太阳能自动灌溉系统

太阳能自动灌溉系统（通用8篇）

太阳能自动灌溉系统 篇1

0 引言

利用太阳能增温技术,提出了一种基于PLC控制的自动灌溉系统,既达到节水目的,又可以提高水温、避免井水冷害、促进水稻增产、提高品质。井水温度一般为4～6℃,远低于水稻生长的最低温度要求,从而导致井灌水稻生长进程延迟,产量低、品质差。为了解决以上问题,传统的增温技术包括晒水池、雾化增温、延长灌渠等技术,能够起到一定的增温效果;但是以上技术对气温的依赖程度大,而对太阳能的利用率不高。为此,拟引入太阳能加热器对井水增温,提高太阳能的利用率。同时,探索该技术的增温效果与水温、水量、气温、太阳辅射强度之间的关系,并结合传统的增温技术,确定其所占增温设施规模的最佳比例,以得到高性价比;利用计算机自动控制技术、水稻节水灌溉技术和决策支持系统等最大限度地提高水温,节水灌溉,提高水资源的利用率。该研究对于井灌稻区节水增温、提高水稻产量以及稻米品质具有重要的作用。

1 系统组成及结构功能

该系统由上位机组态监控系统、PLC、无线数传电台、太阳能加热控制系统、管道灌溉自动控制系统以及温湿度采集系统等组成。其系统结构框图,如图1所示。

1.1 上位机组态监控系统

主机选用研华工业控制机IPC-610,实现对各项参数的监控,对数据进行管理和网络监控。

1.2 数传电台

采用日本日精超小型ND250A数传电台。该电台功率较大,连续的工作能力强,具有一定的抗干扰能力,数话兼容,数传可优先。此控制系统应用面积广,布线耗量大且不方便,所以采集到的数据信息均通过电台传输。

1.3 太阳能加热控制系统

该地区一般灌溉用地下水水温在5℃左右,直接用来灌溉不利于苗生长。利用太阳能对灌溉水进行加温调控,不仅能够快速将水温调节到理想温度,而且节约能源。太阳能加温可以使水温升高,将水温控制在设定的上下限温度之间(22～36℃)。当温度传感器采样值低于下限值时,循环水泵将水送入加热管进行热交换,然后重新进入晒水池,反复循环;当温度传感器采样值达到上限值后,循环水泵停止工作,此时水温正适合用于灌溉。

1.4 管道灌溉自动控制系统

在控制中心计算机上,对前端温度、水位、土壤湿度等信息的采集采用无线数传电台传输。用PLC控制灌溉闸门,将温度合适的水直接输送田间沟畦灌溉农田。本系统使农业生产用水由粗放向精细转变,实施精准灌溉,按需供水,达到节约用水,提高水资源利用率的目的。

1.5 温湿度采集系统

基于无线传输技术,可以实现大规模、自组织、低功耗。低电压的无线传感网络系统,能将测量到的温度、湿度数据发送到中心监控主机,主机保存实时或历史数据可以通过局域网或互联网传送至更远端。通过温度、湿度、液位、流量等传感器采集相应的数据信息,经数传电台送入PLC中,程序判断何时灌溉、灌溉用时以及灌溉用水量。

2 太阳能加热自动控制系统设计

2.1 系统硬件设计

本文讨论的太阳能加热系统的控制装置的设计,以PLC为主控器,系统将通过温度、水位、光强等传感器把灌溉池以及灌溉田里的相关数据采集到PLC中;然后,根据相关算法来驱动供水阀、开启以及关闭太阳能加热设施。

2.1.1 PLC控制器

通过对多种PLC性能的指标、适用性和性价比等进行分析比较,最后采用了美国罗克韦尔公司的SLC500系列可编程控制器。它是一种模块结构的小型PLC, 提供最大容量最多可达64K字(128K字节)的数据/程序内存,SLC 500的模块化I/O系统提供了包括开关量、模拟量和专用模块在内的60多种I/O模块。模拟量模块电路,如图2所示。在模拟量电路中,各传感器采集信号通过数传电台与数传转换设备使PLC获取能够识别的模拟量信号。

2.1.2 温湿度采集系统

温度采集系统选用WCP-R系列 Pt100温度传感器,测温范围-80～500℃,允许偏差值△℃:A级±(0.15+0.002│t│), B级±(0.30+0.005│t│,热响应时间<30s,热电阻的最小置入深度≥200mm,允通电流≤5mA。Pt100温度传感器具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。湿度采集系统选用德国TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪,基于TDR(Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements)时域反射技术,用以直接测量土壤或其它介质的介电常数。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系,土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。测量范围为0～100%体积含水量,电导率范围为0～6dS/m,土壤温度测量范围为-15～+50℃(可定制其他温度量程)。本仪器具有防水结实、使用简单、支持中文、供电时间长、屏幕亮度高,且阳光下可见等特点,有多种通讯方式及接口,扩展性强,可接GPS,MODEM等。

2.1.3 液位采集系统

选用美国banner T30UINA5芯电缆式液位传感器。检测距离可选150～1 000mm 和300～ 2 000mm 两种。宽范围操作温度 -20 ～ +70℃,开关量输出可选 NPN 和 PNP型,模拟量输出可选0 ～ 10V或 4 ～ 20mA。U-GAGE T30系统是超声波检测方面一种操作简便、效果理想的超声波传感器。

2.1.4 WS科研级自动气象站

WS自动气象站核心部分由DL2e数据采集器组成,可对常规12种气象因子(大气温度、环境湿度、平均风速风向、瞬时风速风向、降水量、光照时数、太阳直接辐射、露点温度、土壤温度、土壤热通量、土壤水分、叶面湿度)进行直接测量。

2.2 系统软件设计

太阳能热水器与晒水池进行热循环,从晒水池入水口处取水,进入太阳能加热管里进行热交换,出来后重新进入晒水池的出水口位置。经过反复循环,当温度传感器采样值达到设定的上限值,如36℃—水稻生长较理想的温度,循环泵停止工作。智能灌溉系统可以根据当前某一块田的土壤情况(土壤湿度,稻田液位等),决策是否灌溉,排出晒水池中被加温过的水。灌溉结束后,智能灌溉系统启动机井水泵,向晒水池中注入井水。由于井水的注入,晒水池水温会降低,温度传感器采样值低于设定的温度下限值,如22℃—水稻生长的低温度。太阳辐射光强采样值高于下限值,太阳能加热循环泵重新开始工作。具体软件控制流程图,如图3所示。

Visual Studio .net 是微软公司推出的开发环境,是目前最流行的 Windows 平台应用程序开发环境。该系统采用微软Visual Studio .net 2005作为集成开发环境,使用SQL Server2005作为后台数据库,采用C#开发语言,完成软件的设计与实现。

3 结束语

本系统已投入使用,在实际应用中,太阳能加热自动控制系统成功地克服了该地区地下水温过低的难题,满足了灌溉的要求,而且降低了操作人员的劳动强度,是较理想的灌溉自动控制系统。实践证明,基于太阳能加热的水稻灌溉自动控制系统具有显著的经济和社会效益,是发展高效节能农业的有效途径之一。

摘要：生产实践表明,温度是影响水稻生长发育的重要因素之一。合适的水温,对水稻的生长发育起到了促进作用。为此,提出了一种由太阳能加热的自动控制灌溉系统的设计思想;同时,介绍了该系统的工作原理,并给出了软、硬件设计方法。实践证明,该系统具有节能环保,提高水稻质量与产量等优点,研究价值较高。

关键词：自动控制,太阳能,水稻,灌溉

参考文献

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太阳能自动灌溉系统 篇2

关键词：太阳能；自动跟踪；步进电机细分驱动；跟踪精度

能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式[1][2][3]和电池板固定朝南安装的方式[4]。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系统。设计硬件和软件控制流程，深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。

1 太阳能自动跟踪系统的设计

1.1 太阳运行规律

为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的[5]，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。

太阳高度角α

sinα=sin?准sin?啄+cos?准cos?啄cos?棕(1)

太阳方位角γ

sinγ=(2)

式中：φ是当地纬度，δ是太阳赤纬角，ω是太阳时角太阳赤纬：

?啄=23.45sin()(3)

式中：n是积日，一月一日为1，一月二日为2，……太阳时角

ω=15(12-t)(4)

式中：t是一天当中的时刻。

由式(1)-(4)可计算出太阳高度角和方位角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能自动跟踪。

1.2 系统总体设计

太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图1所示。整个系统分为六个部分：时钟模块，初始位置校验，单片机模块，驱动模块，光电检测模块和太阳能电池板。单片机是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。时钟模块主要把全年每天的时间提供给单片机。驱动模块包括光电隔离、步进电机驱动和步进电机，为了消除干扰，单片机和步进电机驱动之间需要加隔离；由于是在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪，因此需要两个相同的驱动模块。传感器模块包括四象限探测器、信号处理电路和A/D转换电路。太阳光线垂直照射四象限探测器时，它四个象限的输出电流等；

当发生偏移时，四个象限的电流不等，通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。信号处理电路负责信号采集放大，把电流信号转化为相应的电压量并放大后，通过A/D后送入单片机运算分析并发出控制信号给步进电机。

1.3 硬件设计

系统的控制核心采用的单片机是AT89S51；时钟芯片是DS1302；日出初始位置校验需要使用微动开关，系统使用三洲集团乐拉电器厂的 LXW5-11G2。

光电检测部分：(1)四象限探测器具有低暗电流，高可靠性、高均匀性、高对称性，盲区小的优点，系统采用的四象限探测器为Pacific Silicon Sensor的QP20-6TO8S。四象限探测器示意图如图2所示，器件是反向偏置的半导体二极管阵列，其工作原理是：当太阳光垂直照射器件各个象限时，各个象限输出的光电流ia、ib、ic、id相等；而当目标发生偏移时，各个象限的输出光电流不等，光电流经信号变换及放大后变为相应的电压量，太阳运动的两个偏移量由式(5)[6]算出，由此可测出太阳的方位，从而起到跟踪的作用。四象限探测器能在东西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上进行双轴跟踪。并且通过四个象限的电流和还可以进行阴晴天的判断，晴天时，太阳光线强，所产生的电流大，阴天时产生的电流小，因此确定一个阈值就能判断天气，经实验后得这个阈值为1.12V。(2)测量四象限探测器其中一个象限所用的光电探测电路如图3所示，每个象限都使用完全相同的光电探测电路。电阻把光电二极管输出的光电流转换为电压信号，运放将这个压信号作适当的放大，四象限光电探测器所产生的阻抗电流，其值一般为mA级[7]，经试验后知需要放大的倍数为2倍。(3)转换器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

Δx=(5)

Δy=(6)

驱动模块在2.2中会详细介绍。

1.4 软件设计

软件流程图如4所示。系统初次使用时进入时钟芯片的初始化，中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验，即单片机发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转，直至碰到限位开关后停止，此时的位置作为初始位置，初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间，和单片机储存的事先计算好的日出日落时间比较，若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天，进行时钟跟踪，即把单片机里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置)的高度角方位角比较得出角度差值，转化成脉冲数后单片机控制步进电机转过相应的角度，这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板，若没有，则把信号发送给单片机进行处理，再使电机带动电池板旋转；若为阴天，则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后，等待1.5分钟，进行下一次的跟踪，如此反复进行。

2 步进电机的驱动

步进电机的驱动方法可分为细分驱动和非细分驱动。细分驱动就是把步进电机的步距角细化，使步距角分辨率提高；在非细分驱动中，步进电机的步距角只有整步和半步两种。

2.1 步进电机细分驱动的原理

在步进电机非细分驱动电路中，各相绕组的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是只有零和某一额定值两种状态。控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，可实现对步进电机原有步距角细分，使转子以较小的步距增量旋转，提高步进分辨率。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定电流的一部分[8]，这样步进电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。

式6为两相混合式步进电机细分的数学模型

ia=insin(s)ib=incos(s)(6)

式中：ia是A相电流，ib是B相电流，in是额定电流，n是细分数，s是步数

为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，相电流的变化取三角函数关系。

两相混合式步进电机4细分电流状态图如图5所示。可以看出，初始时A相电流ia=0，B相通额定电流in；第一步时，A相电流ia=insin(22.5°)=0.38in，B相电流ib=incos(22.5°)=0.92in；第二步时，ia=0.71in，ib=0.71in，……

2.2 步进电机细分驱动的实现

文中设计的太阳能自动跟踪系统的步进电机细分驱动采用THB6064H来实现，采用两相混合式步进电机，其整步步距角是1.8°/步，半步是0.9°/步。THB6064H是一个PWM斩波式正弦波微步步进电机驱动器。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路。其主要参数和性能指标如下：

(1)单芯片两相正弦细分步进电机驱动。

(2)采用高耐压BiCD工艺。

(3)可实现正反转控制。

(4)可选择细分控制(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64 )。

(5)高输出耐压。

(6)高输出电流。

(7)有输出监视管脚。

(8)芯片内部有过热保护和过流检测电路。

单片机与步进电机细分驱动连接电路如图6。单片机P0.2端发出高电平信号经过光电隔离芯片TLP521，使能端EN变为高电平，芯片开始工作；CW/CWW端为步进电机正反转控制端，用高低电平控制；CLK端为脉冲输入端。拨码开关确定细分数后，步进电机细分后的步距角也随之确定，需要步进电机转多大角度，只需转换为脉冲数后通过P0.1向CLK端发送脉冲即可，为了避免步进电机过冲，而且在太阳能自动跟踪系统中使用，也不必过快旋转，所以脉冲频率不能太高。用THB6064H芯片设计的步进电机细分驱动电路的外围电路简单，可靠性高，并且与单片机的连线只有三根。

3 步进电机驱动方法对太阳能自动跟踪精度影响的研究

在太阳能自动跟踪系统中，每一个模块对跟踪精度都有影响，本文重点研究步进电机驱动方法对跟踪精度的影响，必须使其他因素理想化，排除它们对跟踪系统精度的影响，采用仿真进行研究。

以南宁市夏至日高度角跟踪为例，日出时间为当地真太阳时5时14分，日落时间为当地真太阳时18时46分。

3.1 自动跟踪未采用细分驱动

对南宁市夏至日高度角数据进行研究后发现，间隔时间为4.5分钟时，太阳高度角的变化大约为0.9°，所以在不采用细分驱动时太阳能电池板在高度角上的调整至少需要间隔4.5分钟。

间隔4.5分钟，无细分高度角跟踪图如图7所示。图中的阶梯波形曲线为高度角跟踪曲线，另一条曲线为实际的南宁市夏至日高度角曲线。不对光电传感器部分进行仿真。

在阶梯波中，电池板转动小角度所需要的时间相对于数分钟的等待时间来说是非常短暂的，所以忽略电池板转动所需要的时间。系统的跟踪过程为：每隔4.5分钟计算出高度角差值，除以半步步距角0.9°，得到所需脉冲数，由于脉冲只能是整数，所以对所得数据进行四舍五入处理，将得到的脉冲数发送使步进电机带动电池板转动。

跟踪的最大误差是 9.14°，平均误差是3.96°。通过实验发现，步进电机在没有采用细分驱动时震动和噪声比较大，每一个脉冲的旋转角度误差是比较大的，由于仿真中是假定此时一个脉冲使步进电机旋转0.9°，所以实际的要比理想化的跟踪误差要偏大。

不考虑反馈，出现累积误差，配上传感器电路作为反馈修正，可消除部分累积误差，但是步进电机的最小旋转角度是0.9°，对于诸如1.3°，2.4°这样的离0.9°的整数倍较远的角度偏差改良效果不佳，所以用光电传感器电路进行反馈时对跟踪精度的改良效果也十分有限。

此时电池板的等待间隔时间至少是4.5分钟，在这段时间内电池板的角度是不变的，但是太阳高度角是一直在变化的，所以等待时间越长，则电池板采集太阳能的效率就会越低。

3.2 自动跟踪采用细分驱动

间隔1.5分钟，采用32细分高度角跟踪图如图8所示，其跟踪过程与图7类似。采用32细分驱动，0.0563°/步，间隔时间缩短，跟踪的最大误差是1.25°，平均误差是0.9°。由图8可知，跟踪误差比不采用细分驱动时明显减小，精度提高，细分驱动后步进电机运行稳定，每个步进精度接近于0.0563°，采用传感器电路进行反馈补偿后可进一步提高跟踪精度，此时的补偿效果优于一般驱动。

间隔1.5分钟，64细分高度角跟踪图如图9所示，其跟踪过程与图7类似。跟踪的最大误差是0.4°，平均误差是0.16°。64细分驱动后精度比32细分进一步提高，并且64细分驱动时还可进一步缩短间隔时间。对于一般的实际应用来说，64细分，间隔1.5分钟，再配以光电传感电路进行角度反馈补偿是完全能满足太阳能自动跟系统的精度要求。

基于缩短等待间隔时间，传感器对小角度补偿时误差减小和步进电机运行稳定三方面来考虑，太阳能自动跟踪系统中步进电机驱动应采用细分驱动，这样可以大幅提高跟踪精度，充分利用太阳能资源。

4 结束语

文中设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统，系统为双轴跟踪，能自动检测昼夜和判断天气状况。自动跟系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪，晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正，减小跟踪误差。深入地分析比较系统中步进电机驱动采用一般驱动与细分驱动对跟踪精度的影响，得出结论，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。

参考文献

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作者简介

高磊(1985-)，男，硕士，从事自动化研究。

谢玲玲(1980-)，女，博士，从事DC-DC开关变换器的建模与控制研究。

温室大棚自动灌溉系统设计 篇3

为缓解我国副食品供应偏紧的矛盾,农业部于1988年提出建设“菜篮子工程”,建立了肉、蛋、奶、水产和蔬菜生产基地,以保证一年四季都有新鲜的蔬菜供应。同时,大力实施“设施化、多产化和规模化”政策。其中,“设施化”就是大棚化;“多产化”就是指种植多种新品种蔬菜;“规模化”就是大批量种植。从20世纪90年代末期开始,温室大棚的建设迅速发展。由于温室大棚种植品种不同,进而对温度和湿度的要求也不一样,在灌溉时间和程度上也有所差异,从而增加了农业人员的劳动强度,造成了人力和物力的浪费。因此,笔者设计了一种温室大棚自动灌溉系统,自动采集土壤的湿度和大棚的温度,根据不同农作物对湿度和温度的需求采取自动灌溉。

1 系统方案设计

系统分为上下两个控制平台:上层控制平台采用Java语言及Web技术实现,用来实时监控温室大棚内的温湿度,并控制下层平台。下层控制平台以ARM芯片为控制核心,在不同种植区域安放温湿度传感器,实时向上层控制平台上报数据;并配以键盘和显示设备,方便显示及农业人员就地修改设置值;将灌溉设备与ARM芯片相连,实现灌溉自动化。

2 系统硬件设计系统采用型号为S3C2410的ARM9系列微核心处理芯片;传感器分别采用LM温度传感器和FDR型土壤湿度传感器;显示部分采用TFT液晶显示器来显示温度和湿度,按键则采用SPI接口的键盘显示控制芯片ZLG7289,系统框图如图1所示。

三星公司推出的16/32位RISC处理器S3C2410为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗和高性能的小型控制器的解决方案。S3C2410通过提供一系列完整的系统外围设备,无需为系统配置额外器件,大大降低了整个系统的成本。

2.1 数据采集电路

目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。本设计采用FDR(Frequency Domain Reflectometry)型土壤湿度传感器,它具有简便安全、快速准确和定点连续等优点,目前应用较为广泛。

传感器由一个内含电子器件的防水室和与之一端相连的3个不锈钢针的成形探针组成。这些探针直接插入土壤,探头尾部的电缆线连接适宜的电压源并输出模拟信号。

本设计采用的土壤湿度传感器型号为SM2820M,电源电压范围DC12～24V,测量范围0～100%,测量精度3%FSD,响应时间<1s,输出信号4～20mA,运行环境-30～+85℃,测量区域为以中央探针为中心的周围3cm、高7cm的圆柱区域。

SM2820M设备输出3线接口,红黑线是传感器电源接口,绿线是电流输出接口。由于输出为电流信号,故可以远距离信号传输,理论上最大可以在1 000m距离范围内可靠传输。SM2820M输出信号为4～20mA的电流信号,而S3C2410内置AD转换功能的输入要求为电压信号,因此采用信号隔离放大器进行电流/电压转换。其中,引脚1电流输入,引脚2信号输入GND,引脚8和引角11为电压输出。

温度传感器采用LM35,是一种内部电路已经校准的集成温度传感器,其输出电压与设施温度成正比。精度达0.5℃,测量范围为-55～150℃,可在4～20V的较宽供电电压范围内正常工作。LM35有3个引脚,分别为电源负GND、电源正VCC和信号输出S。

CPU内部内置了8个通道的10-bit ADC转换器。以0.067hm2温室大棚内种植3种不同的农作物为例,则需2个土壤湿度传感器和1个温度传感器。电路框图如图2所示。

2.2 网络通信电路

S3C2410通过以太网口与上层控制平台通信,但CPU本身并没有网络接口,所以需要通过扩展网络接口的模式。本系统利用DM9000实现扩展,它是一款完全集成的快速以太网MAC控制器,有1个一般处理接口、1个10/100M自适应的PHY和4kDWORD值的SRAM。

首先,DM9000读写操作要正确寻址。AEN(地址允许)是输入引脚片选信号与S3C2410的nGCS2引脚相连,CMD引脚与S3C2410的ADDR2相连。CMD引脚高电平是访问数据端口,低电平是访问地址端口。SA4～SA9是地址总线4～9位,当AEN低且SA9和SA8高,而SA7,SA6,SA5和SA4为低时,则DM9000被选中。IOR是处理器读命令,低电平有效,与S3C2410的nOE引脚相连。IOW是处理器写命令,低电平有效,与S3C2410的nWE引脚相连。网络通信电路框图如图3所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要分为两个部分:上层控制平台软件设计和下层控制平台软件设计。上层控制平台软件采用Java语言及Web相关技术实现,下层控制平台软件利用C语言实现。

3.1 上层控制平台

上层控制平台主要完成以下4个功能:

1)温室大棚不同区域的划分;

2)对不同区域种植的农作物进行环境温度和土壤湿度的设定,并将设置下发至下层控制平台;

3)当温度或土壤湿度超过设定门限时,产生声光报警;

4)实时上报传感器采集的数据。

利用上层平台通过网线与S3C2410实现远程通信,可以实时远程控制大棚内的灌溉设备,并可以同时管理和监控多个温室大棚。

3.2 下层控制平台

软件设计的整体流程是上电后,首先进行系统初始化的操作。初始化成功后,进行温度和土壤湿度的采集;而后分别判断采集数据是否超过设定门限值,是否有按键修改设置,是否有上层控制平台下发控制命令等操作。流程图如图4所示。

湿度采集过程中主要测量土壤含水率,计算公式为(湿重-干重)/干重×100%,即土壤中自由水的质量在土壤总质量占的百分比。在实际使用过程中,当土壤中的含水量超过24%时,土壤已经达到饱和且呈溢出水状态,因此检测土壤含水量超过24%没有实际的意义。通常情况下,农作物适宜生长环境的土壤含水率在12%～20%之间,所以传感器的动态定为0～24%,对应0～100%的土壤含水率输出。土壤湿度传感器的输出为模拟量,4～20mA分别对应设定的满量程。电流与湿度的关系为

undefined (1)

式中 D—实际对应的湿度值;

Ec—输出的电流值;

Mr—水分满量程,取值为Mr=24。

DM9000驱动程序部分主要由网卡的初始化、网卡的数据检测获取及中断服务程序组成。数据的发送和接收在中断中进行处理,主要流程如图5所示。

4 结语

该系统利用Java语言及Web技术实现上层平台的设计,利用C语言实现下层平台的设计。整个系统实现了对温室大棚内不同种植区域内的农作物温度和土壤湿度的实时监控和设置,并根据不同农作物对温度和土壤湿度的需求进行自动灌溉。

参考文献

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[5]徐晓.基于AT89C51的土壤温湿度数据采集与调节系统设计[J].科学技术与工程,2009,9(4):1032-1034.

太阳能自动灌溉系统 篇4

关键词：PLC技术,自动化灌溉施肥系统,变频技术

0 引言

随着我国现代化农业的发展以及滴灌技术应用的深入,滴灌施肥智能控制技术在节水、节肥、省工、增效方面的优势得到了人们的普遍认同,成为未来优质高效设施农业的发展趋势。针对我国精密施肥装置主要依赖进口、自动化施肥装置与市场需要严重脱节的现状,本文进行了自动化施肥系统的设计开发,将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统中[1]。

1 系统硬件设计

1.1 系统设计要求

灌溉施肥系统以滴灌形式来进行全自动恒量滴灌施肥,根据用户设定的营养液浓度EC值和pH值,满足农作物不同生长阶段所需的水以及肥,适时调整水肥比例、供给量以及供给时间。本系统要求根据设定的EC值和pH值来进行恒量定比滴灌施肥。注肥比例由肥液、酸(碱)液以及灌溉水按照设定值进行在线闭环调控实现,EC值和pH值作为反馈信号控制注肥泵和注酸泵的运转速度来控制肥液和酸液的输入。其控制参数的精度要求EC值为±0.15ms/cm,pH值为±0.15,稳定时间在3min以内,系统超调小于20%,能以分钟为单位实现按时灌溉施肥,精度为30s[2,3]。

1.2 系统硬件设计与选型

系统由电气控制、主水管路、传感器和注肥管路4部分构成。主水管路由过滤器、压力表、流量表以及阀门组成,用来获得系统所需压力和流量,保护滴灌水源和灌水器。注肥管路选用机械隔膜泵来作肥料注入设备,并配置压力表和流量计。电导率(EC)传感器和酸碱度(pH)传感器的测量管路用细管从主水管道中旁路引出,引出点设在过滤器前。电气控制由控制器和传动机构组成,控制器选择PLC,传动机构选用交流变频调速驱动方式,实现系统预定的灌溉施肥目标[4,5]。自动化灌溉施肥控制系统如图1所示。

考虑系统所需I/O点数,输出控制3个电磁阀和3个控制电机的中间继电器以及两个变频器使能信号控制用的中间继电器,选取具有40个I/O点(24/16)的FX2N-16MR-001作为控制器。采用三菱 F940GOT-LWD-C 触摸屏,通过COM0 RS 422串口与PLC进行通信。系统中流量、电导率和pH值传感器,它们的信号都是模拟量,须进行模数转换才能使PLC接收。系统所用的模拟输入输出单元为FX2N-5A。变频调速器选用台达公司的VFD007M46A,460V/0.75kW型交流马达驱动器,设定4～20mA电流信号控制方式。肥料和酸液注入泵选择上海欣泉公司DBY-10型电动隔膜泵,流量范围0.5m3/h,吸程3m,扬程30m,电机功率1450r/min/0.55kW。EC和pH传感器选择新三可仪器公司的CON2102电导率仪和PH2202 PH仪[6,7]。

2 系统软件设计

系统程序的编制包括PLC程序设计和可编程显示器程序设计。系统主程序流程图如图2所示。

比例灌溉施肥程序是系统控制器的实现部分,如图3所示。其中,营养液的表征参数电导率(EC值)的控制,采用开环阶跃响应环节来检测肥液的静态增益K,将K作为智能PID控制器的自适应因子。针对pH控制中酸液浓度配制可保持恒定,本文设计开环阶跃控制先行的PID控制器,其中的自辨识结构判断注酸管道是否充满管道、配合开环控制时间,通过对检测值PV与初始值PV(0)的差E来控制开关SW,从而完成进行PID控制和阶跃控制两个控制模式的切换[8]。

触摸屏编辑软件SWOPC-FXDU/WIN-CL提供了多种控制器件、图形控件及功能组件可实现显示与控制功能,画面由参数设置界面、操作控制界面和生产管理界面等组成,对PLC中的实时数据进行显示、存储和处理。三菱FX2N-16MR-001型PLC可在其编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C的运行环境中用梯形图或语句表编程。

3 系统的安装与性能测试

完成了系统设备的设计选型后,需进行系统的机械总装和电器的安装与调试,可采用机械部分和电气部分物理结构独立的设计方法同时进行。系统装配调试好后,本文进行了营养液EC值和pH值的控制性能测试,如图4所示。

结果表明,EC值的稳定时间在3min之内,精度达到±0.15ms/cm,超调量小于20%。PH值的稳定时间3min左右,精度±0.15pH,超调量小于20%,基本满足要求[9,10]。

4 结论

本文通过市场调研,分析了泵入式注肥系统的功能需求,进行了自动化灌溉施肥系统的软硬件设计以及选型,完成了控制系统的安装与性能测试,取得较好的效果,为将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了硬软件平台。

参考文献

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[9]张承林,郭彦彪.灌溉施肥技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

太阳能自动灌溉系统 篇5

本文将分别从硬件编程和软件上位机两个方面, 结合外围电路, 介绍一种以M S P 430为主控制器的、稳定的农田自动灌溉系统。

1 系统整体构架及工作原理概述

这种农田自动灌溉系统的整体执行思路如图1所示, 本系统采用的是离散型控制系统, 其具有三级结构。系统从下到上依次为:传感器检测与灌溉执行部分, M CU自动检测控制部分, 田间监控中心。

底层的传感器有多种, 分别对土壤的温度、湿度等进行检测。本系统能根据采集到的土壤湿度情况进行自动控制灌溉, 其余采集到的环境参数供人员参考, 做出合适的施肥灌溉决定。这些传感器或设备受到M CU控制, 将信息呈递到单片机, 通过其内部集成的12位ADC对数据进行处理, 从而判断是否需要灌溉, 并将数据通过无线通讯模块发送到田间监控中心。

田间监控中心可以修改田间各节点判断灌溉的标准值, 能够按时接收并储存各节点的环境参数, 记录灌溉情况, 通过折线图或列表形式显示。当田间发生火灾或其他异常情况时, 软件通过网络自动发出短信提示人员前去查看。此外, 上位机能自动从网上下载天气信息, 协助实现自动灌溉功能。

2 系统硬件部分

2.1 主控芯片

M SP430系列单片机是由T I公司1996年推出的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。

本系统的主控模块采用M S P 430F 2553微处理器。M S P 430系列单片机是具有精简指令集的超低功耗的16位单片机。它的最高工作频率可达25M H z, 同时具有256K B

F lash、16K B R AM, 内含硬件乘法器、12位ADC, 以及S P I模块[3]等, 四种超低功耗模式, 非常适合低功耗产品开发。它具有五种低功耗模式, 在不同的模式下消耗电流为0.1~340u A[4], 是目前功耗最低的单片机。另外它从低功耗模式转到活跃模式, 需要的时间仅为6us, 可以被快速唤醒。因此该微处理器被广泛用在智能传感器、实用检测仪器、点击控制、便捷式仪表等领域[5,6]。

2.2 传感器选用

本系统的检测部分分别对土壤的温度、湿度等环境参数进行检测, 其中土壤温度传感器采用DS18B 20, 土壤湿度传感器采用F DR土壤湿度传感器。

土壤温度传感器采用的是不锈钢封装的DS18B 20, 如图2所示。其具有现场安装简单、控制方便、系统性能好、易于扩展等特点[7], 插入土壤对地温进行检测, 精度较高、工作稳定, 单片机与其进行单总线通讯获取温度值。

F DR (F requency Domain R eflectometry) 土壤湿度传感器, 见图3, 利用电磁脉冲原理, 根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数ε, 得到土壤容积含水量 (θv) [8,9]。其输出信号为模拟电压0~1.1V, 本系统利用M S P 430F 5438内部的12位ADC直接对其采集到的数据进行处理得到土壤湿度。

2.3 电源模块

系统供电采用电源转换器直接将220V交流电转为12V直流电, 用于给水泵和土壤湿度传感器供电。M S P 430单片机的供电电压为3.3V, 为保证散热效果, 采用二级降压的方式分散热量, 集成L M 2596与L M 1117, 依次将12V直流电压转为5V和3.3V电压, 取3.3V为M S P 430F 5438、土壤温度传感器及无线通讯模块供电。电路图如图4所示。

2.4 灌溉控制模块

灌溉控制模块由单片机、继电器和水泵组成。单片机根据采集到的土壤湿度, 结合此时地温等条件, 判断是否需要进行灌溉。满足灌溉条件时, 由P 3.0口送出控制信号控制至光耦, 光耦接通使继电器开启, 从而开启水泵。系统中水泵的额定电压为12V, 继电器作为水泵的开关, 选用12V继电器, 因此在电路中并联续流二极管保护电路。如图5所示。

2.5 无线通讯模块

本系统采用的无线通讯模块为美国T I公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1G H z高性能射频收发器, 其内部集成了一个高度可配置的调制解调器, 支持多种调制格式, 最高数据传输率为500kb/s。在发射状态下, 其发射功率可通过编程调节, 最大发射功率可达+10d B m, 接收灵敏度最佳为-110d B m, 抗干扰能力强, 且功耗极低, 可用于极低功耗的R F应用。它与M S P 430F 5438结合, 使系统更为节能。

3 单片机控制部分

3.1 田间节点及灌溉控制部分

田间节点以M SP430F 5438为控制核心, 结合各传感器、继电器、水泵、无线模块, 共同构成。以开发平台IAR E mbedded W orkbench为开发环境, 对M S P 430F 5438进行C程序开发, 这款软件具备高度优化的IAR AV R C/C++编译器, 可以有效提高用户的工作效率。

对田间节点的环境参数检测、数据发送及控制灌溉, 由M S P 430F 5438单片机控制执行。土壤湿度的上下阈值保存在E 2P R O M中, 可通过上位机软件发送更改预设值命令, 更改土壤湿度预设值即灌溉条件。单片机控制灌溉的基本流程如图6所示。

田间监控中心有中央通讯模块, 通讯模块由M SP430F 5438和CC1101组成。中央通讯模块通过串口与上位机进行通讯, 对田间节点采用轮询方式进行无线传输, 避免信息拥塞。

此外, 用户还可直接使用上位机软件发送灌溉命令到单片机, 开启水泵灌溉。

3.2 无线通讯部分

本系统中无线收发模块采用CC1101, 正常情况下, 每隔固定的时间发送一次数据, 因此通讯模式为轮询通讯模式。轮询方式的工作原理为, 总线信道上有一个主站和N个子站, 主站向子站发送询问命令, 子站收到后才可利用信道, 以避免信息拥塞。通过M SP430编程对CCll01的4线SPI接口和G DO 2测试接口进行配置, 结合M S P 430的时钟, 将各田间节点的CC1101设置成轮询通讯模式。

4 系统上位机软件部分

4.1 开发环境

本上位机软件收集单片机检测的温度、湿度、P H值等数据, 经过适当处理, 存储到数据库中并以折线图和列表的形式显示。由于W indows AP I复杂、难度大, 本上位机采用C#语言, 在V isual Studio 2010.N E T环境下开发完成。.NET集成了大量类库, 使用非常方便, 可以满足用户的各种要求。

4.2 软件上下位机通讯设计

本上位机使用Serial Port类进行串口通信, Serial Port类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法, 具有功能强大, 通信快速, 实时性好等特点。此外还使用了Timer控件, 当Timer控件启动后, 每个一个固定时间段触发相同时间。用Timer控件实现了数据接收。

4.3 自动绘图功能的实现

关于折线图的显示, 本上位机使用Zed Gragh控件进行折线图的绘制, Zed Gragh是一个开源的.NET图表类库。此类库比.NET自带类库使用更加灵活方便。使用Data Grid View控件实现以列表的形式显示数据。Form1窗体是本上位机的主窗体, 拥有各种功能按钮, 并进行折线图显示, List窗体是Form1窗体的子窗体, 负责进行列表显示。

系统采集全天的温度信息并以折线图显示界面如图8所示。

4.4 异常时短信报警功能的实现

报警是指, 当上位机接收到的某些数据超过上限值时会发送短信提醒用户, 如田间发生火灾等。手机短信发送是本上位机的扩展功能。通过C#编程, 实现上位机给手机发送短信, 当客户不在PC端时提示客户的功能。该功能的原理是通过一些运营商提供的接口实现的。本上位机采用可发送短信的Web Service, Web Service是新浪网提供的、可供用户直接调用的发送短消息的Web Service。Web Service中提供了一个发送短消息的方法"send Xml"。此方法的语法格式如下:

4.5 上位机软件其他功能原理及实现

数据保存, 通过上位机控制根据用户需求将接受到的数据保存起来, 以便以后可以再次读取历史数据。为了数据的安全性, 本上位机将数据保存到数据库中, 使用的是Oracle数据库。基本功能实现流程如图9所示。天气信息通过中国气象局提供的API获取, 根据获得的晴雨天气, 给下位机发送信息协助判断、控制灌溉。历史数据可按照温度、湿度、p H值按钮显示不同数据, 可以选择具体时间或具体节点查看环境情况。

5 结语

本文介绍的节水灌溉自动控制系统, 利用M S P 4 3 0单片机内部的A D C模块使得电路设计简单化, 田间各节点的单片机收集环境参数并自动判断灌溉, 上位机通过网络获取天气信息、检测环境参数正常, 辅助判断是否应灌溉, 并且能对田间每各节点的灌溉参数进行修改, 实现自动控制灌溉。

实验证明, 该系统具备较好的稳定性, 节能且运行可靠, 可以满足基本农业生产需要, 使用方便, 节水节能。但对于数据的处理性不强, 仍需做完善。在硬件和软件方面仍具备可延展性, 可采集周边环境参数如光照、雨量、CO2等, 结合信息融合、PID等算法, 提高系统对周围环境的分析能力, 满足不同用户的需求。

参考文献

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太阳能自动灌溉系统 篇6

关键词：节水灌溉,ARM嵌入式系统,WinCE,土壤含水率

0 引言

水资源危机已经成为全球性的突出问题,越来越受到世界各地的重视和关注。我国是世界13个严重缺水的国家之一,人均水资源尚不足世界人均水平的1/4。据资料显示,我国用水量的70%消耗在农业方面,而大部分农业用水又用于农田灌溉,且在农田灌溉方面绝大部分农田采用的是效率极差的漫灌方式,使我国农业用水系数仅为0.40左右,而一般发达国家是0.7～0.8[1]。因此,发展节水灌溉技术,提高灌溉水的利用率,是解决未来水资源短缺的根本出路,也是现代农业的基本要求[1,2]。

目前的灌溉控制系统多采用PLC/单片机来完成;但是,PLC/单片机的计算能力、资源管理能力、需水诊断能力等有限,且反应速度慢、可靠性相对低、外围设计电路复杂、易受到外界因素的干扰、系统更新不便,因此现存的灌溉系统大多数功能比较简单、精度低、可靠性差[3]。

嵌入式ARM处理器具有低功耗、高性能、程序执行速度快、抗干扰能力强、系统硬件容易扩展等优点,同时还具有实时性、多任务、多线程以及友好的人机交互界面。其支持的操作系统中WinCE被广泛应用于系统开发中,它具有Windows一样的友好的开发界面及软件设计平台。近年来,基于ARM WinCE的嵌入式系统被广泛地应用于控制领域,这使得以ARM为控制核心、以WinCE为嵌入式系统的灌溉自动控制系统的实现成为可能。

基于上述,本文设计了一套节水灌溉闭环自动控制系统,研究采用高性能ARM处理器作为灌溉自动控制系统的控制核心,利用土壤水分传感器检测装置实现对大田土壤含水的实时采集;然后,通过ARM控制系统内置的灌溉控制程序,对灌溉时间和施水量进行决策分析,确定是否需要灌溉;最后,通过控制电磁阀对水泵的控制,进而实现灌溉自动化。与此同时,该系统具有人性化的人机交互界面,能够实现灌溉方式的控制、参数设定、数据管理及登录功能。其中,参数设定可以根据不同作物、不同时期对水分的需要,对需水阈值进行设定。而数据管理更是具有提供数据查询、数据导出等功能,更会给科学研究提供数据支持。

1 系统理论依据

李文华等研究发现,不同土壤水分处理对树种的茎重、根重、总生物量影响显著,作物的叶片相对含水量和单株耗水量均随土壤水分的降低而降低,只有当土壤含水量高于某一阈值时,作物才能存活,在此之上更高的某一阈值时,作物才能有较大的生物量[4,5]。本系统设计的理论依据在于对土壤含水量的实时检测及判定,即对土壤含水量生存阈值的判定,实现灌溉的自动控制。

大量试验结果表明,在农田灌溉过程中,土壤含水量及水势变化具有入渗排气、渗吸增能、吸脱水减能和缓慢脱水减能的阶段性特征。当土壤处于水分亏缺状态急需补充水分(土壤吸水)时,土壤水势梯度大于1.0cmH2O/cm;当土壤水分得到充分补给达到过水(土壤含水量不变,且水通量不为零)状态时,土壤水势梯度等于1.0cmH2O/cm;当土壤中水分过剩而处于脱水(流出大于流入水量)状态时,土壤水势梯度小于1.0cmH2O/cm。由此,根据上述特征指导农田灌溉调控节水,其中土壤层下部(深度15～60cm)的水势梯度等于或小于1.0cmH2O/cm可作为监测及预警节水灌溉的阈值[6]。在实际应用中,本系统分别选择中层和下层土壤的含水率变化作为灌溉的起始阈值和停止阈值,实现农作物需水的自动灌溉。

2 系统整体设计

2.1 系统组成及功能

系统结构如图1所示。

其主要由人机交互界面、嵌入式控制器、土壤水分传感器和电磁阀控制器等组成。

土壤水分传感器主要用于准确、实时地检测土壤含水量;电磁阀控制器主要用于对水泵的启/闭进行控制。ARM控制器是控制系统的核心,它通过对土壤水分含量的分析决策,进而发送命令,控制电磁阀控制器的开/关,传感器与ARM控制器之间利用RS-485总线进行通讯。传感器和电磁阀控制器都有多组,分布在大田中,用来检测不同地区的土壤水分信息和对不同地区水泵的控制。

系统主要功能包括以下几方面:

1)系统能对土壤含水量进行实时监测;

2)系统通过预定的含水量阈值来判定;

3)控制电磁阀、水泵进行灌溉,实现对大田灌溉的自动化控制;

4)全中文人机交互界面,动态显示工作状态。

2.2 系统工作过程

ARM控制器定时通过RS-485总线向相应的土壤水分传感器发送数据采集命令,水分传感器收到命令后对土壤含水量数据进行采集;之后通过RS-485总线将采集的数据返回给灌溉控制器;ARM控制系统按照已经设定的作物含水量阈值的判定,从而控制电磁阀的开/关,进而控制水泵启动/关闭;ARM控制系统不断重复之前的过程,进行含水量的不断检测,如此反复,构成了一个闭环的自动灌溉控制系统。

系统采用博创8寸带触摸屏的TFT真彩LCD显示屏作为人机交互界面,ARM9为控制核心,利用每隔一定时间获取一次土壤水分含量,在ARM中进行判断(利用作物生存阈值):若是含水量低于生存阈值,即发出灌溉命令,控制电磁阀开启控制水泵灌溉;在这过程中不断通过传感器检测水分含量,超过生存阈值即停止灌溉。

3 灌溉系统的硬件设计

灌溉自动控制系统的硬件设计在整个系统设计中是一个重要的环节,也是系统软件设计的基础。系统的硬件框图如图2所示。

灌溉控制系统使用32位SAMSUNG ARM9 S3C2410处理器为核心,利用IMP811T复位电路实现手动复位和欠压自动复位功能。土壤水分传感器先将A/D转换电路相连,再通过总线与处理器相通讯,其中传感器选用TM-100MLV,其输出电压0～2V,精度<2%完全可以满足系统设计要求。由于I/O直接出来的信号较弱,不足以驱动电磁阀开/关,必须添加中间继电器,所以先将系统I/O口与中间继电器相连,再与电磁阀相连实现灌溉控制。人机交互界面是管理人员与控制系统之间交互的窗口,为了实现人与系统更人性化交互,系统利用博创有触摸功能的8寸640×480TFT真彩LCD来实现;对数据的存储选用AT24C01芯片实现。与此同时,还扩展了外接键盘接口、报警电路,完全满足应用需求。

4 灌溉系统的软件设计

4.1 WinCE系统的移植

WinCE是一个功能强大的实时嵌入式操作系统,而且提供了众多强大的工具,允许用户用较短的时间开发出下一代智能化小体积连接设备。开发工具Platform Builder4.2是一个完全集成的开发环境(IDE),并且包括一个SDK (软件开发工具包)导出工具等。

WinCE移植到ARM系统是本自动控制系统的基础,也是一个重要环节,其移植的主要步骤如下:

1)安装Platform Builder4.2。Platform Builder4.2是为基于Microsoft Windows CE.NET操作系统构建定制嵌入平台而提供的集成开发环境。

2)在Platform Builder4.2集成环境中实现对Wince系统的制定。其中,包括创建项目、添加组件、测试、调试,以及生成NK.bin操作系统镜像文件等;因需要在平台上进行软件开发需要安装BSP(板级支持包);通过Visual Studio2005和Platform Builder4.2配合,可由Platform Builder4.2 导出SDK (软件开发工具包)。

3)将Windows CE操作系统镜像烧写到ARM系统的FLASH存储芯片中,包括烧写NBOOT,TOC,EBOOT;配置EBOOT参数;通过Platform Builder4.2下载WinCE内核等步骤完成对Wince的移植。

4.2 应用软件

系统应用软件部分使用Visual Studio2005集成开发环境,Visual Studio2005是支持Microsoft、Net Framework版本的应用程序开发平台。Visual Studio2005是一个嵌入式集成开发环境,其所开发的应用程序可在WinCE4.2操作系统上运行。控制平台主要包括实时诊断模型程序、控制灌溉模型程序的编写和基于MiniGUI的系统控制人机交互界面的开发设计等。

图3是软件设计框图。软件中一共设置4种功能:模式设定功能、参数设置功能、管理功能和登录功能。其中,模式设定功能用来设定自动灌溉或者是人工设定灌溉;参数设置功能主要包括不同种类的作物的生存阈值设定,传感器初始化设定和软件相关参数设定;管理功能主要用来管理数据,完成数据的存储和导出,以及将历史数据画成曲线显示的功能;登录功能包括用户登录和修改密码。

5 实验结果与分析

5.1 实验环境

为了验证本系统的工作状况,在西北农林科技大学的实验田进行了系统的测试。在距地表8,12,20cm处各埋设一个TM-100MLV型土壤水分传感器,用于监测附近土壤水分的变化情况以及灌溉水的下渗和地下水的向上补给情况。在系统控制时,保证中层土壤的含水率稳定在所设灌溉阈值附近,下层土壤含水率在灌溉前后保持稳定。

5.2 实验结果与分析

利用TM-100MLV型土壤水分传感器所获取的各层土壤含水率如图4所示。图4反应了2010年11月15 日-17 日大田土壤含水率的变化情况, 自上而下的3 条曲线分别为土壤上层、中层和下层的含水率变化曲线。

通过该图4可以看出,上层土壤含水率变化较大,随着土壤深度逐渐增加,土壤含水率变化减缓,所得结果与理论土壤含水率变化特点相符合。另外,在15日和16日,土壤中层含水率两次达到系统所设置的灌溉阈值,系统开启电磁阀进行灌溉,当系统检测到下层土壤含水率上升达到一定阈值时,停止灌溉,达到了节水目的。由此证明本系统可以将土壤中的含水率控制在灌溉设定值附近, 既保证作物正常生长所需要的水分环境, 又不至于出现过量灌溉现象, 基本上防止了水分通过下层渗漏流失造成浪费。

6 结论

基于ARM处理器的灌溉自动控制系统,不仅能够采集农田中土壤水分传感器的数据信息,还能够实现存储、导出共享。初步实验结果表明,该系统工作稳定可靠,能正确采集传感器信息,并实现灌溉自动控制。该系统的实现是下一步田间试验的关键步骤,也是实现灌溉自动控制系统的核心工作。通过未来大田实验数据对系统进行验证和改进,能开发出更加贴合实际应用及功能更加完善的灌溉自动系统。因此,该系统对我国农业节水灌溉自动化的进程有一定的推进作用,对相关课题的研究开发工作具有一定的参考价值。

参考文献

[1]李世英.对我国节水灌溉技术发展的几点思考[J].节水灌溉,2001(1):56-58.

[2]郭振宇.我国节水灌溉设备生产企业的现状与发展建议[J].节水灌溉,2004(4):50-52.

[3]张兵,袁寿其,成立,等.基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计[J].农田水利,2004(3):16.

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[5]李文华,刘广权,马松涛.干旱胁迫对苗木蒸腾耗水和生长的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2004,32(1):61-65.

太阳能自动灌溉系统 篇7

在推进农业信息化建设的实践中,发展高效节水灌溉农业是我国农业持续性发展的首要条件。作为一种全新的信息获取和处理技术,无线传感器网络凭借其功耗低、成本低、可靠性高等特点,已充分被利用到农业领域。例如,英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线传感葡萄园,通过检测土壤湿度、温度以及有害物的数量来确保葡萄健康生长,从而获得大丰收[1]。中国农业科学院韩华峰等开发了基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统,目前已在天津的宝坻、静海、宁河和北京等地温室安装运行,总体达到了预期的设计目标[2]。华南农业大学的樊志平等研制了柑橘园土壤墒情远程监控系统。该系统采用具有ZigBee技术的Xbee-PRO模块和ECH2O型土壤水分传感器组成的传感器节点,部署于柑橘园的各个采集点对土壤墒情信息进行采集、预处理和无线发送等工作,通过远程监控中心系统实现远程传输和实时监控[3]。本文考虑农田应用环境的特殊性,充分利用无线传感器网络的特点,设计了适用农业生产的自动节水灌溉控制系统,并在安徽农业大学实验基地进行了试验。该系统可实时检测土壤水分、空气温(湿)度以及冠层温度数据并且打印。

1 系统总体设计及工作原理1.1 系统总体设计

1.1 系统总体设计

为了达到实时远程监控与管理的目的,设计了无线自动节水灌溉控制系统,总体结构如图1所示。它大致可分为3部分:基于ZigBee无线传感器网络的子站、TD-SCDMA网、远程监控中心。子站实现数据采集、数据存储显示、数据的通信;TD-SCDMA网实现远程监控中心与子站的通信;远程监控中心配有数据库和PC机,能实现用户管理、子站管理、数据管理、日志管理以及智能决策。

1.2 系统工作原理

系统的工作方式采用命令应答方式,远程监控中心下达命令,子站对发出的地址信息进行处理与甄别,若与本机地址相符则执行命令。传感器节点将土壤水分传感器、温湿度传感器以及红外热电偶温度传感器采集的数据经信号处理、A/D转换后送到微处理器。微处理器对采集过来的数据进行编码并对编码数据加起始位和校验码,构成传输的数据帧,帧信号通过无线收发芯片按照协议打包,将信号通过TD-SCDMA网发送到远程监控中心,远程监控中心将接收的信号经滤波电路消噪并解调,解调后的信号经PC机存入数据库,同时根据软件设计的灌溉预报模块和灌溉控制模块决策出农田需水量情况,并经过驱动电路控制电磁阀的开闭以及电磁阀打开的时间。

2 基于ZigBee无线传感器网络的子站设计

目前,节点部署方式分为随机部署和网格化部署,网格化部署有正四边形、正六边形部署等。因农田覆盖范围广,传感器节点多,故无线传感器网络子站采用正六边形网格化部署[4,5]。子站的结构如图2所示。其中,汇聚节点采用全功能设备FFD(Full Function Device),在系统中它承担网络协调者的功能,可以与网络中任何类型的设备进行通信。传感器节点采用简化功能设备RFD(Reduced Function Device),主要是与汇聚节点通信,由于RFD内部电路比FFD简单,只有很少的能量内存,因此便于节约能耗[6,7,8]。

每个传感器节点有4个模拟通道,它们把采集数据通过ZigBee网络发送到汇聚节点,传感器节点与汇聚节点之间通过ZigBee协议无线通信。汇聚节点通过无线TD-SCDMA网络和Internet对接将数据发送到远程监控中心。

2.1 无线传感器节点

随着承载ZigBee技术的片上系统(SOC)的不断推出,SOC芯片具有成本低、功耗低、短时延、设计简单和易于开发等优点,非常适合运用于农田灌溉。本系统采用英国Jennic公司的JN5139无线处理模块,使设计大为简化,且成本低廉。

无线传感器节点主要有4个功能:一是土壤水分、空气湿度和温度、作物冠层温度数据的采集;二是采集数据的存储显示;三是语音提示功能;四是无线数据的传输。根据以上需求,无线传感器节点的结构如图3所示。

因为对农田灌溉的采样频率要求不高,故采用主动轮回方式工作。作为网络协调器的汇聚节点接收到远程监控中心的命令后,依次向各传感器节点发送数据采集请求;传感器节点收到请求后,从休眠状态切换为工作状态,采集各通道的传感器数据,并向汇聚节点发送采集到的数据;汇聚节点收到数据后,向传感器节点发送确认应答,传感器节点收到应答后,由工作状态切换为休眠状态,等待下一次采集请求。

2.2 无线传感器汇聚节点

当汇聚节点工作时,首先进行初始化操作,包括ZigBee协议栈的初始化及硬件外设的初始化;接着,对采样时间、输入通道等参数进行设定;设定完成后,开始采集数据、存储显示数据,并进行语音提示是否需要灌溉,同时将数据通过无线模块传送到远程监控中心。汇聚节点主程序流程图如图4所示。

3 远程监控中心设计

3.1 PC机界面

PC机进行通信需要设计一个简单美观的软件界面。软件界面设计具体包括软件启动界面设计、软件架构设计、按钮设计、面板设计、菜单设计和标签设计等多方面的设计[9]。

本系统采用Java最新发展的成熟框架技术—Struts应用框架技术以及Hibernate应用框架技术设计了界面。之后,在安徽农业大学的实验基地针对小麦进行了试验,其中实时在线监测子站1的界面如图5所示。

3.2 远程监控中心软件实现

远程监控中心是通过移动TD-SCDMA网的点对多点与子站进行通信的。该系统软件功能大致分为5大模块:子站管理模块、用户管理模块、数据管理模块、日志管理模块以及智能决策模块。子站管理模块主要实现子站工作状态(数据的采集、处理、显示、语音提示等)的管理;用户管理模块负责添加/删除用户、用户权限分配以及用户密码维护等工作;数据管理模块提供数据的传输、查询、打印与统计等操作;日志管理模块是系统对事件的记录,因为子站是部署在无人值守的农田环境里,系统运行过程中难免会产生错误信息和警告信息等一些重要的日志信息,同时日志管理模块对了解系统运行状态和保障系统安全有重要作用;智能决策模块包含灌溉预报模块和灌溉控制模块,它主要是将传感器采集的数据采用层次分析法和模糊算法(AHP&Fuzzy)融合分析作物需水规律,并探索作物的适度缺水效应,从而指导农田灌溉。其软件模块如图6所示。

4 结束语

本系统设计融合了嵌入式系统技术、TD-SCDMA广域网无线通信技术、ZigBee局域网无线通信技术,能够实现农田定点采集、移动采集与传输,具有结构简单、功耗低、设计成本低、实用性强、检测数据实时显示实时上传和可重复性好等显著特点。无线传感器网络是多学科高度交叉、知识高度集成的高科技技术,它与国内外现有类似产品比较,有以下一些特点:

1)系统节能的设计。能量是子站宝贵的资源,它决定了子站的寿命。由于系统应用环境的特殊性,本系统采用太阳能电池供电,节省了能源,提高了效率。

2)作物本身是决定是否需要灌溉的最佳指示物,只有它们才能把控制作物水分平衡的土壤因子和大气因子整合起来。子站除了采集影响作物生长的环境参数外,还采集了作物的冠层温度,通过大气温度与作物冠层温度双向动态平衡反映作物受水分胁迫的情况。本系统正是利用作物自身指标冠层的温度,揭示其需水规律,具有极高的理论意义和实际的应用价值。

3)系统的语音提示功能。本系统增加了真人语音发声功能,在系统检测到被测参数超过正常范围时,能够及时、准确地提醒用户进行调控,从而改善作物的生长环境,提高农作物的产量。

4)充分考虑传感器节点部署区域环境复杂、大型遮挡物较多等因素[10]。为了克服环境复杂、遮挡物较多等干扰因素,在软件编程时进行信道编码,引入差错控制技术,提高数据传输的可靠性。同时,考虑受异构系统干扰的问题,引入了基于簇的动态多信道的灵活组网策略[11]。通过动态多信道的策略,有效避开了其它同频、领频信道的干扰,从而有效拓宽了ZigBee的组网范围。

5)将无线数据传输技术和节水灌溉技术结合起来,采用无线数据传输和控制,对提高节水灌溉的自动化水平,更快更准确地掌握作物的生长环境及生长规律,更精确、及时地控制灌溉节约劳动力,对提高农业投入的经济效益具有重要的意义[12]。

参考文献

[1]蔡义华,刘刚,李莉,等.基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验[J].农业工程学报,2009,25(4):176-178.

[2]韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009,25(7):158-163.

[3]樊志平,洪添胜,刘志壮,等.柑橘园土壤墒情远程监控系统设计与实现[J].农业工程学报,2010,26(8):205-210.

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[5]孙玉文,沈明霞,周良,等.农田无线传感器网络的节点部署仿真与实现[J].农业工程学报,2010,26(8):211-215.

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[8]李明,王睿,石磊.一种ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].自动化技术与应用,2008,27(1):91-94.

[9]孙燕,曹成茂,缪鹏程.无线遥控节水灌溉控制系统的研制[J].电气自动化,2008,30(4):47-48.

[10]谢洁锐,刘才兴,胡月明,等.无线传感器网络的部署[J].传感器与微系统,2007,26(1):4-7.

[11]刘斌新.一种基于ZigBee的无线传感器网络抗干扰认知路由算法[D].北京:北京邮电大学,2010.

太阳能自动灌溉系统 篇8

1 双音多频(DTMF)技术

双音多频(DTMF)是在通信中实现电话号码快速传输的一种可靠技术,它以其很强的抗干扰能力和较高的传输速度广泛用于电话通信系统和数据通信系统。这种技术是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。信号对传链路的质量要求较低,且不会出现错号的现象。一般在控制系统中有10个数字键和6个功能键*、#、A、B、C、D。在信号的传输过程中,需要信号的发送方将要发送的号码转换成一对双音多频信号送至线路传输,信号的接收方需要将接收到的双音多频信号还原成控制数据信号进行识别,从而达到控制目的。

2 系统主要硬件构成

2.1 DTMF无线通信

无线服务器与田间控制器、数据采集器之间的数据通信时基于DTMF技术的无线远程通信,DTMF即双音多频,具有易识别、抗干扰能力强、传输数据量小等优点,本系统采用MITEL公司的MT8880芯片来编解码DTMF信号。MT8880具有与微控制器相连的数据总线接口,可直接由单片机控制,内部包含5个寄存器,由引脚RSI和R/W进行选择,MT8880与单片机接口如图1所示。

DTMF信号由TONE脚输出,IN-脚输入,R2/R1的值决定内部接收运放的放大倍数,比值越大接收灵敏度越高。电阻R4和电容C2的值影响接收数据的稳定性,D0~D3数据口输出锁存器的更新时间与(R4·C2)的值成正比,若(R4·C2)的值偏小会导致DTMF信号解码后数据抖动,造成接收错误。

MT8888系列是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片[3],MT8880具有6种工作模式,由内部控制寄存器CRA、CRB进行切换。当同时工作在DTMF发送模式和突发模式时,MT8880向外发送持续(51±2)ms的DTMF信号;当工作在DTMF接收模式时,通过读取MT8880内部状态寄存器SR的D2位判断接收数据是否有效,并由D0~D3送入解码后的数据;当同时工作在呼叫处理模式和中断模式时,MT8880通过IN-脚检测忙音信号,并由IRQ/CP脚输出同频率的方波供单片机识别。

2.2 单片机控制单元

本系统由于硬件模块较多,软件设计需要大量数据和运算,决定其需要一款存储空间较大的单片机,这里采用STC公司的STC89C52单片机。STC89C52单片机是采用通用8051内核的增强型51单片机,指令代码与传统51单片机完全兼容;含8K Flash程序存储空间,可充分满足空间需求;32个双向输入/输出通用I/O口;6个中断源支持2层中断嵌套;内部自带看门狗和EEPROM;特别方便的是通过串行口可直接下载程序,无需专用编程器和仿真器,大大降低开发成本。单片机程序主要包括与上位机软件的通信、MT8880的控制、阀门驱动等功能的实现。程序开始时首先对系统进行初始化,主要是对中断、变量和标志位等进行定义、设置以及ROM指令的读取。初始化完毕后进入运行状态,需要时刻监控DTMF信号和通信标志。当系统接收到有效的DTMF信号时即进入指令对比流程,随时根据指令要求进行阀门开闭、状态查询、故障检测和数据采集。

2.3 硬件结构特点

系统模块化设计,可以根据用户需要灵活组合和功能增减,软件界面根据实际竣工图制作,软件界面上控制器、阀门、数据采集器的位置与实际地块位置对应,操作直观、维护简便,控制器采用“防呆”设计,各接头一一对应,接错插不进去,无需专门人员安装和操作,一般农民经过简单培训后就可以现场安装和使用,首部电脑对各控制器和数据采集器的状态进行实时跟踪,有故障自动告警,用户自行更换故障模块,不需要技术人员现场服务,模块先更换后维修,不耽误用户使用。各田间控制器还可以作为数据再生中继器,对无线信号进行中转和接力,可以无限扩大无线通信的距离,从而解决了无线控制受距离影响的难题。

3 系统控制软件设计

3.1 控制面板

软件视图(图2)根据项目实际竣工图制作,图上每一个编号代表一个阀门,绿色表示阀门处于开启状态、红色代表阀门处于关闭状态,黄色代表阀门通信故障。

阀门可以分区管理也可以单个开启或关闭,阀门编号由用户根据喜好或使用习惯自行定义。

3.2 视图控制

视图控制(图3)是指直接在地图上选择要控制的阀门,当选择“按灌区选择设备”时,只要选择灌区中的一个阀门其整个灌区的所有阀门都会被选上,然后对所选择的阀门作“开阀”或“关阀”控制,在“施肥情况”栏输入肥料使用情况,将会一并记录数据库,供日后查询和报表生成。

3.3参数面板

参数面板(图4)主要用于新增阀门的录入和阀门控制关系的设置。

3.4 列表视图

列表视图(图5)主要是以表格的形式来显示阀门工作状态,和工作记录。

3.5 历史视图

历史视图(图6)主要用于历史数据查询和各种报表生成,主要生成的报表有:各阀门或轮灌区阀门开启时间,施肥数据统计等。

4 结束语

本系统设计已制作为实际电路,各模块经调试后均能正常工作。实际使用结果表明,系统可由操作者发出指令码控制田间阀门开闭。该系统主要是针对农业田间灌溉的实际需求设计,功耗低、抗干扰、防雷击、可靠性高,功能实用。

本系统已成功地应用于柳州市桂中农场思源公司甘蔗“双高”基地设施农业智能化信息管理系统建设高效节水灌溉示范项目中。系统经过实施对面积1520亩甘蔗地共8次24天自动定时地埋滴水灌溉运行证明:设计合理、开发周期短、运行稳定、节水效果明显,既减轻了工作人员的劳动强度,又提高了自动化管理水平,相比较比人工管理效率提高8倍以上,具有较高的实用和推广价值。

摘要：文章阐述国内外田节水灌溉采用监控的种类、技术现状及存在的不足,研发基于DTMF技术的农田节水灌溉远程自动控制系统,并开展系统基于DTMF技术的硬件、软件设计研究,系统通过实际使用表明;设计合理、开发周期短、运行稳定、节水效果明显,既减轻了工作人员的劳动强度,又提高了自动化管理水平,相比较比人工管理效率提高8倍以上,具有较高的实用和推广价值。

关键词：DTMF,灌溉,远程,自动,系统,设计,应用

参考文献

[1]宋培卿,陆昊,胡钢.节水灌溉远程控制系统的结构及其通信设计[J].河海大学常州分校学报,2003,17(2):59-63.

[2]郭旭,魏加元.基于DTMF信号的数据传输技术[J].工矿自动化,2004(4):27-29.