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智能节水浇灌系统设计原理及使用方法

智能节水浇灌系统也叫智能农业物联网精细农业自控系统，是托普云农物联网为确保农业作物需水量前提下，实现节省用水而提出一整套处理方案。智能节水浇灌系统简单说就是农业浇灌不需要人控制，系统能自动感测到什么时候需要浇灌，浇灌多长时间；智能节水浇灌系统能够自动开启浇灌，也能够自动关闭浇灌；能够实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时降低喷灌量。

一、智能节水浇灌系统功效设计
智能节水浇灌系统要实现上述功效就要充足利用可编程控制器控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度功效必需要有土壤湿度传感器。要实现浇灌水量多和少调整，必需要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。
针对浇灌水利用系数较低,文中提出一个基于嵌入式智能浇灌控制系统。依靠无线传感器网络采集灌区作物需水信息,汇聚到网关节点发送给主控中心,中心主机依据信息确定浇灌状态并计算灌水量,控制浇灌设备工作实现智能浇灌;依靠Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化浇灌需求。依据示范区观察,浇灌水利用系数由原来0.6提升到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,处理了正确农业亟待处理关键技术问题。
智能节水浇灌系统包含到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多个高新技术，这些新技术应用使中国农业由传统劳动密集型向技术密集型转变奠定了关键基础。
智能节水浇灌系统能够依据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还能够在雨後监控土壤湿度。有研究现实，和传统浇灌系统相比，智能节水浇灌系统成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台新法案要求起新企业必需使用智能节水浇灌系统。

二、智能节水浇灌系统设计背景
浇灌造成水资源大量浪费
美国每十二个月浪费掉水资源高达8,520亿升，而若安装一个智能节水浇灌系统则可有效地控制水流量，达成节水目标。HydroPoint企业负责可连续领域业务Chris Spain援引美国用水工程协会汇报称，美国住宅区和商业区草坪、植物浇灌用水浪费了30%到300%。
水资源被浪费原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器浇灌系统，们在时间控制上还能够，但正确度不高。Spain称，城市浇灌系统占城市用水58%，这些被浪费水资源每十二个月生产54.4万吨温室气体。
在中国农业用水量约占总用水量80%左右，因为农业浇灌效率普遍低下，水利用率仅为45%，而水资源利用率高国家已达70%～80%，所以，处理农业浇灌用水问题，对于缓解水资源紧缺是很关键。我们智能节水浇灌系统在这种背景下应运而生了。
不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，伴随越来越多家庭开始节省能源，使用热水可能会超出取暖成为制造二氧化碳关键路径。
三、智能节水浇灌系统工作原理
浇灌系统工作时，湿度传感器采集土壤里干湿度信号，检测到湿度信号经过A/D模块转换，将标准电流模拟信号转换为湿度数字信号，输入到可编程控制器。可编程控制器内预先设定50%-60%RH为标准湿度值，实际测得湿度信号和50%-60%RH比较，能够分为：在这个范围内，超出这个范围，小于这个范围三种情况。
可编程控制器将控制信号传给变频器，变频器依据湿度值，对应调整电动机转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要浇灌时，电磁阀就自动开启，经过主管道和支管道为喷头输水，喷头以各自旋转角度自动旋转。浇灌结束时电磁阀自动关闭。为了避免离水源远喷头不能被供给足够压力，在电磁阀一侧安装一块压力表，确保个喷头水压满足设定喷灌射程，避免发生因为水压不足，喷头射程降低现象。整个系统协调工作，实现对草坪浇灌智能控制。
总而言之，要实现智能浇灌，系统需要有可编程控制器、传感器、A/D模块、变频器、电动机、水泵、电磁阀、管网和喷头等设备。
①可编程控制器：负责发出和接收多种运行程序指令，是整个控制系统中枢部分。
②传感器：因为此次设计时间比较仓促，忽略了温度对浇灌影响，所以没有使用温度传感器，只使用了土壤湿度传感器。经过传感器采集土壤里湿度信号，判定是否需要浇灌。
③A/D模块：因为可编程控制器不能接收模拟信号，所以需将传感器电压或电流信号转换成数字信号。
④变频器：经过改变电动机转速调整喷灌流量，达成节水目标。
⑤电动机、水泵：由电动机带动水泵从水源抽水，为喷灌系统提供一定压力。
⑥电磁阀：控制喷头喷灌是否。
⑦喷头：实现均匀喷洒，便于充足吸收。
⑧管网：浇灌系统输送水管路。
四、智能节水浇灌系统设计特点
1、系统模块化、层次化设计，以提升效率，增加可维护性，便于扩展；
2、灵活硬件配置，用户能够任意升级、更换被控硬件设备，而不需要更换软件；
3、人机界面友好，实现浇灌过程无人值守，降低人员工作强度，提升浇灌效率；
4、抗电磁干扰能力强，确保系统在野外强电磁干扰恶劣环境下能可靠地运行；
5、故障自动检测功效，提升系统健壮性，多种设备布局要求美观。
五、智能节水浇灌系统9大功效
为了最大程度地节省喷灌用水和实现智能控制，浇灌系统必需含有以下功效：
1、数据采集功效：可接收土壤湿度传感器采集模拟量。模拟量信号处理是将模拟信号转变成数字信号（A/D转换）。
2、控制功效：含有定时控制、循环控制功效，用户可依据需要灵活选择控制方法。
①自动控制功效：可编程控制器经过程序将传感器检测湿度信号和预先设定标准湿度范围值相比较，假如检测湿度值超出了设定湿度值，（低于设定值则调大电动机转速，高于设定值则调小电动机转速）则自动调整电动机转速，进行浇灌操作。
②定时控制功效：系统可对电磁阀设定开、关时间，当浇灌湿度值达成设定湿度值时，电动机自动停止浇灌。
③循环控制功效 ：用户在可编程控制器内预先编好控制程序，分别设定起始时间、结束时间、浇灌时间、停止时间，系统按设定好时间自动循环浇灌。
变速功效：目前所测土壤湿度值和预先设定最适宜草坪生长湿度值50%—60%RH比较，分为大于、等于、小于三种结果，即可将湿度分为高湿度、中湿度、低湿度三种状态。在控制面板上表现为高湿度、中湿度、低湿度三个指示灯。变频器依据土壤湿度三个状态自动调整电动机转速，电动机设有高速，中速，低速3种旋转速度，分别对应高速，中速，低速三个指示灯。
4、自动转停功效：控制系统依据土壤干湿度情况自动开启喷灌，控制电动机以所需转速转动，喷头喷灌5分钟，停2分钟，再喷5分钟后自动停转。
5.、电动机过载保护功效：当电动机过载时，电动机立即停止转动，浇灌过程中止，而且故障指示灯闪烁报警，过载消除后自动恢复运转。
6、阴雨天自动停止：利用湿度传感器开关量作为一个可编程控制器输入信号，实现控制相关程序功效。
7、省电功效：定时控制器在断电时正常计时，故采取其作为可编程控制器电源控制。在定时浇灌控制时间之内，由定时器接通可编程控制器电源，可编程控制器按预先编制程序依次打开各控制设备电源，并依据输入信号改变随时调整程序实施。在非系统工作时间里，定时器自动断开可编程控制器电源，这么既降低了系统花费电能又延长了设备使用寿命。
8、急停功效：当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，电动机立即停止运转，阀门关闭，喷头停止浇灌。
9、故障自动检测功效：当浇灌系统出现故障，如水管破裂（水压为零），传感器故障，电动机故障，变频器故障，电磁阀故障等，水泵立即停止运行，电磁阀关闭，故障报警灯闪烁并伴有警笛声响起。操作人员能够按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才自动停止闪烁。
六、智能节水浇灌系统关键意义
智能节水浇灌系统不仅能够提升源利用率，缓解水资源日趋担心矛盾，还能够增加农作物产量，降低农产品成本。基于传感器技术智能节水浇灌系统是中国发展高效农业和精细农业必由之路。