智能農業灌溉係統|智能農業灌溉係統介紹

　　智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統也叫智能農(nong) 業(ye) 物聯網精細農(nong) 業(ye) 自控係統，是托普物聯網為(wei) 保證農(nong) 業(ye) 作物需水量的前提下，實現節約用水而提出的一整套解決(jue) 方案。智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統簡單的說就是農(nong) 業(ye) 灌溉不需要人的控製，係統能自動感測到什麽(me) 時候需要灌溉，灌溉多長時間；智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統可以自動開啟灌溉，也可以自動關(guan) 閉灌溉；可以實現土壤太幹時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。

　　一、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的功能設計

　　智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統要實現上述功能就要充分利用可編程控製器的控製作用。係統要實現自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳(chuan) 感器。要實現灌溉水量的多與(yu) 少的調節，必須要有變頻器。在可編程控製器內(nei) 預先設定50%—60%RH為(wei) 標準濕度，傳(chuan) 感器采集的濕度模擬信號經A/D模塊轉換成數字信號。

　　針對灌溉水利用係數較低,文中提出一種基於(yu) 嵌入式智能灌溉控製係統。依托無線傳(chuan) 感器網絡采集灌區作物需水信息,匯聚到網關(guan) 節點發送給主控中心,中心主機根據信息確定灌溉狀態並計算灌水量,控製灌溉設備工作實現智能灌溉;依托Internet管理員有權對係統遠程管理,滿足了規模化灌溉的需求。根據示範區觀測,灌溉水利用係數由原來的0.6提高到0.9。係統結合了無線傳(chuan) 感、計算和網絡通信技術,解決(jue) 了農(nong) 業(ye) 亟待解決(jue) 的關(guan) 鍵技術問題。

　　智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統涉及到傳(chuan) 感器技術、自動控製技術、計算機技術、無線通信技術等多種高新技術，這些新技術的應用使我國的農(nong) 業(ye) 由傳(chuan) 統的勞動密集型向技術密集型轉變奠定了重要的基礎。

　　智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統可以根據植物和土壤種類，光照數量來優(you) 化用水量，還可以在雨後監控土壤的濕度。有研究現實，和傳(chuan) 統灌溉係統相比，智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的成本差不多，卻可節水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必須使用智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統。

　　二、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的設計背景

　　美國每年浪費掉的水資源高達8,520億(yi) 升，而若安裝一種智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統則可有效地控製水流量，達到節水目的。HydroPoint公司負責可持續領域業(ye) 務的Chris Spain援引美國用水工程協會(hui) 的報告稱，美國住宅區和商業(ye) 區的草坪、植物灌溉用水浪費了30%到300%。

　　水資源被浪費的原因是技術不行，美國有4,500萬(wan) 個(ge) 僅(jin) 是安有簡易計時器的灌溉係統，它們(men) 在時間控製上還可以，但度不高。Spain稱，城市灌溉係統占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生產(chan) 54.4萬(wan) 噸溫室氣體(ti) 。

　　在中國農(nong) 業(ye) 用水量約占總用水量的80%左右，由於(yu) 農(nong) 業(ye) 灌溉效率普遍低下，水的利用率僅(jin) 為(wei) 45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決(jue) 農(nong) 業(ye) 灌溉用水的問題，對於(yu) 緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們(men) 的智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統在這種背景下應運而生了。

　　不僅(jin) 美國，英國也開始關(guan) 注節水問題。英國節能信托基金會(hui) 和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節約能源，使用熱水可能會(hui) 超過取暖成為(wei) 製造二氧化碳的主要途徑。

　　三、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統工作原理

　　灌溉係統工作時，濕度傳(chuan) 感器采集土壤裏的幹濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉換，將標準的電流模擬信號轉換為(wei) 濕度數字信號，輸入到可編程控製器。可編程控製器內(nei) 預先設定50%-60%RH為(wei) 標準濕度值，實際測得的濕度信號與(yu) 50%-60%RH比較，可以分為(wei) ：在這個(ge) 範圍內(nei) ，超出這個(ge) 範圍，小於(yu) 這個(ge) 範圍三種情況。

可編程控製器將控製信號傳(chuan) 給變頻器，變頻器根據濕度值，相應的調節電動機的轉速，電動機帶動水泵從(cong) 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(wei) 噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉角度自動旋轉。灌溉結束時電磁閥自動關(guan) 閉。為(wei) 了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側(ce) 安裝一塊壓力表，保證個(ge) 噴頭的水壓滿足設定的噴灌射程，避免發生因為(wei) 水壓不足，噴頭射程減少的現象。整個(ge) 係統協調工作，實現對草坪灌溉的智能控製。

　　綜上所述，要實現智能灌溉，係統需要有可編程控製器、傳(chuan) 感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網和噴頭等設備。

　　①可編程控製器：負責發出和接收各種運行程序指令，是整個(ge) 控製係統的中樞部分。

　　②傳(chuan) 感器：由於(yu) 本次設計時間比較倉(cang) 促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳(chuan) 感器，隻使用了土壤濕度傳(chuan) 感器。通過傳(chuan) 感器采集土壤裏的濕度信號，判斷是否需要灌溉。

　　③A/D模塊：因為(wei) 可編程控製器不能接收模擬信號，所以需將傳(chuan) 感器的電壓或電流信號轉換成數字信號。

　　④變頻器：通過改變電動機的轉速調節噴灌流量，達到節水的目的。

　　⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從(cong) 水源抽水，為(wei) 噴灌係統提供一定的壓力。

　　⑥電磁閥：控製噴頭的噴灌與(yu) 否。

　　⑦噴頭：實現均勻噴灑，便於(yu) 充分吸收。

　　⑧管網：灌溉係統輸送水的管路。

　　四、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的設計特點

　　1、係統模塊化、層次化設計，以提率，增加可維護性，便於(yu) 擴展；

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

　　3、人機界麵友好，實現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、抗電磁幹擾的能力強，保證係統在野外強電磁幹擾的惡劣環境下能可靠地運行；

　　5、故障自動檢測功能，提高係統的健壯性，各種設備的布局要求美觀。

　　五、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的9大功能

　　為(wei) 了zui大限度地節約噴灌用水和實現智能控製，灌溉係統必須具備以下功能：

　　1、數據采集功能：可接收土壤濕度傳(chuan) 感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉變成數字信號（A/D轉換）。

　　2、控製功能：具有定時控製、循環控製的功能，用戶可根據需要靈活選用控製方式。

　　①自動控製功能：可編程控製器通過程序將傳(chuan) 感器檢測的濕度信號與(yu) 預先設定的標準濕度範圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設定濕度值，（低於(yu) 設定值則調大電動機轉速，高於(yu) 設定值則調小電動機轉速）則自動調節電動機轉速，進行灌溉操作。

　　②定時控製功能：係統可對電磁閥設定開、關(guan) 時間，當灌溉的濕度值達到設定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。

　　③循環控製功能 ：用戶在可編程控製器內(nei) 預先編好控製程序，分別設定起始時間、結束時間、灌溉時間、停止時間，係統按設定好的時間自動循環灌溉。

　　變速功能：當前所測的土壤濕度值與(yu) 預先設定的zui適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分為(wei) 大於(yu) 、等於(yu) 、小於(yu) 三種結果，即可將濕度分為(wei) 高濕度、中濕度、低濕度三種狀態。在控製麵板上表現為(wei) 高濕度、中濕度、低濕度三個(ge) 指示燈。變頻器根據土壤濕度的三個(ge) 狀態自動調節電動機的轉速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉速度，分別對應高速，中速，低速三個(ge) 指示燈。

　　4、自動轉停功能：控製係統根據土壤的幹濕度情況自動啟動噴灌，控製電動機以所需的轉速轉動，噴頭噴灌5分鍾，停2分鍾，再噴5分鍾後自動停轉。

　　5.、電動機過載保護功能：當電動機過載時，電動機立即停止轉動，灌溉過程中止，並且故障指示燈閃爍報警，過載消除後自動恢複運轉。

　　6、陰雨天自動停止：利用濕度傳(chuan) 感器的開關(guan) 量作為(wei) 一個(ge) 可編程控製器的輸入信號，實現控製相關(guan) 程序的功能。

　　7、省電功能：定時控製器在斷電時正常計時，故采用其作為(wei) 可編程控製器的電源控製。在定時灌溉控製時間之內(nei) ，由定時器接通可編程控製器的電源，可編程控製器按預先編製的程序依次打開各控製設備電源，並根據輸入信號的變化隨時調整程序的執行。在非係統工作時間裏，定時器自動斷開可編程控製器的電源，這樣既減少了係統耗費的電能又延長了設備的使用壽命。

　　8、急停功能：當出現緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉，閥門關(guan) 閉，噴頭停止灌溉。

　　9、故障自動檢測功能：當灌溉係統出現故障，如水管破裂（水壓為(wei) 零），傳(chuan) 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(guan) 閉，故障報警燈閃爍並伴有警笛聲響起。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。

　　六、智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統的重要意義(yi)

　　智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統不僅(jin) 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(nong) 作物的產(chan) 量，降低農(nong) 產(chan) 品的成本。基於(yu) 傳(chuan) 感器技術的智能農(nong) 業(ye) 灌溉係統是中國發展農(nong) 業(ye) 和精細農(nong) 業(ye) 的必由之路。

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