农业物联网自动灌溉系统.doc

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智能农业灌溉系统应用方案

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编制：
高圣飞

日期：
2013-09-09
审核：
林工

日期：
2013-10-23
批准：
万 宏

日期：
2013-11-16

版权所有 © 2013南京市万宏测控技术有限公司 保留所有权利
智能农业灌溉系统方案
一．智能农业产生的背景
中国作为农业大国，同时也意味着是用水大国，而且中国水资源极为短缺，水资源危机已成为制约经济可持续发展的重要的因素。我国农业用水浪费严重，灌溉水利用系数低，因此走科技节水型农业之路来实现水资源的合理利用，不仅可以节约水资源，更重要的是可以提高农业用水效率，改善生态环境，这是实现我国精确农业的关键。从世界范围看，节水和节能的灌溉方法是当今世界供水技术发展的总趋势，作为发达国家的美国每年同样有大量的水资源会被浪费，美国每年浪费掉的水资源高达8520亿升，若安装一种智能农业灌溉系统则可有效地控制水流量，达到节水的目的。根据美国水工程协会的报告称，美国住宅区和商业区的草坪、植物灌溉用水浪费了喔30%到300%。水资源被浪费的主要原因是技术不行，美国有4500万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，他们再时间控制上还可以，但精度不高。在中国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%~80%，因而，解决农业节水灌溉用水的问题，缓解水资源紧缺问题是非常重要的。我们的智能农业灌溉系统在这种背景下应运而生。
所谓智能农业灌溉系统就是不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间，系统可以实现自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌溉，太湿时减少喷灌溉，实现此功能就要充分利用控制器的控制作用，利用传感器采集的模拟信号经A/D模块转换成数字信号。针对灌溉水利用系统较低，本方案提出一种基于嵌入式智能灌溉控制系统。依托传感器网络采集灌溉区作物需水信息，汇聚到网关节点发送给主控中心，中心主机根据信息确定灌溉状态并计算灌溉水量，控制灌溉设备工作实现智能灌溉。
二．智能农业自动化节水灌溉施肥系统的特点
1、 将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。
2、 通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉的成本。
3、 整体系统采用以太网进行数据通讯，稳定性和实时性强。
4、 数据处理能力强，响应速度快。
5、 系统维护能力强，减轻用户负担。
6、 开放式系统设计，软硬件均可升级。
7、 实时显示灌溉水情、闸位、水位信息。
8、 实现遥测系统设备监控管理功能。
9、 通过现代通讯手段向相关单位发送灌溉数据域灌溉信息。
三．智能农业灌溉系统的工作原理
1：自动化节水灌溉系统工作时，传感器采集到的信号，通过A/D模块转换，将标准的电压模拟信号转换为数字信号，输入到可编程控制器，经过数据处理后，通过通信模块上传至上位机或控制中心进行显示、处理及存储，系统根据实时采集并接收的数据与系统的设定值进行比较判断，将信号传给变频器，变频器根据具体的信号值，相应的调节电动机的转速，电动机带动水泵从水源抽水，需要灌溉时，电磁阀就会根据控制中心下达的指令开启，灌溉结束时，电磁阀就根据控制中心下达的指令关闭。（也可以在泵房控制中心，手动在控制柜上开启某一个点的电动阀门或者多点电动阀门/同时启动电机水泵）。
为了避免离水源远的地方供水不能被供给足够的压力，在主供水管道或者支管道安装压力传感器，保证管道的水压满足设定的喷灌射程，避免发生因为水压不足，、喷头射程减少的现象，反之水量过大：浪费电量/管道爆管。

名称
数量/个
单价/元
金额/元
采集控制部分
采集控制变频柜
1

深水井电机水泵
1

电动阀门控制器
N

电动阀门
N

流量传感器
1

压力传感器
1

有线传输模块
N

N

平台控制软件
1

管材
主管道
N

支管道
N

管道配件
N

电源线
N

信号线
N

网线
N

防护箱/供电方式？
N

合计

2：自动施肥系统：水肥控制一体机是智能浇灌控制系统中的独立可联动设备，它将控制仪、时控开关、交流接触器以及配电设备安装在一个机箱内 ，通过管道安装的高压泵，将液肥加注入主供水管道中。

名称
数量/个
单价/元
金额/元
采集控制柜
1

高压水泵
1

电磁阀
3

虹吸阀
3

泄压阀
1

调节阀
3

浮球阀
1

过滤器
2

水桶
1

水桶接头
3

阀门管件

底座
镀锌方管

人工费
N

合计

四．智能农业灌溉系统组成
智能农业灌溉系统主要有硬件部分和软件部分组成。
硬件部分——可编程控制器（MCU）、主控系统工控模块、传感器、A/D模块、变频器、无线通信模块、电动机、继电器、水泵、电动阀门、水肥一体设备、主管道、支管道、滴灌带、喷头等等。
①可编程控制器（MCU）：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分。
②传感器：通过传感器采集土壤里的湿度信号和温度信号，判断是否需要灌溉、土壤养分是否开启施肥设备。
③A/D：可编程器对所以需将传感器的电压信号转换成数字信号。
④变频器：通过改变电动机的转速调节灌溉流量，达到节水的目的。
⑤通信模块：将传感器收集到的信息通过通讯系统传至给主控系统从而进行控制处理。
⑥主控系统：对无线/有线传输的数据信息进行分析，从而控制电动阀门和电机水泵。
⑦电动机、水泵：由电动机带动水泵从水源处抽水，为灌溉系统提供一定得压力。
⑧压力传感器：实时监测管网压力，反馈给处理器分析处理，保持供水管网恒压
⑧电子流量传感器：实时掌握灌溉用水量信息。
⑧电动阀门：控制是否进行开启/关闭灌溉需求。
软件部分—软件作为与硬件重要的结合部分，其重要性不言而喻，软件可以实现对应要求所需的功能。传感器将采集的信号送入到可编程控制器控，经过数据处理后，通过通讯系统上传至主控系统中心进行显示、处理及存储(可采集到的数据有环境温度、环境湿度、土壤含水量、管网压力、总的用水量….等等)。系统根据实时采集并接收的数据与系统的设定值进行比较判断，来控制电磁阀的开启和延续时间的长短、实时智能控制。
传感器节点结构
湿度传感器

MCU微处理器

电源模块
温度传感器
无线数传模块
以太网模块

主控系统结构图

压力反馈

无线数传模块

恒压供水

主控系统工况模块

以太网模块

LCD显示屏

水肥一体控制系统

多路继电器输出控制系统

水肥
继电器高压泵继电器3
高压泵继电器3
灌溉3
继电灌溉2
器灌溉2
3
灌溉2
灌溉2
灌电器1

电动阀
滴管1
灌溉62
喷灌
灌溉5
电动阀继电器1

五．智能农业节水灌溉系统功能介绍
为了实现灌溉系统的智能控制，灌溉系统必须具备以下主要功能：
1、数据采集功能：可接收传感器采集的模拟量。通过A/D转换为 数字信号。
2、通讯功能：系统上行数据与下行数据均采用了基于广域网的先 进的无线传输方式或者有线方式进行传输。上行数据包括：空气温度、湿度；土壤温度、显度；电磁阀及各控制器的工作状态等信息。下行数据是指中央计算机向各控制单元发出的各种控制指令，包括电磁阀的开关指令。无线通讯技术的使用，拓展了控制器的应用范围，实现了计算机和控制器等多方面的互动性。
3、控制功能主要包括：①自动控制功能：主控制系统将通过程序将传感器检测的信号与预先设定的标准信号范围值相比较，然后根据实际情况，自动调节电机转速，进行灌溉。②定时控制功能：系统可对电动阀设定开、关时间，当灌溉的信号值达到设定的湿度值时，电机水泵自动停止灌溉。
4、变速功能：变速功能主要通过变频器来调速度，变频器根据实际的信号状态自动调节电动机的转速，电动机设有高速、中速、低速3种旋转速度状态。

六．智能农业灌溉系统在不同灌溉方式中的应用
漫灌——确定灌溉水渗透到农作物根域的时间，选择合适的水流速，确保在此时间内灌溉水能从地头流到地尾。
喷灌——因灌溉系统的延迟，即使停止灌溉，灌溉水仍继续下渗。因此，需要两个土壤水分探头来监测入渗速率。
滴灌——滴灌系统中的常见问题是灌溉时间过长，灌溉次数不够。结合智能灌溉系统可实现短期、多次灌溉，阻止水渗透到根层以下。
渗灌——在渗灌中，用户无法看到水，容易造成过度灌溉。结合农业灌溉智能系统，渗灌将成为最有效的灌溉系统。

意义
智能广域农田供水系统，实现了多种灌溉控制方式和功能的统一，智能农业灌溉系统不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，节省人力成本，还可以增加农产品的成本。
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