控制设计的农业灌溉

控制设计的农业灌溉（精选七篇）

控制设计的农业灌溉 篇1

由于水稻的产量和商品价值高, 因此水稻是我国的主要粮食作物。在黑龙江垦区现有的213.3万hm2多耕地面积中, 水田面积就占了84.7万hm2, 且有逐年增加的趋势。农田灌溉是农业生产中很重要的一环, 而水稻作为灌水栽培的作物, 是否有充足的水分会直接影响水稻的生长及产量, 因此水稻的灌溉显得尤为重要。但研究表明, 对水稻来说, 并不是水量越多越好, 当水位高于水稻正常生长所需要的水位时, 水稻反而不能正常生长;当长期处于多水状态时, 作物有可能受浸或受涝而死。

在当今水资源日益贫乏的情况下, 大力提倡节水灌溉技术是必然趋势。传统的水田灌溉有两大弊端:一是粗放管理, 不宜精确控制田间水位, 易造成水电等资源的浪费;二是在灌溉过程中需要大量的人力监测稻田的水位, 造成人力资源的浪费。

因此, 在水稻灌溉水资源管理中, 必须改变过去粗放的管理方式, 需采用集成式的现代管理方式, 进行较精确的灌溉控制, 使传统灌溉管理模式向生态环境、自动化管理模式发展, 这种系统的建设将使垦区的水田灌溉发生重大变革。

黑龙江垦区水稻灌溉自动控制系统就是以黑龙江垦区大面积的水稻灌溉为研究对象, 开发基于嵌入式系统、远程无线传输技术及数据库技术的水稻灌溉远程控制管理系统。

1 系统总体设计

在系统设计中, 综合考虑了硬件和软件两方面的因素, 并对这两方面进行了合理的分工。在硬件方面, 在保证系统具有功耗小、抗干扰能力强和故障率低等特点的同时, 使其具有足够的硬件扩展能力, 从而可方便以后软件程序的升级和维护。在软件设计方面, 尽量做到使该系统程序通用能力强、操作界面友好, 并具有较强的移植能力。另外, 系统还具有远程通讯能力, 可完成数据交互和远程控制的任务。

该系统由中央控制器、水位检测及闸门控制模块、泵群控制模块、无线数据传输模块等部分组成。中央控制器是控制系统的服务器, 主要负责系统实时监控, 即时对所采集的信号进行分析、决策和发出控制命令, 并通过GSM短信息发出, 传送至下位机;泵群控制模块主要用来接收并执行中央控制器的控制指令, 进行水泵的启动和停机。水位检测及阐门控制模块又分为入水水位检测和排水水位检测两类, 其作用是采集水稻地块参数和灌溉信息并及时上报中央处理器, 根据采集到的水位数据决定开启或关闭地块的入水闸门或排水闸门, 以控制灌溉的进程。无线数据传输模块主要通过GSM网络在各模块间进行数据传输。

本系统的整体设计思路是利用短信模块实施远程服务器对水泵及闸门的有效控制, 可通过中央控制器的软件系统设置在水稻的每个生长期水位的上下限。当系统启动后, 各地块的水位监测装置便检测所在地块的水位是否缺水, 若缺水则通过该地块的闸门控制系统打开闸门, 同时发送短信通知服务器;服务器接收到信号后, 便启动为该地块供水的泵群为其供水。当水位监测装置检测到地块水量已到达预设的需水要求, 则通过该地块的闸门控制系统关闭闸门, 同时发送短信给服务器。在服务器端, 设置一线程, 实时检测同一泵群系统供水地块的闸门控制系统状态, 若均为关闭状态, 则发短信给该泵群, 停止供水。如遇降雨, 地块水位超过了预设的上限水位, 控制系统便会打开排水闸门进行排水, 当水位达到预设的下限水位时, 控制系统便会关闭排水闸门停止排水, 从而有效地实现远程控制功能, 完成了农田灌溉工作。

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统结构

硬件系统的功能是通过水位传感器采集稻田中水位的信号, 通过GSM无线网络以短信的方式传送给主中央处理器, 根据预先设定的各生长期的上、下限水位值来判断是否需要进行灌溉或排水, 从而以短信形式通知泵控制系统或水位检测及闸门控制系统完成相应操作。根据所述功能, 设定系统的整体硬件结构如图1所示。

在本系统中, 泵群控制系统和水位检测及闸门控制系统可以根据实际情况任意添加。农田大面积进行网络布线不现实并且价格昂贵, 由于GSM网络覆盖率高, 短消息基本可以实现全国乃至全球通信, 且GSM通信控制器功耗小, 无需架设天线, 建设费用低;同时, 由于本系统所需传递数据量不大, 故本系统采用通过GSM网络以短信方式进行数据传输。

2.2 水位检测模块

对于水位采集一般采用水位传感器, 在设计过程中考虑到其价格昂贵, 故采用自行设计的水位检测模块, 安装在被测地块中, 其结构如图2所示。

系统采用机械检测方式, 检测机构的外部与待测水位相接触, 水位的高低影响到浮标的位置, 在机械力臂的作用下, 带动滑动变阻器的动触片移动, 实现水位的检测。本系统中电阻R选择1kΩ的滑动变阻器, 在外加+5V电压的基础上, 其阻值与电压UX之间的关系如图3所示。

由图3可见, 滑动变阻器的输出电压与电阻间呈线性关系。通过调节力臂与变阻器的位置关系, 得到水位与输出电压UX的关系, 如图4所示。

3 远程控制管理系统的设计实现

本系统主要的目的是通过远程服务器对泵组及闸门的开关进行远程控制, 从而达到节水、节电及节省人力的目的。该系统具有系统自动控制和人工控制两种功能。系统自动控制功能是系统处于无人值守状态, 可完全由系统根据地块的需求进行灌溉控制。人工控制是指人为地控制水泵及闸门的开关, 从而实施灌溉。

本系统前台采用C#语言作为程序设计开发语言, 后台采用SQL Server进行数据库管理。

经过分析, 本系统共分为基本信息管理、远程监控、各种报表及帮助等4大模块。

基本信息管理模块:主要对各类基础数据进行管理, 包括地块信息、泵群信息、闸门信息、水稻各生长期信息及服务器信息等, 进行相关数据的插入、删除、修改、查询等操作, 以对系统的基础数据进行维护。

远程监控模块:主要负责对远程的泵群和各地块的闸门进行监测并实施控制, 包括各种设备的开关情况及运行情况。控制可以通过系统进行自动控制, 也可以通过人工进行控制。所有的远程控制均通过短信的形式实现。系统的功能模块结构图如图5所示。

The system function madule

4 结束语

本文在充分借鉴国内外农业灌溉在远程控制方面的经验基础之上, 将黑龙江垦区的水稻远程灌溉控制系统按控制级别分为监控中心和各级智能控制单元, 全系统由监控中心统一管理。其余各个部分负责执行监控中心和用户的命令, 并且对本站设备进行控制和管理。该系统对黑龙江垦区未来实现水稻的精细灌溉有一定的积极作用。

参考文献

[1]罗锡文, 减英, 周志艳, 等.精细农业中农情信息采集技术的研究进展[J].农业工程学报, 2006, 22 (l) :167-172.

[2]赵春江, 薛绪掌, 王秀, 等.精准农业技术体系的研究进展与展望[J].农业工程学报, 2003, 19 (4) :7-10.

[3]富建华.基于远程控制的智能灌溉系统研究[D].大连:大连理工大学, 2004:1-13.

[4]丁德锐, 汪伟.基于ARM和GSM的嵌入式农田信息采集系统设计[J].工业控制计算机, 2008:21 (5) :43-47.

[5]章军富.基于GPRS/SMS和μC/OS的都市绿地精准灌溉控制系统[J].农业工程学报, 2009, 25 (9) :1-6.

[6]王秋菊.控水灌溉对水稻生长发育的影响[J].东北农业大学学报, 2010, 41 (5) :14-18.

[7]彭燕.基于Zigbee技术的果园生态环境监测系统[J].农机化研究, 2009, 31 (4) :164-167.

控制设计的农业灌溉 篇2

设施农业是农业现代化水平的重要体现, 温室是设施农业的典型代表, 因此提高温室的现代化水平是农业设施建设的重要任务[1]。灌溉是设施农业的基础, 加上我国西北地区缺水现象尤为严重, 传统的农业设施落后, 对水资源利用率低, 所以研制一款节水智能的精细灌溉控制器显得极其重要[2]。

我国设施农业起步较晚, 但发展较快。目前, 世界塑料大棚和温室面积约36. 576 万hm2[3], 而我国面积最大, 我国塑料大棚和温室的建设面积已经从20世纪90 年代初的40 多hm2发展到现在近15. 67 万hm2, 占世界42. 8%[4]。设施农业同普通农业相比, 产业化程度高, 效益好, 接受新技术的能力强; 而新的灌溉控制器的应用对水资源有了更加充分的利用, 提高了生产效率, 节省了劳动力, 加上科学合理的灌溉策略, 对作物增产增收起到了一定效果。

国内有几十个厂家有制造销售大型温室的能力, 但市场占有量差距很大, 目前形成较大规模的有4家, 分别是上海长征、北京农机所、廊坊九天、胖龙公司[5]。虽然这些企业具有很强的温室生产能力, 但由于我国温室发展起步较晚, 室内作物生长发育与环境因子关系等方面基础研究薄弱, 控制方法、手段落后, 所以我国的温室控制系统科研水平跟国外仍有较大差距。以以色列、美国、日本、澳大利亚等经济发达国家为代表, 它们在灌溉技术方面已经实现了灌区大面积远程电话控制和喷微灌技术, 充分节省了水资源, 实现了灌溉自动化[6]。本文设计的灌溉控制器系统以单片机为控制器核心, 实现了对土壤温湿度检测、空气温度检测、水流量检测和多个电磁阀的控制, 可实现对农作物的适时、适量灌溉, 摆脱了传统的大水漫灌方式, 让灌溉更加精细化、数字化, 从而使农作物保持在最佳生长状态, 提高了作物产量和质量。

1 系统设计方案

本系统由单片机模块、输入模块、输出模块、显示模块和通信模块组成。控制器采用STC90C516RD +单片机, 显示器采用LCD1602, 外部存储采用24C02芯片, 键盘由薄膜按键构成。单片机灌溉控制器系统结构如图1 所示。输入单片机的信号有4 个, 即土壤温度、土壤湿度、空气温度和水流量; 输出信号有4个, 即4 个电磁阀的开启和关闭。控制器和PC机之间采用485 串口通信。单片机的功能是接收传感器的12 位二进制数字信息, 通过一定的转化和计算变为十进制, 将信息显示到LCD1602 上, 同时将信息以字符串形式通过串口传送给PC机。单片机在运行过程中中断接收按键信息, 将其与LCD1602 配合现场控制电磁阀的开/关, 并对每个电磁阀的开关时间进行中断计时, 每次打开电磁阀就可以看到上一次的灌溉时间。总体上输入模块主要是温湿度传感器的数字信号输入和流量传感器的脉冲输入, 即传感器将采集到的信息以数字形式传送给单片机, 方便单片机进行处理, 简化了电路和程序。输出模块是单片机通过I /O口控制电磁阀的开与关。

2 系统硬件设计

2. 1 控制器模块

单片机灌溉控制器的核心选用宏晶单片机公司的STC90C516RD+单片机, 如图2 所示。

STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超高速/低功耗的单片机, 指令代码完全兼容传统8051 单片机, 12 时钟/机器周期和6 时钟/机器周期可任意选择, 内部集成MAX810 专用复位电路; 时钟频率在12MHz以下时, 复位脚可直接接地, 单片机的P0 口为LCD1602 显示端口, 需要接1k上拉电阻, 其他端口内部有上拉电阻, 无需外接[7]。单片机的晶振为11. 0592MHz, 选择12 时钟/机器周期, 单片机执行一行代码的时间接近1μs, 复位按键的时间为2μs以上可以实现系统手动复位。

2. 2 电源电路

电源电路是将交流电转变为稳定的、输出功率符合要求的直流电的设备。它通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4 部分组成。其中, 24V电源直流适配器输出的24V直流电为电磁阀提供工作电压。由于单片机的工作电压是5V, 所以要对电源进行两次电压转换, 从而给单片机、液晶显示器、传感器和通讯设备供电。在传感器的工作电压中需要3. 3V的稳压电路, 只需将5V电压转换成3. 3V电压即可。图3 所示为电源电路的原理图。

2. 3 电磁阀驱动控制电路

电磁阀驱动控制电路的主要工作原理: 使用单片机的I /O接口来控制继电器的吸合进而驱动电磁阀门的打开, 完成灌水要求。当单片机P1. 5 接口的电平为低 ( 高) 时, 三极管Q4 导通 ( 截止) , 继电器的吸合 ( 断开) , 打开 ( 关闭) 电磁阀门。本设计中单片机的I /O接口有很多仍保留未用, 可以用来扩展连接多个电磁阀驱动控制电路, 即控制多个电磁阀一起工作。

2. 4 传感器选型

传感器的输出电压选择要符合一定的测量范围 ( 0 ~ 5V) , 同时供电电压为3. 3 ~ 5V之间。本次设计的土壤温湿度传感器选用SHT10 传感器, 供电电压是2. 4 ~ 5. 5V, 温度测量范围为-40 ~ 123. 8℃ , 湿度测量范围为0 ~ 100RH, 误差为4. 5% 。空气温度选用DS18B20 传感器, 供电电压为3 ~ 5V, 温度测量范围为-55 ~ -125℃ 。流量传感器选用普通的霍尔流量计RG -1 进行脉冲计数, 额定供电电压为5V, 测量精度为1 ~ 60L /min, 流量特性为f = 4. 8×Q, Q的单位为L /min[8]。

2. 5 上下位机通信电路

上下位机通信选择传输距离较长的485 串口通信, RS485 和RS232 在通信协议和传输距离上有一定的区别。RS485 为半双工通信, 最大传输距离为1 219m ( 波特率为9 600bps) [9]。理论上, 可同时接32个节点, 实际应用中用到4 个。串口通信电路原理图如图5 所示。

串口通信中输出端的A、B线之间的120Ω ( R26) 电阻为阻抗匹配, 信号输出与负载的特性阻抗相匹配时, 信号才会处于行波状态; 否则, 信号则处于反射或驻波状态。由于485 是半双工模式, 所以发送和接收需要有一定的控制。MAX485 有两个控制端, 可以将其连接棉由1 个I /O口 ( T1) 控制, 当T1 输出高电平时为单片机发送信号, 反之为接收信号。为了保证单片机正常通信, 需要将T1 口初始化为低电平来接收PC机的命令, 发送时再将其转为高电平。

3 软件设计

单片机灌溉控制器的软件采用模块化软件设计, 各功能由相应子程序来完成。软件模块主要由主程序模块、LCD显示模块、土壤温湿度传感器模块、串口通信模块和继电器模块组成。各部分完成各自的功能, 该系统具有通用性强、易调试、稳定性好的特点。

单片机上电后首先执行的是初始化和自检, 包括各接口芯片的初始化、各种标志位和变量的初始化及各个模块的初始化等; 然后程序进入主程序, 单片机把采集到的土壤温湿度信息和空气温度信息进行计算, 由LCD显示器显示土壤温湿度值和空气温度; 单片机将采集到的信息通过串口发送给上位机, 供上位机进行数据的提取和处理。主程序的流程图如图6 所示。

灌溉控制器中的信息输入核心部件是土壤温湿度传感器SHT10, 其工作情况和精度决定了测量的好坏, 也同样影响着灌溉策略的实施。土壤温湿度传感器的工作电压不是很高, 不过输出方式比较复杂, 其输出方式有两种: 温度输出和湿度输出。温度测量分辨率为14 位, 湿度为12 位, 控制器要对不同的输出进行分辨和换算。其流程图如图7 所示。

图7 单片机首先对传感器进行初始化, 然后传感器发送一串14 位的温度数据, 单片机对该数据进行解析, 将数据显示到显示器上并将其存储到ROM中; 此时单片机处于接收状态, 传感器将检测到的12 位湿度值再传送给单片机, 单片机接收到后进行相似的处理, 最后通过串口发送给PC机。

4 系统性能试验

4. 1 材料与方法

为了研究系统的检测精度和速度, 利用KCB-300电子四合一土壤测试计, 采取3 点取样, 每隔5min检测1 次土壤温湿度, 取其平均值作为检测结果[11], 用EXCEL进行数据处理。SHT10 土壤温湿度传感器的精度为±4. 5% , 分辨率为0. 1% , 探头长7cm。试验系统阀门控制准确, 总体运行良好。

4. 2 结果与分析

本系统应用于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学的实验田中, 经过对比传统的灌溉方式和智能灌溉控制器灌溉下玉米的需水量和生长状况, 发现采用该灌溉控制器之后与同等灌区的灌水量相比可节约10% 的水分, 而用电量基本不变, 达到了节约用水的目的。

5 结语

该系统以单片机为控制器的核心, 实现了对土壤温湿度检测、空气温度检测、水流量检测和电磁阀的控制, 可实现对农作物的适时、适量灌溉, 也可对作物现场进行定时灌溉, 使农作物保持在最佳的生长状态, 从而提高了作物的产量和质量。该系统成本低, 外部还可以扩展多个传感器进行相关参数的检测和控制。经过长时间不断电运行, 证实该控制器运行可靠, 应用前景十分广阔。

摘要：针对我国当前设施农业中自动灌溉水平低下的状况, 研究了一种集采集土壤参数、控制阀门灌溉和上下位机通信于一体的节水灌溉控制器。本设计主要应用于日光温室、塑料大棚等设施农业中, 系统由控制器、电磁阀、土壤温湿度传感器、空气温度传感器、水箱和渗管管网组成, 实现灌区分布式灌溉。该系统运行稳定, 准确性和快速性等指标均满足农业技术要求。

关键词：设施农业,节水灌溉,控制器,分布式

参考文献

[1]徐飞鹏, 李云开, 杨培岭.节水灌溉自动化控制系统的研究现状与发展趋势[C]//国际农业论谈-2005年北京都市农业工程科技创新与发展国际研讨会论文集.北京:水利水电出版社, 2005.

[2]元芳丽, 杨佳.设施农业发展瓶颈:装备水平亟待提升[J].农机质量与监督, 2013 (2) :27.

[3]吴普特, 冯浩, 牛文全.现代节水农业技术研发趋势及我国节水农业战略思考[C]//中国农业工程学会年会.北京:中国农业工程学会, 2005.

[4]李琦.基于无线嵌入式技术的温室自动灌溉监控系统的设计与研究[D].杭州:浙江大学, 2012.

[5]王文新.自动控制技术在园林节水灌溉中应用[J].电子制作, 2013 (5) :74.

[6]卜清.低成本简易温室控制系统的研究[J].节能技术, 2007, 25 (2) :121-127.

[7]郭天祥.新概念C语言51单片机教程[M].北京:电子工业出版社, 2009:1-524.

[8]D.D.Chaudhary, S.P.Nayse, L.M.Waghmare.Application of wireless sensor networks for greenhouse parameter control in precision agriculture[J].International Journal of Wireless&Mobile Networks (IJWMN) , 2011 (3) :11.

[9]Domingo Gómez-Melendez, Alvaro López-Lambra no.Fuzzy irrigation greenhouse control system based on a field programmable gate array[J].African Journal of Agricultural Research, 2011, 6 (3) :3117-3130.

[10]Alison McCarthy, Nigel Hancock, Steven Raine.Holistic control system design for large mobile irrigation machines[C]//Annual Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice.Brunei:[s.n.], 2010.

控制设计的农业灌溉 篇3

关键词：PLC,A/D转换模块,传感器,上位机人机界面

0 引言

水资源短缺是摆在人类社会面前的一项难题, 温室作为农业生产的重要组成部分, 在现代农业节水问题上有着举足轻重的地位。本文以PLC为下位机的现场控制器, 设计了一套可对现代农业温室实现实时准确灌溉控制的人机交互系统, 该系统同时提供了友好的人机交互界面, 可实现现代农业温室灌溉系统最适宜温度及土壤湿度上下限的数据设置, 同时可实现历史灌溉信息的查询。温室灌溉控制系统整体结构框图如图1所示。

1 温室灌溉控制系统硬件设计

本系统主要针对下位机PLC、A/D转换模块、数据采集模块和执行机构的硬件设计。

1.1 PLC选型

系统主要采用日本三菱公司生产的FX2N-32MR-001系列PLC为现场控制器, FX2N-32MR-001系列PLC采用16点输入和16点输出, 同时可外接相应扩展模块, 满足系统对扩展功能的要求。

1.2 土壤湿度传感器选型

系统采用BZH12-SWR3型土壤湿度传感器, 该型号传感器具有测量精度高、响应速度快的特点, 还有适用范围广、密闭性好、耐腐蚀性强、价位低、对土质影响较小、使用寿命长等优点。

1.3 A/D转换模块选型

依据FX2N-32MR-001系列PLC及温室灌溉系统对输入量的要求, 本系统采用FX2N-4AD作为输入模拟量转换模块。FX2N-4AD模拟量输入模块有CH1、CH2、CH3、CH4共4个分辨率为12位的输入通道, 其主要用于将外部输入的模拟量信号和数字量信号的转换。

1.4 系统数据通信的实现

系统采用RS485总线进行网络连接, 其允许距离为1200 m。系统可先接入RS232, 再通过转换接口与RS485总线相连接。

RS485总线和PLC通信时, 需要连接特殊模块。系统采用三菱FX系列PLC的专用通信扩展板FX2N-485-BD实现上位机、PLC及相应的通信设备的连接。 PLC控制系统网络连接如图2所示。

2 上位机人机交互界面设计

系统上位机人机交互界面的设计主要通过北京亚控科技有限公司的“组态王”软件实现。该软件可实现对温室灌溉系统实时监控、实时和历史报警、相关数据采集、实时和历史信息查询、手动和自动开关的转换的功能。

2.1 温室灌溉控制系统界面设计

温室灌溉系统工程的设计主要依据现场实际情况, 利用“组态王”软件设计与现场相应的阀门、水泵、温室水流管道。温室灌溉控制系统主画面如图3所示。系统操作人员可通过温室灌溉系统上位机画面在线监视到系统整体运行, 操作人员能利用运行窗口在线实时观测到执行机构的运行状态, 并通过多个画面的切换来调节系统正常运行。

系统通过北京亚控科技有限公司的“组态王”软件对工程进行加密设置, 实现对用户安全区及登录权限的管理, 可在线实时显示温室灌溉系统灌溉实时曲线、灌溉历史曲线、实时数据报表、历史数据报表、报警画面, 从而实现人机对话的现代农业温室灌溉系统控制。

2.2 上位机和下位机通信功能的实现

组态王中设备配置向导如图4所示。上位机和下位机通信功能的实现是由组态王软件中定义的系统变量和PLC设备的I/O变量进行数据交换来进行的。

3 结束语

本文将人机交互技术运用到现代农业温室灌溉控制系统中, 提出了以PLC作为下位机, 以一台个人PC机作为上位机的分布式人机交互控制系统。根据系统控制的整体要求对PLC、传感器、A/D转换模块分别进行了型号选择。利用北京亚控科技有限公司的“组态王”软件设计了上位机人机交互界面, 实现了对现代农业温室灌溉控制系统的实时监控、在线操作以及参数变量设置的要求。系统完成了上位机和下位机PLC之间的通信连接, 基本上实现了现代农业对温室灌溉实时、适量的控制要求。

参考文献

[1]毛慎建, 张文革, 许一飞.智能化灌溉控制器[J].喷灌技术, 1995 (2) :31-34.

[2]郭正琴.智能灌溉控制系统开发[D].北京, 中国农业大学, 2006.

[3]王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2007.

控制设计的农业灌溉 篇4

一、农业灌溉发展遇到的问题

(一) 扶贫工作和保证粮食安全的注意事项

据相关报道分析表明, 涉及四川的川西边境片区、川黔桂石漠化片区、乌蒙山区正处在第三类发展水平的程度, 其中迪庆等藏区不在此重点扶持区之内, 由于其天然条件不利, 文化理念落后以及传统封闭的思想, 造成了由东向西阶梯递减的经济形势, 也是贫困差异的形成因素。若想达到2020年11亿斤的粮食增产目标, 必须在6个州、21个县的12个大型灌区和很多重点中型灌区的粮食主产区大力开展农业灌溉, 从而改变高原地区落后的农业现状。

(二) “一带一路”战略的实施

国家“一带一路”战略的实施, 以西南地区的跨国河流为纽带的三大经济带蓬勃发展。建设中的链接中南半岛各国的泛亚高铁使成都到达各国首都的时间大大缩短, 彰显了成都乃至四川作为西南边疆对接中南半岛的桥头堡地位。

二、灌溉制度和工作制度

环境也是制约农作物生长的重要因素, 比如土壤条件不适宜, 温度不符合生长条件, 各种病虫害的威胁。相比较如此多的不利因素而言, 水分的缺失相对于作物生长和产量最为严重。作物水分缺失主要表现在含水量、膨压及作物总水势数值显著下降, 导致枯萎、气孔部分或完全关闭, 细胞生长和植株生长急剧减缓。更为严重的可能会使植株生长停止, 光合作用下降, 代谢过程失调, 甚至作物死亡。所以我们可以看到, 水分的匮乏或者缺失对农作物的生长发育还有产量和质量有着极为重要的作用。

按照农作物生长周期的需水量所制定的的灌水次数、时间、定额, 总称为灌溉制度。充分灌溉时, 灌溉制度的目标是以没单位面积内的最高产量为终极目的, 以最高限度的满足作物各成长阶段需水量要求而设计制定的灌溉制度。而节水灌溉制度是追求总体最佳效益, 以作物需水量为主要依据, 考虑不同时期需水量, 以及总水量的不同而制定的灌溉制度。

三、管网系统流量及水力计算

由滴灌管至支管、分干管、干管、主管逐级确定各级管道的设计流量, 确保管网系统的最优化。

(一) 管网布置

通过观察地形条件和作物种植方向, 管网系统的步骤可以分五级。干、支管垂直于等高线布置, 滴灌带接支管沿农作物种植方向布置, 平行作物种植方向。主、干管道都是固定式, 大约处于地下0.6cm左右。

(二) 滴灌管设计进口流量

根据管网布置情况, 滴灌区各级管道流量由滴灌管至支管、分干管、干管、主管逐级确定各级管道的设计流量。

四、结论

树立新理念, 农业节水减排必须按照统一规划、政府引导、分级管理、社会参与的方式逐级推进, 在工程建设中严格执行各项管理制度。认真总结成功的各改革试点所取得的经验, 建立多元化投入机制, 鼓励社会人士积极参与农业节水减排工程建设;建立合理水价机制, 发挥杠杆作用。严格执行《四川省节约用水条例》, 加强宣传、强化农业节水意识, 建立良好的服务体系、提供有力的技术支持等方面建立保障措施, 为节水减排行动提供支撑。

摘要：为建设“优质、高效、高产”的高原特色农业产业, 从2013年起, 四川省加快高效节水灌溉工程项目建设力度。但高效节水灌溉措施中的滴灌措施系统造价普遍较高, 在有限的资金条件下制约了四川省高效节水灌溉的发展。文章以得荣县高效节水灌溉项目为基础, 论述了在保证项目可行性、实用性和可靠性的同时提高经济性的优化设计要点。

关键词：高原特色农业,滴灌,优化设计

参考文献

[1]张楚汉, 王光谦.我国水安全和水利科技热点与前沿[J].中国科学:E辑, 2015, 45 (10) :1007-1012.

[2]康绍忠.水安全与粮食安[J].中国生态农业学报, 2014, 22 (8) :880-885.

[3]彭世彰, 熊玉江, 罗玉峰, 等.稻田与沟塘湿地协同原位削减排水中氮磷的效果[J].水利学报, 2013, 44 (6) :657-663.

[4]万玉文, 茆智.节水防污型农田水利系统构建及其效果分析[J].农业工程学报, 2015, 31 (3) :137-145.

[5]程建刚, 王学峰, 范立张, 等.近50年来云南气候带的变化特征[J].地理科学进展, 2009, 28 (1) :18-24.

[6]程建刚, 王学峰, 龙红, 等.气候变化对云南主要行业的影响[J].云南师范大学学报:哲学社会科学版, 2010, 42 (3) :1-20.

农田灌溉集中控制系统的设计与实现 篇5

关键词：无线遥控,农田灌溉,编解码电路

0引言

农田灌溉是农业生产的重要环节,长期以来,在这个环节上管理粗放,使水、电资源不能经济高效地使用,经常出现大水漫灌,用水不均,跑水漏水等现象。所以在农田灌溉方面,急需采用先进的管理手段,将分散的灌溉水井集中控制起来,实现“先交费,后浇地”的管理办法。要实现这一点,若采用传统的铺设专门电缆线和安装控制开关的方法,投资大,线路损耗高。本文利用PT2262/PT2272编解码电路,采用无线遥控技术,设计了受控于中央控制机的农田灌溉集中控制系统,该系统的每个井位由特定的编码信号控制,用户根据自己的需要先交费,然后由中央控制机发出开机信号,指定的井位就送电浇地,当达到规定的时间,由中央控制机发出关机信号,停止浇地。

1农田灌溉集中控制系统组成及工作原理

系统由中央控制机、显示器、若干个井位接收器组成,系统组成及原理框图见图1。中央控制机通过无线摇控方式发出指定编码信号,对应的井位接收器接收并解码输出开、关机信号,再由开、关机信号控制交流接触器接通或关断水泵供电线路,实现远距离控制。中央控制器具有再开发功能,可通过改变编码方案实现对更多控制点的控制;显示器可显示系统每个井位的工作状态;接收器接收编码信号,输出控制交流接触器的信号,并通过中央控制器对井位状态信号进行监控和显示。

系统使用的PT2262/PT2272编码解码芯片是台湾普城公司生产的一种由CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。PT2262/PT2272最多可有12位(A0～A11)3态(悬空、接高电平、接低电平)地址端管脚,任意组合可提供531 441个地址码;PT2262最多可有6位(D0～D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出,可用于无线遥控发射电路。

通常使用中采用8位地址码和4位数据码,这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1脚～8脚为地址设定脚,有3种状态可供选择,即悬空、接正电源和接地,所以地址编码不重复度最多为6 561组,只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同时才能配对使用。如果想改变地址编码,只要将PT2262和PT2272的1脚～8脚设置相同即可,例如将发射机的PT2262的第1脚接地、第5脚接正电源、其它引脚悬空,那么接收机PT2272只要也第1脚接地、第5脚接正电源、其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时,接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号,同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户将这些信号加一级放大,便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。

2控制机单元电路

控制机单元电路主要由PT2262编码IC和高频调制、功率放大电路组成,见图2。

编码芯片PT2262发出的编码信号是由地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字。当发射机没有按键按下时,PT2262不接通电源,其17脚为低电平,所以315MHz的高频发射电路不工作;当有按键按下时,PT2262得电工作,其第17脚输出经调制的串行数据信号,高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号,低电平期间315MHz的高频发射电路停止振荡,所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号,从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制),相当于调制度为100%的调幅。

集中控制系统最重要的是要正确设置各个井位和控制机编解码芯片的地址码和数据码。PT2262/PT2272的第1脚～8脚是芯片的地址码设置脚,地址码有3个状态:悬空、接高电平、接低电平。地址码就好比是一张身份识别的证书,只有发射端和接收端的地址码设置成完全相同,才能互相确认通过。所以在集中控制系统中不同的井位设置不同的地址码,只有地址码相同的井位接收器才有控制信号输出。在同一个环境中,只要地址码能互相区分就不会互相干扰。

PT2262的第10脚～14脚是数据码设置端,数据端可以是高电平1或者是低电平0,一共有A、B、C、D 4个通道。数据码在集中控制系统中的主要作用是两个为一组作为控制开关的通断,高电平有效。如A为通,按动SB1按键,水泵抽水,B为断,按动SB2按键,停止灌溉。A、B、C、D 4个通道,可对同一井位两台水泵分别进行控制。

不同功率的无线遥控电路,接收距离不同。本系统以调频方式发射315MHz无线信号,最大发射距离5km,发射功率5W。

3接收机单元电路

接收机单元电路由高放、变频、中放、鉴频解调、低频脉冲放大整形、解码电路等组成。接收机电路原理框图见图3。

解码电路由与编码电路配对使用的集成电路IC1 PT2272组成。PT2272解码芯片有不同的后缀,表示不同的功能,分别为L4、M4、L6、M6。其中L表示锁存输出,数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态,直到下次遥控数据发生变化时改变;M表示非锁存输出,数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应,可以用于类似点动的控制;后缀的6和4表示有几路并行的控制通道,当采用4路并行数据时(PT2272-M4),对应的地址编码应该是8位,如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6),对应的地址编码应该是6位。编码电路PT2262将数据连同地址码由17脚串行发送,经过双线传输到解码器PT2272的14脚数据输入端;解码器的地址A0～A7与编码器的地址A0～A7相同时,解码器将接收发送来的数据,并行呈现在数据输出端D0～D3(A、B、C、D)。其中,D0为A作为水泵控制电路的启动按钮,D1为B作为水泵控制电路的停止按钮,完成水泵控制电路启动、停止的遥控控制。

4显示单元电路

设系统某个4位二进制数对应一个特定的井位,这个4位二进制数由手动拨码双联小开关控制。其中一联生成无线发射的地址码,输入PT2262编码发射出去;另一联相同的地址码输入CD4514译码器,使16个输出中的特定输出端产生高电位,该有效端分别接两个二端与非门输入端的一端。一与非门的输入端接显示电路的触发保持开关端,另一与非门的输入端接显示电路的开关关断端,输出端接R-S触发器。当需要开时给与非门一个脉冲使发光二极管亮并保持;当需要关时给另一与非门一个脉冲使发光二极管关掉。

5结束语

系统安装时,在井位旁边竖一电杆,电杆顶端安装接收器,电源(接收机)采用三相电的某一相与接地线供给,接地线一端接地,另一端架在电杆顶部,做防雷用。

系统中特别要注意强、弱电隔离,应在交流接触器触点并联阻容吸收电路,并在壳体内以金属罩屏蔽。灵敏继电器触点也应当采用这一方法,以防强电干扰。

本系统安装使用方便,性能稳定、可靠,如加入定时控制系统将更加完善。

参考文献

[1]高吉祥.高频电子线路[M].北京:电子工业出版社,2003.

农林灌溉自动控制系统设计 篇6

1 系统主要功能及物理模型设计

1.1 系统主要功能设计

根据农作物的浇灌特点, 我们主要设计了以下功能:

(1) 定时浇水周期控制:根据不同的植物、不同的地区气温和温度, 可选择不同的浇水周期;

(2) 水量控制:根据不同的浇灌对象选择不同的水量;

(3) 对多个对象实现逐一浇水:浇灌系统对多个浇灌对象自动切换, 逐一浇水;

(4) 浇灌方式选择:可根据需要选择水管或喷洒的方式, 对植物的根部、叶部进行浇水;

(5) 土壤湿度控制:每次浇灌前自动进行土壤湿度检测, 当下雨使土壤达到农作物需要的湿度不需要进行浇灌时, 不启动浇灌程序, 而检测到土壤低于要求的湿度时启动浇灌程序;

(6) 作业语音提示:作业中语音提示, 可以告知人们浇灌机的作业情况, 使管理更为人性化;

(7) 有停电、来电语音提示, 以便管理人员采取应对管理员措施;

(8) 夜间彩灯指示:夜幕降临时, 该系统彩色指示灯会自动亮起, 以方便管理人员监测系统工作状态。

1.2 系统物理模型设计

系统主要由水泵、控制水箱、球阀、输水管、水位控制装置等组成, 先用水泵将水抽到控制水箱里, 通过程序控制打开相应的电磁阀向需要水的目标浇灌, 当浇灌的水量达到设定值时该电磁阀关闭, 同时, 程序控制打开另外的电磁阀进行下一路浇灌。当水位检测装置检测到水箱里水位不够时, 水泵工作, 向水箱里注水, 当水位达到设定的上限时, 水泵停止工作。

2 系统设计

2.1 控制方案选择

该控制系统可选择PLC控制技术, 也可采用以单片机为主控单元的控制系统。PLC进行控制的优点是抗干扰能力强, 可靠性好, 但成本高不利于大面积推广;采用单片机控制, 其优点是制作成本和维修成本都很低, 且使用灵活, 易于让消费者接受和大面积推广大面积推广。因此, 该设计方案采用以单片机AT89C52为主控单元的控制系统。

2.2 硬件控制电路设计

控制电路采用AT89C52为主控单元。

用SWR2型土壤水分传感器检测土壤湿度, 检测数据经A/D转换器芯片TLC549进行转换后送给单片机进行分析处理。SWR2型土壤水分传感器的特点是测量精度高, 响应速度快, 土质影响较小, 适用地区广泛, 密封性好, 可长期埋在土壤中使用, 不受腐蚀, 适合农田、水利等水份的埋测, 且价格低廉。

SWR2型土壤水分传感器的主要性能指标, 工作电压4.5~5.5VCD, 典型值5.5VCD, 工作电流50~70m A, 典型值60m A, 输出信号0~2, 5V, 电缆标准长度5m, 最长20m, 探针材料锈钢, 强度大, 不易折断, 密封材料采用ABS工程塑料, 外形尺寸Φ50×115mm, 工作温度-50~50℃。

2.3 系统程序设计

根据不同的农林作物对土壤湿度的要求, 设定相应的湿度值, 程序每次启动前, 要首先检测土壤湿度, 如达到设定值, 程序不启动, 如未达到设定值, 选择合适的周期和水量, 启动程序进行浇灌。

根据所管理的农林作物的地块和面积的多少, 设置多路浇灌, 对每路浇灌作物的不同, 选择不同的给水量, 用时间来设定, 程序检测浇灌的时间, 达到设定时间后, 完成该地块的浇灌, 关闭该路控制球阀, 打开下一路控制球阀, 进行下一路的浇灌, 如此循环, 完成需要浇灌的所有目标。

3 结论

该控制系统使用灵活、方便, 可通过多个球阀的并联, 实现几路到任意多路地块或作物的浇灌, 通过多个球阀的串联, 向远处延伸;通过程序设计, 实现多种流量的选择和不同周期的选择;可用水管进行根部浇灌, 也可通过在水管的端部安装喷头进行叶部的喷洒;且成本低, 结构简单, 安装方便, 不仅实现了对水资源的有效、合理、科学地利用, 又可以让人们从繁重的体力劳动中解放出来。该系统可广泛应用于农业、园林、花草等领域, 具有广泛的推广前景。

摘要：水资源短缺的现象日益严重, 科学有效地利用水资源是当务之急。农林灌溉自动控制系统, 利用单片机AT89C52和土壤湿度传感器等组成控制电路, 可以根据不同的农林作物的类型, 选择不同的浇灌周期、浇灌水量、浇灌方式等进行自动浇灌, 实现对水量的精确控制, 避免人为浇灌造成的水资源严重浪费的现象。

关键词：农林灌溉,AT89C52,土壤湿度,传感器

参考文献

[1]邓立新.单片机原理及应用[M].北京:教清华大学出版社, 2012.

[2]戴永贵.C语言程序教程[M].北京:机械工业出版社, 2010.

控制设计的农业灌溉 篇7

现代科技日新月异,如何将新的科学技术应用于农业以促进农业的健康发展显得尤为重要[1]。新疆是产棉大省,气候干旱少雨,农田水分对棉花产量影响巨大,因此棉田的高效率灌溉显得尤为重要。近几年,新疆棉区已由传统的渠灌转变为滴灌,这是一个巨大的进步。然而由于棉田面积广大,不同地块所需灌溉用水不同,滴灌的高效管理成为一个新课题。由于单靠人力劳动强度大、效率低,在大田中铺设线缆来控制虽然可以提高效率,但使田间环境复杂化,影响农机设备的运行,因此迫切需要引入无线控制技术。关于短距离无线通信,国际国内比较热门的方案有蓝牙、红外线和ZigBee等。目前,一些公司和院校的科研人员已经在工业技术应用于农业上取得了一些成绩,但目前主流设计的一个共同点就是忽视了广大农户的实际需求,所设计的控制系统过于复杂和庞大,成本过高,不符合新疆地区广大农户的实际需求[2]。为此,设计了一种简单易行的上、下位机结构的无线远程控制系统,降低了成本,利于推广,符合广大农户的实际需求。

1 网络结构设计

本系统采用“监控中心—前端无线模块”的构建模式,整体采用简单层级结构,各分节点采用星形结构,实现数据的分级传输,如图1所示。监控中心是整个系统运作的核心,负责从各无线模块上接收信息,发送各种操作命令给无线模块,以控制无线模块所连接的终端设备的行为。无线模块被布置于远离监控中心的各监测点处,负责完成与监控中心的通信联接、信息的采集并响应控制中心发出的控制命令。

图1中各个节点即为田间无线信号传输及阀门控制点。每个节点都有自己的地址,由上位机发出信号,逐级往下传送,然后下位机的回馈信号也逐级往上传送,最终完成一个指令和数据的完整传输。nRF24L01无线收发模块最多可以同时接收6个节点发来的信息,高级节点向低级节点发送时采用轮询方式。本方案对各节点均采取一对六的方式,理论上可以实现无限多级的网络层次,经过计算发现第3级的节点共有36个,如果有第4级的话节点将会达到216个;而实际田间运用中每一个节点又可以控制多个阀门(如一控二、一控四等),所以中小规模的田地一般采用三级网络,大规模控制可采用四级网络。

2 系统硬件设计

本系统硬件设计相对简单,如图2所示。前端无线节点暂采用挪威Nordic公司的nRF24L01[3]模块实现(可根据实际需要选择更适合的模块),系统中的网络路由设备和数据采集控制终端(即所有nRF24L01节点)都采用规范化电路设计,通过写入相应的程序分别完成不同功能[4]。它们是由集成了微处理器和无线收发器的nRF24L01模块和时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、模拟处理电路、通信接口电路模块和电源处理模块等共同组成。

3 系统软件设计

3.1 系统结构

软件分为上位机和下位机两部分[5]。为实现应用程序的快速开发,减少开发周期,下位机采用基于工业标准的ARM平台下的C语言,开发工具使用Keil。上位机采用面向对象的C#语言[6],使用SharpDeveloper开发工具。上位机系统运行于Windows操作系统(可据实进行调整),软件结构如图3所示。

3.2 功能模块的划分

系统采用国际通用标准化设计,便于对系统进行调试、维护、扩充和完善。在对系统进行建模时,将其分为几个功能模块,各功能模块之间尽量达到低耦合、高内聚的要求。在编程实现时,按照系统建模的思路使程序模块化、功能组态化,以利于系统的扩展和灵活配置。下面分别对各个功能模块进行介绍。

3.2.1 人机界面模块

该模块主要完成系统的初始化设置及显示。各个功能参数设置是在不同的子窗口中完成的,主界面如图4所示。

3.2.2 数据采集与处理模块

此模块为整个系统的核心,执行对系统工作所需要的环境参数以及控制参数的采集功能[7]。一方面,它接收在人机界面上用户设置的系统工作参数;另一方面,收集前端模块上连接的传感器的一些实时或非实时信息,并按需求与数据库关联并保存[8]。

3.2.3 通信模块

该模块即为nRF24L01的控制模块,控制主机与无线模块的通信。系统主机将控制信息和通信信息发送给无线模块,无线模块接收到相应的信息,然后根据自身协议发送给需要控制或通信的前端无线模块,控制相应的设备或者从无线模块的某个端口获取信息。本系统对通信实时性要求[9,10]并不苛刻,数据传输量不大,可采用RS232串口通信。

3.2.4 轮灌设置模块

本系统可对灌溉计划进行预设置,存储在数据库中,实现系统自动控制,还可以采用手动操作方式对某个阀门进行控制。

3.2.5 报警模块

当设定系统工作时需要报警,同时设置了报警信息的话,系统会根据系统实时工作状况,及时判断设定的报警参数,给出具体的报警信息。例如,在系统初始检测阶段,当检测出系统某个控制设备没有准备好时,就会发出相应的报警信息,告知用户发生错误;待处理完成、同时系统中没有其他的错误后,系统开始工作。

4系统测试与分析

2012年在农八师143团实地测试,由于地块形状不规则,而理想的无线信号覆盖范围是圆形,所以实际节点布局有多种形式。为了使各节点实际布局更加合理,对各种布局做出详细的测试并记录数据。

图5为理想布局形式(即圆形布局),此形式下测得的数据如表1所示。

分析:理想布局下不同距离各测量1次得出表1数据;所测范围最大达到78.5hm2(圆形面积),绝大部分节点始终正常工作,距离超过200m以后通信性能下降,坏点增多。经检查,个别坏节点的产生是由于其自身发生故障或障碍物阻挡。

图6为田间的实际布局,一级节点位于路边泵房中,二级和三级节点呈直线型排列,每两个阀门之间的距离约30m,离理想圆形布局有很大差距。此种布局下,测得系统运行后只有一个阀门不能正常控制,更换阀门后则正常。而此时一级节点和二级节点之间的最远距离约有250m,说明在这个距离上各个节点仍能正常工作。可见,nRF24XXX系列的无线收发器性能强劲,若在天线方面加以改良,预计会有更好的性能。

一个数据收发周期约为4s,整个系统的数据收发周期在3min以内。实验中采用三级网络,每个节点控制两个电磁阀(即一控二,如图4所示),采用干电池供电。节点装置由塑料管支撑,高出作物高度,田间地势平坦,无障碍物,最终结果令人满意。

5 结论

本文给出的控制方案简单易行、便于维护;在前人的基础上另辟蹊径,提出了一种全新的简化系统,成本更低,更符合现阶段农户对新技术的心理预期和实际需求。广大农户经济实力偏弱,且普遍对新技术持观望态度,所以低成本、易操作、能解决主要问题的系统才是农户想要的高科技,才能在田间推广开来,真正使新技术服务于人民。对实验中的数据进行分析发现,影响信号传输的主要因素是节点的制造工艺和天线的匹配,而非芯片本身的能力。也就是说,只要把传统的无线收发芯片的性能充分发挥,就可以满足大部分应用需求,而不必像ZigBee那样应用复杂的协议。在走访调研广大基层农民之后,从他们对新技术的心理预期和独特视角出发,设计了一种低复杂度的无线控制系统,并在实际运行中较好地完成了任务,满足预期目标,是一种切合实际的方案和思路,对现代科技应用于农业具有重要的启发意义。

摘要：针对新疆大田滴灌控制点分散、靠人力控制十分困难的情况,设计了一种超低成本的无线控制系统。该系统以ARM为核心器件,辅以nRF24L01无线收发模块为通信手段,可直接作用于各个电磁阀采集状态信息并及时反馈。在上位机中,采用人机交互界面进行操作,通过对前端无线节点的统一协调指挥,完成对电磁阀的控制和状态的采集工作。

关键词：棉田灌溉,无线通信,远程控制,数据采集

参考文献

[1]鄢和平.集约化是现代农业的必由之路[J].中国农资,2012(4):19.

[2]张永杰.我国现代农业科技的发展趋势与工作重点[J].农业展望,2012,8(1):48-50.

[3]刘冰,张琳,张惠民.自适应无线传感器网络MAC协议[J].北京邮电大学学报,2007,30(5):108-111.

[4]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5]胡晓明,刘书燕.用Visual Basic设计分布式监控通信系统[J].西安邮电学院学报,2005,10(1):87-91.

[6](美)内格尔.C#高级编程(4版)[M].北京:清华大学出版社,2006.

[7]金艳.GPRS/GSM在安全监控及数据采集中的应用[D].杭州:浙江大学,2006.

[8]李香敏,徐进,姜世锋.SQL Server2000Developer’s Guide开发人员指南[M].北京:希望电子出版社,2000.

[9]周扬,陈星.串行总线通信中可靠性、实时性与软件设计[J].微计算机信息,2008,33:193-194.