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自动化智能滴灌控制系统设计方案

陕西颐信网络科技有限责任公司
西安天汇远通水利信息技术有限责任公司

目 录

一. 系统概述 - 3 -
二. 系统组成 - 4 -
三. 通信网络 - 5 -
四. 功能设计 - 6 -
4.1. 监测中心级设计 - 6 -
4.2. 首部控制级设计 - 6 -
4.3.1. 设计原则 - 7 -
4.3.2. 主要功能 - 8 -
4.3.3. 硬件设计 - 8 -
4.3.4. 软件设计 - 10 -
4.3. 田间控制级设计 - 13 -
4.3.1. 田间控制器主要功能 - 14 -
4.3.2. 田间控制器性能指标 - 14 -
4.3.3. 田间路由器节点主要功能 - 15 -
4.3.4. 田间路由器节点性能参数 - 15 -
4.3.5. 供电方式 - 15 -
五. 系统特性 - 16 -
六. 设计研究意义 - 16 -

一. 系统概述
全球用于灌溉土地的水几乎占人类可获得水量的大半，由于灌溉设施和方法落后，其中大部分被浪费掉了。相对于发达国家我国灌溉用水浪费更为严重，用水效率还非常低下，不及发达国家的一半。上世纪50年代，我国便开始引进并推行节水灌溉技术，到现在滴灌、喷灌、低压管道输水灌溉等节水技术已经在全国多个地方得到应用，并取得了良好的效果。然而当前大多数滴灌工程还停留在由人工现场开关阀门来控制灌溉的水平，难于实现精确控制，更为关键的是极大地制约了节灌的潜力，影响了滴灌效益的发挥。因此，想要真正提高滴灌系统运行的水平，保证农作物有效增产，减轻劳动强度，就必须采用现代科技手段，提高滴灌系统的自动化管理程度，发展田间自动化智能滴灌控制系统。

图1-1 自动化智能滴灌控制系统模型
二. 系统组成
自动化智能滴灌控制系统由灌溉监测中心站、首部控制器、田间控制器等组成：
监测中心站：监测中心站总揽整个系统的全局运行情况，对田间各个首部控制器的运行状态、田间控制器的运行状态、田间要素信息能够进行实时数据采集分析，同时可远程指挥首部控制器对其泵房电机进行启停控制及所有隶属于该首部控制器管辖范围内的田间电磁阀进行开闭控制，实现远程自动化灌溉以及轮灌计划执行。
首部控制器：首部控制器是具有ZigBee无线短传及GPRS远传功能的中间控制器，主要负责泵房电机的启闭控制、取用水量的监测、主枢纽管道的压力监测等，通过ZigBee无线自组网络与区域内田间控制器进行交互，向田间控制器下发电磁阀控制命令或索取电磁阀当前运行状态信息；同时首部控制器还需通过GPRS网络与监测中心站进行数据同步，并按照预先配置好的上传机制向监测中心站上传本区域内所有田间控制器的工作状态；
田间控制器：田间控制器是程网状结构分布在农田区域内，开机后与首部控制器自动组成通信网络。田间控制器直接与电磁阀门、电磁阀状态反馈器及田间要素监测传感器相连，通过解析来自首部控制器发送的指令来控制电磁阀的开关，同时上传监测农田区域内降雨、土壤温湿度、光照强度、土壤PH等影响农作物生长的自然要素信息至首部控制器。

图2-1 自动化智能滴灌控制系统结构图
三. 通信网络
自动化智能滴灌控制系统的网络通信分为首部控制器与监测中心站间的通信以及田间控制器与首部控制器间的通信，其中首部控制器与监测中心距离较远数据传输量大故选用GPRS网络通信；而田间控制器与首部控制器间的距离适中数据通信量小，故选用ZigBee自组网通信，同时ZigBee无线通信具备低功耗、无通信费用、投资较低、可适应各种野外环境等优势。

图3-1 自动化智能滴灌控制系统通信网络拓扑图
四. 功能设计
4.1. 监测中心级设计
4.2. 首部控制级设计
在首部控制级布设首部控制器，通过ZigBee网络通信技术与田间控制器连接，实现对灌区所有电磁阀的控制与监控，同时首部控制器通过GPRS移动互联网与监测中心进行数据同步与信息上传。
首部控制器在软件功能设计上应具备农户信息管理模块、操作权限管理模块、自动轮灌计划管理模块、田间控制器管理模块、用水量实时监控模块、终端故障报警模块等功能模块，当首部控制器接收到来自田间控制器上报非计划用水报警信息后应立即向监测中心发出报警信息通知管理员进行人工干预，以更好的协调监测中心对整个灌区进行合理化的灌溉调度。

首部控制器

IC射频卡
水泵
GPRS通信
串口配置
Zigbee无线模块
灌溉计划设置
显示反馈信息

图4-1 首部控制器功能示意图
4.3.. 设计原则
首部控制器应同时具备GPRS移动通信功能和ZigBee自组网通信功能，由于所有田间控制器和监测中心之间的数据交换都要通过首部控制器进行中转，这就要求首部控制器必须具备高可靠、高速率以及极佳的稳定性。同时首部控制器应提供继电器回路控制方式或通过数字通信接口与泵房电机控制系统相连，实现对泵房电机进行启闭控制。此外首部控制器还应提供人机交互接口，操作方便灵活，易于农户使用。
4.3.. 主要功能
v 控制泵房电机的启闭
v 监测单井出水量
v 监测主枢纽管道压力
v 具备用户权限管理功能
v 具备田间控制器与监测中心的数据中转功能
v 具备与监测中心实时同步轮灌计划功能
v 具备IC卡刷卡添加轮灌计划的功能
v 具备非计划用水报警功能
v 具备终端异常报警功能
v 具备运行日志导出及数据统计功能
4.3.. 硬件设计
4.2.3.1. 首部控制器性能参数
序号
项目
性能指标
备注
1
显示器尺寸
7寸带触摸

2
CPU
SAMSUNG S3C2440-40

3
内存
64MB SDRAM

4
存储空间
128MB NAND Flash

5
外扩存储
U盘/SDCard

6
通信接口
2路RS232、1路RS485、1USB-HOST、1USB-DEVICE

7
操作系统
WINCE5.0

8
供电
12VDC，130mA~380mA

图4-2 首部控制器主机示意图
4.2.3.2. GPRS模块性能参数
序号
项目
性能指标
备注
1
工作频段
EGSM900/GSM1800MHz

2
通信接口
RS232

3
供电
5~24VDC

图4-3 首部控制器GPRS模块示意图
4.2.3.3. ZigBee无线通信模块性能参数
序号
项目
性能指标
备注
1
通信频段
2405.0~2480.0MHz

2
发射功率
>6dbm@1.5V

3
接收灵敏度
>-97dbm@1.5V

4
功耗
TxMax<200mA,RxMax<220mA

5
通信距离
1.5Km

6
丢包率
<2%

图4-4 首部控制器ZigBee无线通信模块示意图
4.3.. 软件设计
首部控制器在软件功能设计上应具备农户信息管理模块、操作权限管理模块、自动轮灌计划管理模块、田间控制器管理模块、用水量实时监控模块、终端故障报警模块等功能模块:
4.2.4.1. 农户信息管理模块
农户信息管理模块应包含对农户的名称、家庭住址、耕地面积、灌区农田编号、农户土地关系等资料的收集存储，并支持数据导入导出功能等：
² 添加农户信息
² 修改农户信息
² 注销农户信息
² 批量导入导出农户信息
4.2.4.2. 操作权限管理模块
操作权限管理模块是一个比较复杂的事情，但对系统运行的安全性有着很大的帮助。为了更加便于农户操作，操作权限的识别可通过非接触式IC射频卡或用户名密码的验证方式获得首部控制器的操作权限。对于农户权限的分配可通过监测中心远程控制。对于权限的分配采用分级制度，一般农户仅仅具备农户名下农田操作的权限；灌区管理员具备所管辖灌区所有农田的操作权限，并具备农户信息管理操作权限；监测中心管理员则具备最高的管理权限，同时管理农户和灌区管理员的一切权限操作。

图4-5 操作权限管理模块示意图
4.2.4.3. 自动轮灌计划管理模块
自动轮灌计划管理模块主要负责根据农户或灌区管理员设定的轮灌计划以及监测中心下发的灌溉计划逐一的进行轮灌计划中的任务，对田间控制器进行命令操作电磁阀。其操作流程如下：

图4-6 自动灌溉计划管理模块示意图
自动轮灌计划管理模块主要功能：
l 配置轮灌计划：支持轮灌计划增加移除功能，可对轮灌计划进行分组管理；
l 执行轮灌计划：按照用户或灌区管理员配置的轮灌计划对田间控制器进行命令操作；
l 轮灌计划记录：查看轮灌计划的执行进度及统计轮灌计划执行日志；
4.2.4.4. 田间控制器管理模块
田间控制器管理模块负责实时的监测田间控制器的运行状态，如监测电磁阀的工作状态，支管压力、田间要素信息采集，主要功能如下：
l 电磁阀状态监控；
l 支管压力监测；
l 田间控制器状态信息监控；
l 田间要素信息采集；
l 田间控制器异常报警监测；
4.2.4.5. 用水量实时监控模块
用水量实时监控模块主要负责统计单井出水量的监测，当单井出水量超过预设的限定阈值时，向中心站上传水量开采超限信息，由监测中心来决策是否继续开采。
4.2.4.6. 终端故障报警模块
终端故障报警模块负责监控首部控制器的运行状态的检测，当检测到首部控制器出现运行配置异常或电源电压达到电压下限是向监测中心上传故障信息并进行本地事件记录。
4.3. 田间控制级设计
田间控制级包括无线田间路由器以及分布在田间的无线控制终端。终端节点将采集到的信息、数据上传到路由器节点。首部控制点作为路由器节点，大部分田间控制器作为终端节点，少数作为其它的路由器节点。ZigBee通信网络结构如下图所示：

图4-7 田间控制级结构示意图
4.3.. 田间控制器主要功能
l 控制连接到本阀门控制器的电磁阀。
l 向所属的路由节点反馈本阀门控制器的状态信息，如信号强度、电池电量、节点路由信息等。
l 检测电磁阀的开关状况。
l 检测连接到本阀门控制器的多种外围设备，如水压、墒情、温度、光照强度等传感器。
l 接收自己所属远程控制终端发来的开阀、关阀命令，进行开阀、关阀操作。
l 接收自己连接的电磁阀反馈的开关状态信息，如有违规手动开阀则向远程控制终端发送警报信息，并上报首部控制点。
4.3.. 田间控制器性能指标
l 系统功耗：最大发射电流<60mA，最大接收电流<66mA，待机电流<20mA，休眠电流<100uA。
l 每个无线阀门控制器可控制多个电磁阀。
l 电磁阀状态反馈：有。
l 阀门控制器自身电量反馈：有。
l 系统控制可靠性>99.99%
4.3.. 田间路由器节点主要功能
l 向所属的终端节点发送控制命令，接收所属终端节点的反馈数据。
l 向所属的首部控制点发送反馈信息，接收首部控制点的控制命令。
4.3.. 田间路由器节点性能参数
l 系统功耗：最大发射电流<200mA，最大接收电流<220mA。
l 通信距离：1.5km至2.0km。
l 控制时延<10s
l 系统控制可靠性>99.99%
4.3.. 供电方式
田间滴灌控制系统工作于野外，应该避免采用电缆供电，而应该采用电池供电。因此系统的供电方式和休眠方案需精心设计以满足功耗的要求。
田间的路由器节点由太阳能电池供电并且也不能进入休眠模式，它将负责保存控制中心发送给其子节点的命令，当其子节点唤醒后把命令转发给它们。
终端节点由原电池供电。在没有需要自身处理的命令时自动进入休眠模式，由定时器唤醒，并主动向其父节点发送数据请求命令，询问是否有属于自己的命令，有则执行无则再次进入休眠模式节省电量。为保证系统控制延时满足设计要求，将休眠时长设置为2至10秒，并且不计算电磁阀开关以及水压采集所需要的时间（因为每个节点在一天内只执行几次这样的命令），保证工作与休眠时间之比大于1：10，便能够使用干电池让终端节点连续工作数月之久。
五. 系统特性
具备可视化滴灌系统操纵界面，提供人机交互接口，方便农户操作；
采用ZigBee无线自组网解决方案，极大的减少系统的网络通信费用；
具备权限操作管理模式，能够根据不同权限适配不同等级的操作；
采用工业级产品设计标准，所有电路元器件可长期稳定的适应野外环境工作；
首部控制器采用工业级winCE工控机进行平台软件开发设计，高效稳定；
田间控制器采用低功耗设计方案，可采用干电池保证连续无间断工作10个月以上；
系统各级均具备运行日志记录功能，对系统的后期维护提供可靠的参考依据；

六. 设计研究意义
自动化滴灌实施后，通过安装节水计量设施及落实严格的规范化管理制度，使用水户科学配水、精确计量，引导农业由传统粗放型的灌溉模式转向精、准、细的节约型灌溉方式。实现了总量控制、定额管理、实时监控、增产增效的高效节水目标；更方便掌握农作物的需水量与需水规律，掌握灌水次数、灌溉时间与作物产量形成的关系；有助于掌握节水灌溉条件下主要农作物的耗水量与产量的关系以及主要农作物灌溉的适宜控制指标；有利于对实验农作物作出生物产量和经济产量结论，为研究农田灌溉节水技术提供基本参数。
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