn)生電流，因此柱塞在一個(gè)電流脈沖信號(hào)作用下改變位置后如果保持不動(dòng)則不再需要電流，即在直流閉鎖電磁閥中沒(méi)有持續(xù)電流。這樣，直流閉鎖電磁閥在一小塊電池或太陽(yáng)能電源控制裝置的作用下即可長(zhǎng)時(shí)間的工作。
      要開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)，線圈收到一個(gè)直流脈沖信號(hào)，使得柱塞堵住端口p ，連同端口A 與端口R 。控制腔排放，閥門(mén)開(kāi)啟。
      要關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，線圈收到一個(gè)直流脈沖信號(hào)，柱塞向相反方向移動(dòng)，端口A 和端口連通，而端口R 堵住。這樣壓力水流從閥門(mén)進(jìn)口（上游）充滿控制腔，關(guān)閉閥門(mén)。脈沖對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)反向的磁力使得柱塞沿與開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)相反的方向移動(dòng)。
3 ）傳感器信號(hào)的輸入
      在大田中埋設(shè)多個(gè)傳感器，然后把傳感器和多路開(kāi)關(guān)相連，多路傳感器的輸出經(jīng)．A / ; D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，CP 叫等不斷讀1 / 0 口，并把采集到的信號(hào)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)模糊決策的結(jié)果，決定是否灌溉以及灌溉的時(shí)間。
控制部分
微控制器為核心，通過(guò)接收服務(wù)器發(fā)送來(lái)的系統(tǒng)時(shí)間，起始工作時(shí)間，每次放水時(shí)間，停水時(shí)間和閥工況選擇等。微控制器是CMOS 器件，功耗很低。

2. 4數(shù)據(jù)處理及軟件編制
傳感來(lái)的信號(hào)送入多路開(kāi)關(guān)CD4O51 ，分時(shí)把采集來(lái)的信號(hào)送到A / D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用單片機(jī)作為微處理器，A / D 轉(zhuǎn)換器采用精度高，速度快的AD574 。該A / D 轉(zhuǎn)換器的分辨率為12 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25115 ，并在轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)用LF398 作了采樣保持處理。
軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的灌溉需求量專家系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，來(lái)控制電磁閥開(kāi)啟和延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)智能控制。控制程序采用C 編寫(xiě)。

2. 5輸出通道及總線設(shè)計(jì)
輸出通道包括繼電器和輸出接口。單片機(jī)的1 / 0 口可作為輸出口控制固態(tài)繼電器的開(kāi)合，并由續(xù)流二極管與繼電器并接以保護(hù)繼電器。固態(tài)繼電器不僅可以實(shí)現(xiàn)小信號(hào)對(duì)大功率負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制，而且還具有隔離功能。
還涉及到與上位機(jī)的通信。RS 一232 屬單端信號(hào)傳送，且不能用于長(zhǎng)距離的通信。在要求通信距離幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS 一485 收發(fā)器。RS 一485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá)20OmV 的電壓，幫傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。
設(shè)計(jì)使用RS 一485 總線來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)。單個(gè)控制單元把信號(hào)通過(guò)RS 一485 接口送至GPRS DTU 上，以傳送給遠(yuǎn)方的中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。
自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
1）將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益。
2）通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量。
3）將使灌溉更加科學(xué)，方便、提高管理水平。

三、管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      從控制單元通過(guò)GPRS 送到中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)的總管理軟件上，我們可以設(shè)置相關(guān)灌溉的參數(shù)，并傳送到各個(gè)控制單元。另外，它還可以接收室外實(shí)時(shí)的天氣溫濕度情況，及通過(guò)工nternet 獲取近期的天氣情況，以作預(yù)先性處理。
3. 1 設(shè)計(jì)要求
l ）數(shù)據(jù)傳輸通訊穩(wěn)定；
2 ）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全；
3 ）操作界面美觀；
4 ）整個(gè)系統(tǒng)人性化；
5 ）系統(tǒng)整體穩(wěn)定；
6 ）整個(gè)系統(tǒng)的高速運(yùn)行；
7 ）系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)；
8 ）操作幫助功能要求強(qiáng)大；
9 ）要考慮后續(xù)工作的接口。

3. 2 監(jiān)控管理軟件的主要功能
l ）操作人員的權(quán)限管理；
2 ）圖形化動(dòng)態(tài)顯示各種參數(shù)；
3 ）人工編制套灌溉方案；
4 ）自動(dòng)記錄各個(gè)站點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；
5 ）自動(dòng)分析各站點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；
6 ）可隨時(shí)干預(yù)控制各站點(diǎn)的灌溉狀態(tài)；
7 ）可根據(jù)實(shí)地情況隨意組合站點(diǎn)，分區(qū)；
8 ）對(duì)所分的區(qū)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置；
9 ）隨時(shí)記錄操作員的信息；
10 ）隨時(shí)記錄操作信息；
11 ）能隨時(shí)顯示各站點(diǎn)的狀態(tài)；
12 ）能隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的各種信息；
13 ）能對(duì)管理員有檔案管理；
14 ）歷史記錄的隨時(shí)打??；
15 ）自動(dòng)生成灌溉記錄報(bào)表；
16 ）根據(jù)參數(shù)隨時(shí)報(bào)警提示或直接分析處理。

四、意義

      在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動(dòng)化控制，不僅可以提高資源利用率，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。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理。采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效，僅憑單項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的。必須將水源開(kāi)發(fā)、輸配水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。