自动化灌溉施肥系统（精选8篇）
自动化灌溉施肥系统 篇1
摘要：随着我国农业科技的发展,滴灌施肥智能化控制技术越来越引起人们的关注,成为未来优质高效设施农业的发展趋势。为此,通过市场调研,采用PLC控制技术,进行了自动化灌溉施肥系统的设计开发;通过性能测试,实验取得了较好的效果,为将PLC技术引入到灌溉施肥控制系统的后续研究提供了借鉴。
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。
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自动化灌溉施肥系统 篇2
一、玉米施肥现状
通过全市2007-2009年玉米农户施肥调查，塔城市玉米平均施肥为：纯氮13.36kg/亩，五氧化二磷8.21kg/亩，氧化钾0.8kg/亩；N：P2O5：K2O比为1：0.61：0.06。详情见图1、2、3。
根据图1、2、3可以看出：塔城市玉米产量在950kg/亩以上农户施肥水平平均为：纯氮14.18kg/亩，五氧化二磷8.74kg/亩，氧化钾0.99kg/亩；N：P2O5：K2O比为1：0.62：0.07。
玉米产量在800～950kg/亩农户施肥水平平均为：纯氮13.82kg/亩，五氧化二磷8.28kg/亩，氧化钾0.75kg/亩；N：P2O5：K2O比为1：0.60：0.05。
玉米产量在800kg/亩以下农户施肥水平平均为：纯氮12.8kg/亩，五氧化二磷7.82kg/亩，氧化钾0.99kg/亩；N：P2O5：K2O比为1：0.61：0.07。
从总体来看，随着施肥量的加大，玉米的产量也在缓慢增加，增加大量元素的投入对于玉米的产量水平的作用越来越小，甚至还限制了玉米产量的提高。因此应该在管理、种植技术、灌水、施用中微量元素等因素上加大研究，使得水、肥、土壤、气候、耕作方式等有机的结合起来，以达到最理想的结果。
二、种植玉米区域土壤养分含量
通过全市玉米种植区域土壤养分分析得出，塔城市玉米种植区域土壤养分含量平均为：全氮1.13g/kg，碱解氮82.08mg/kg，有效磷10.04mg/kg，速效钾276.92mg/kg，pH值8.14，水溶性盐0.86g/kg，有机质20.32g/kg。详情见图4、5、6、7、8、9：
根据图4、5、6、7、8、9可以看出：塔城市玉米产量在950kg/亩以上土壤大量元素养分平均含量为：全氮1.39g/kg，碱解氮88mg/kg，有效磷11mg/kg，速效钾251mg/kg，pH值8.0，水溶性盐0.76g/kg，有机质26.9g/kg。
玉米产量在800～950kg/亩土壤大量元素养分平均含量为：全氮1.15g/kg，水解性氮81mg/kg，有效磷10mg/kg，速效钾261mg/kg，pH值8.0，全盐0.85g/kg，有机质18.7g/kg。
玉米产量在800kg/亩以下土壤大量元素养分平均含量为：全氮1.0g/kg，水解性氮79mg/kg，有效磷9mg/kg，速效钾284mg/kg，pH值8.1，全盐0.89g/kg，有机质16.8g/kg。
从图4到图9并可以看出玉米产量与土壤养分含量间在一定的范围内存在着正相关关系，可以得出土壤养分是决定作物产量的主要因素，玉米的产量水平主要集中在土壤养分含量较低的水平，相反在土壤养分含量高的状况下却限制了玉米产量的提高，同时从侧面反映出影响作物产量构成因素复杂的性。
三、玉米种植区域灌水现状
通过塔城全市玉米种植区域灌水情况调查，塔城市玉米种植区平均灌水量为：398立方，平均灌水次数为：6.3次。详情见图10和图11：
根据图10与图11可以的出：塔城市玉米产量在950kg/亩以上种植区域灌水量平均为430立方，灌水次数平均为7次。
玉米产量在800～950kg/亩种植区域灌水量平均为400立方，灌水次数平均为6次。
玉米产量在800kg/亩以下种植区域灌水量平均为380立方，灌水次数平均为5次。
从图中可以看出增加灌水量与灌水频率都能够在一定的程度上影响玉米产量的提高，但是由于受现实条件的限制，灌水量与灌水频率都不可能随心所欲的逃过，因此，可以按照当地的实际种植条件确定小麦的灌水量与灌水频率。
四、结论
设施农业营养液自动灌溉施肥机 篇3
镇江市科学技术局受江苏省科学技术厅委托, 于2011年7月8日在镇江组织有关专家对江苏大学等单位承担完成的江苏省农业科技支撑计划项目“设施农业营养液自动灌溉施肥机研制” (项目编号:BE2008380) 进行了验收。
该项目通过试验研究, 建立了设施作物的需水量和需肥量计算模型;研制了一套设施农业灌溉启动信息传感系统;确定了定时、光累积、温湿度、土壤湿度、作物蒸发量和冠气温差等不同灌溉启动模式下的营养液管理策略;设计出PWM参数与吸肥流量、各母液加入量与营养液EC/pH值的对应关系模型、营养液EC/pH值的模糊PID动态调控模型;得到了营养液的多路母液动态配比及EC/pH值在线精确调控方法。
研制完成的设施农业营养液自动灌溉施肥机样机, 实现了5路肥料和1路酸液的动态配比、营养液EC/pH值的在线调控和不同启动模式下的多灌区自动灌溉施肥控制, 造价明显低于国外同类产品。经江苏省农业机械试验鉴定站检测, 样机实测值:EC控制误差0.05ms/cm、pH控制误差0.01、灌溉量控制误差0.6%、营养元素配比误差2.6%, 技术性能指标均优于合同规定的各项指标, 样机性能超过国外同类产品。
自动化灌溉施肥系统 篇4
GPRS远程无线测控方式, 解决了线路铺设成本过高, 大面积农业管理不便等诸多问题, 从技术上为实现精细农业提供了可能。按照作物需求的农业灌溉和施肥的节水节肥精准农业控制系统, 目前成熟应用还相对较少。同时, 不合理的灌溉和施肥问题仍然突出, 不仅导致水肥利用率低, 而且加剧了资源的浪费和环境污染。本文构建的基于互联网的整体框架体系和高度集成及智能化的农业灌溉施肥智能控制系统, 在农业灌溉过程中, 通过对作物环境信息、养分信息的实时采集及模糊评价, 进而按照设定作物需水规律和施肥配方指导灌溉施肥。在我国面临水资源严重短缺, 以及过量施肥所带来的严重危害的形势下, 实现以肥调水, 以肥促水, 精准灌溉, 精量施肥的智能控制和管理等, 均具有重大的经济和社会效益。
1 系统的组成
系统主要由管理房控制级、远程web页面监控级、灌溉区现场控制级、手机短信控制等组成。灌溉区现场控制级将灌溉区作物环境、土壤养分信息等通过DTU模块发送到管理级组态软件, 由监控组态软件参与决策, 来确定是否打开灌水阀和施肥阀, 从而实现按照作物需水需肥要求进行灌溉施肥。同时, 还可对管道流量自动计量, 方便水利工作人员进行相关测算分析。水泵房管理级还可对根据灌溉区高位水池的水位情况, 启停水泵, 并通过变频器自动调节管网压力, 系统同时能够灵活配置不同阀门组、不同时间、不同灌溉量以及不同施肥配方, 以适应多种作物的灌溉施肥。图1为系统组成框图。
2 主要部分的选型与配置
2.1 系统编程软件
XLT控制器是通过一个装在PC机上的由HORNER公司自主开发的测控中心软件来进行逻辑编程的, 这个编程软件可对所有XLT控制器进行编辑程序, 硬件配置, 监控和在线调试。测控中心软件与XLT建立通讯主要的方式是通过RS485转RS232转换模块来完成。XLT还可以通过USB口、以太网、CAN总线、调制解调器等多种方式进行通讯。可配置为数字量输入、高数计数器输入、模拟量输入, 数字量输出、脉宽脉冲调制输出、模拟量输出等多种方式, 极大的方便了用户的二次开发。测控中心软件与组态软件的通信通过串口的方式进行。若要将测控中心软件与组态软件安装在同一台电脑上, 则该台电脑上须有两个硬件串口 (或两个虚拟串口) , 以便测控中心软件和组态软件各占用一个串口进行通信。要在同一台电脑上实现两个虚拟串口, 本文采用虚拟串口软件 (如Virtual Serial Port Driver 6.0) , 来增加一对可以互相通信的虚拟串口COM2和COM3。
2.2 控制器的选择
本文以HORNER公司触摸式OCS XLT102, 它内置I/O包括开关量, 模拟量和高速I/O。对于机械控制, 高速I/O可以提供计数, 频率测量, PWM生成和脉冲输出。可方便应用于热电偶, RTD, 4~20mA, +/-100mV和0~10V信号的高精度输入的过程控制。XLT集成了两个标准RS-232/RS-485串口和CAN网络接口, 可选配内置的57.6k电话调制调器卡, 无线通讯卡和GPRS/GSM通讯卡, 工作电压选择12V。它具有以下优势:①高品质的图形LCD或触摸屏显示, 更好的显示生产过程和设备的进程状态;②复杂图形显示功能, 包括趋势图, 棒图, 仪表显示以及动画功能;③强大的控制能力, 可支持浮点运算, 高级数学运算, 多回路PID自整定, 字符串操作等;④大容量可移动存储功能, 最大可达2G, 可存储程序, 历史数据记录, 屏幕截图;⑤CsCAN通讯口 (可选) 可方便的扩展远程I/O, 或和其他控制器及PC连接;⑥内置2个串口, 方便的和变频器以及其他PLC或外围串口设备通讯;
XLT102除了内置的I/O外, 还可以连接SmartStix I/O和SmartMod I/O模块, SmartStix I/O是高速的远程模块, 可通过CsCAN充分发挥分布式控制的优势;而SmartMod I/O通过RTU/Modbus与XL连接, 此类模块点数少, 性价比高。
2.3 变频器的选型
根据流体力学相似理论, 在转速控制时, 流量Q, 扬程H, 轴功率P, 转速N之间的关系如下:
电机转速与输入频率的关系为:
式中:n为电机转速r/min;f为频率, Hz;s为滑差率;P为极对数。
水泵的负载性质是平方递减转矩型, 有下列关系:水泵的流量Q与转速n成正比;扬程H与转速n的三次方成正比;电动机的转速n与电源频率F成正比。因此改变电动机电源频率, 可改变电机即水泵的转速, 从而达到调节给水流量和水泵的扬程的目的。
设定系统为5kW, 选择Goodrive200变频器。它以DSP控制系统为平台, 采用矢量化的V/f控制技术, 并配合多种保护模式, 可应用于异步电机, 提供优越的驱动性能。具有准确的电机参数自学习, 良好的电压、电流控制, 有效减少变频器的故障和波动护次数。表1为变频器参数表。
3 测控中心软件与GPRS RTU通信
3.1 通信协议简介
GPRS的通信速度快、通信费用低、组网灵活等优点。GPRS DTU具有TCP/IP协议转换功能不需要用户提供TCP/IP的支持。可适用于所有带串口的终端设备, 通过GPRS网络平台实现数据信息的无线和透明传输, 为不具备TCP/IP协议处理的终端设备提供了GPRS通信的能力。GPRS RTU通过GPRS无线网络将数据包发往远程电脑上配套的测控中心软件。测控中心软件将数据包整理成Modbus-RTU协议的格式, 通过电脑上的串口 (或虚拟串口) 发给组态软件 (或其他应用软件) 使用。
本协议遵循Modbus-RTU协议标准, 组态软件作为客户机 (主站) 发送读/写命令帧, 测控中心软件作为服务器 (从站) 发送应答帧。由于测控中心的软件可以连接多台GPRS RTU终端, 而每台GPRS RTU终端的RS485接口也可连接多台外接设备, 所以测控中心与GPRS RTU终端是一对多的关系, 而GPRS RTU终端与外接设备也是一对多的关系。通过对地址码 (1-247) 分段来确定操作的是GPRSRTU终端还是终端外接的设备, 本协议将 (1-200) 的地址码作为终端的地址码, 将 (201-247) 的地址码作为终端RS485口外接设备的地址码。在对外接设备进行读写指令时须先指定是要操作哪台GPRS RTU终端的外接设备, 这个是通过先发送GPRS RTU终端操作指令 (地址码在1-200) 来确定当前操作的是哪台终端, 然后才再发送外接设备的操作指令 (地址码在201-247) 。
GPRS RTU终端根据型号不同, 含有不同路数的模拟量输入, 开关量输入, 继电器输出和扩展模块 (如1个温度传感器) 。测控中心软件可同时与多个终端连接。
基本的通讯字节数据格式是:1个起始位, 8位数据, 低位在前, 无奇偶校验位, 1个停止位。默认串口设置为:波特率9600bps, 1个起始位, 8个数据位, 无奇偶校验, 1个停止位。即:9 600, N, 8, 1。若要采用其他串口参数可在配套的测控中心软件中设置。
3.2 端口映射
DTU模块只能于处于公网IP的数据中心服务器相互通信, 而用户所在的数据中心服务器, 一般是通过路由器与公网IP相连接, 处于局域网内, 是无法与处于公网的DTU模块直接通信, 须利用端口映射技术来实现。
本文主要是通过路由器来实现端口映射的。路由器所获得的公网IP是60.212.57.124。数据监控中心服务器所在局域网IP为:192.168.3.11。在路由器的转发规则下, 使用虚拟服务器进行端口映射, 当在路由器上做好端口映射后, 也就定义了广域网服务器端口与局域网网络服务器之间的映射关系, 所有对广域网服务端口的访问将会被重新定位给通过IP地址指定的局域网网络服务器。则GPRS网络所有发向8080端口的数据, 都将转发到数据监控中心服务器192.168.3.11上。同理数据监控中心服务器192.168.3.11也可以将数据发送到公网的计算机60.212.57.124上去。
3.3 动态域名与花生壳软件的应用
在一般的应用中, 用户很少有固定或专线接入GPRS网络, 当数据中心服务器采用ADSL直接拨号上网, 获取的是公网的动态IP;GPRS网络须使用固定IP传输数据。故此条件下, 要实现GPRS与数据中心服务器互联, 须采用动态域名解析技术实现。
目前, 公网动态IP须大多数是通过“花生壳”软件实现IP地址的固定。它是完全免费的动态域名解析服务客户端软件。花生壳动态域名解析体系是全球用户量最多的动态域名服务体系, Oray根据服务使用群体与应用范围进行动态域名服务体系区分, 并为不同级别用户提供多种增值服务:指定登陆花生壳服务器的源端口 (Source Port) 、支持多网卡用户指定网卡接入INTERNET、支持多种不同运行商服务线路选择、动态解析服务监控以及保持IP。
当用户下载并成功安装动态域名客户端, 然后凭您已注册的Oray护照成功登录, 那么护照下所有激活花生壳服务的域名将与机器的公网IP绑定。您可以利用花生壳动态域名建立主机的远程接入应用, 让互联网用户随时随地都可以通过域名找到您的机器的网络地址。
4 上位机组态软件开发
4.1 系统软件的开发
系统上位机主要由网络状况良好的PC机组成, PC机需运行测控中心软件、组态王6.55、SQL SERVER数据库。组态王6.55是国内主流的监控组态软件, 是数据采集与过程控制的专用软件。它具有丰富的人机界面、可视化的操作界面、丰富的图库、简单实用、强大的网络通讯能力、画面刷新能力和脚本执行性能。同时它还具备实时数据、历史数据、报警数据、安全用户、变量对象、设备对象、用户对象等配置接口。具有良好的可维护性和可定制性。可以支持200个以上的客户端同时访问。提供了大量的图形元素和图库精灵, 用户可根据需要, 自己创建图库精灵。历史曲线、报表和Web发布功能等功能进一步提高, 软件的稳定性强[9]。
系统的功能主要包括:①采取手动或自动方式, 进行定量和定时的灌溉施肥, 同时可实现无人值守的自适应灌溉施肥;②可实现作物环境参数、土壤水分养分参数、运行状态的实时显示, 报警、统计查询和安全保护;③趋势图及历史记录;④系统参数设置及用户权限管理;⑤作物灌溉相关预值的设定和施肥配方管理。
阀门的管理需通过分组来实现, 单个阀门组控制阀门数为5个。阀门组号可由1-34不重复的数字任意编制, 单个阀门不能出现在多个阀门组, 以实现阀门一对一的准确控制。施肥配方系统预设为1~13组, 系统默认为1组, 此时代表只灌溉未进行施肥。系统可设定传感器的转化公式。如土壤湿度传感器输出为0~2.5V的电压信号, 其转化公式为三次多项式。
式中:C为采集原始值;H为转换后的实际土壤湿度。
水量一定的情况下, 当耦合液中尿素含量增加, 耦合液浓度也会相应增加, 此时N元素浓度增加, EC值增加。故EC值得大小可以反映耦合液N元素的浓度和尿素的含量。系统预设的水肥耦合模型为:
式中:Q为需灌水量, L;b为高浓度耦合液中尿素的量, g;y1为目标耦合液EC值, ms/cm;x1为目标耦合浓度。
4.2 系统数据库的设计
系统数据库名称为S_AIFIC, 主要包含的数据表为:传感器数据表、站点信息表、阀门分组信息表、实时数据信息表、灌溉预值设定信息表、施肥配方信息表、历史信息数据表、系统用户信息表等。
下面举例的列举出系统中的传感器数据表的结构, 数据表名为F_Sensor, 传感器信息表, 包括的数据项有:传感器ID、传感器名称Name、位号、读写是否可能、通道名称、数据类型、报头、报文、解码公式、转换公式、打开串口指令、关闭串口指令、站点ID、通讯协议名称、保存时间等。表2为传感器表, 分别列出了字段名、字段类型、长度、是否为主键/索引、是否为空、默认值、英文名称等。
4.3 组态王For Internet应用
随着Internet科技日益渗透到生活、生产的各个领域, 传统自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工业自动化的关键。组态王提供了web全新版, web全新版基于ActiveX技术, 采用B/S结构, 客户可以随时随地通过Internet/Intranet实现远程监控。客户端有着强大的自主功能, Internet/Intranet网络上的任何一台PC机都可以通过IE浏览器浏览工业现场的实时画面, 监控各种工业数据, 实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。
全新版的web发布可以实现画面发布, 数据发布和OCX控件发布, 同时保留了组态王web的所有功能:IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面, IE客户端与web服务器保持高效的数据同步, 通过网络您可以在任何地方获得与web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等, 同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令, 实现实时控制的功能。本系统的发布网址为:http://www.kingviewwyt2013.com。
5 系统测试与实现
5.1 系统功能测试
系统分手动/自动控制两种模式, 如图2所示, 系统预设施肥配方2, 对阀门组1和2完成控制。当选择手动控制模式时, 手动点击1号灌溉区绿色灌水和施肥按钮, 灌水施肥阀门打开, 1号区开始灌溉施肥。当管理者想要结束对1号灌溉区作物的灌溉施肥时, 只需手动点击1号灌溉区红色关闭灌水施肥阀门按钮。当选择自动灌溉施肥模式时, 管理者在自动控制区, 设定好作物名称, 以及作物湿度的限值及施肥配方后, 系统能够按照设定目标灌溉施肥。2号区域手动、自动灌溉施肥模式操作方式和1号区相同。无论是自动灌溉施肥还是手动, 系统均能作出1号、2号灌溉区域土壤湿度实时、历史趋势曲线, 并超限报警。在web浏览器输入发布的IP地址, 下载画面和数据后, 可以在web客户端查看和监控灌溉区域情况。
5.2 系统控制性能测试
5.2.1 土壤湿度控制性能测试
系统控制目标是土壤湿度为35%, 初始温度为30%。采用烘干法测定滴头周围土壤湿度, 来测试系统性能。在控制器正常工作条件下, 在滴头周围土壤每间隔25s取样, 进行测量, 表3为土壤湿度采样值, 系统土壤湿度的控制性能为:稳定时间为3min左右, 精度为±0.1, 超调量≤12%, 满足了使用的要求, 表3为滴头处土壤湿度采样值。
5.2.2 土壤EC值和pH值性能测试
系统控制目标是EC值为2.0ms/cm, pH值为6.0, 测试目的是检验滴头在各个时刻的肥水浓度, 进而验证控制器调控性能。当控制器工作正常后, 在滴头下间隔25s用量具提取样本后8s进行测量, 表4为滴出营养液EC和pH的采样值。系统EC和pH值的控制性能为:EC值稳定时间在2.5 min左右, 精度为±0.15ms/cm, 超调量≤15%;pH值稳定时间在2.5min左右, 精度为±0.15pH, 超调量≤15%, 从EC和pH值控制性能综合来看, 系统可以满足设计要求, 表4为滴头处EC和pH采样值。
6 结论
(1) 当管理员设置好作物在各个生长阶段的需水量和相应的施肥配方后, 系统将按照作物所需施行灌溉施肥的智能控制, 从而达到精准灌溉和精量施肥的目的。灌溉区作物信息可以通过现场管理、Web远程管理、手机短信等多种形式查看, 极大的方便了农业管理。系统功能完善、运行稳定, 可方便实现数据增加、删除、修改、保存和打印等功能。
(2) 系统选用GPRS作为数据传输方式, 实现了web远程监控, 突破了地域的限制, 降低了农业灌溉施肥智能控制通电布线的成本, 节约了劳动力, 应用组态王6.55开发智能控制软件, 具有开发容易, 操作简单, 稳定性高, 功能完善等特点。系统将灌溉施肥有机统一起来, 可以实现节水、节肥, 在满足实际农业水肥管理的同时, 为深入探求水肥耦合机制奠定了基础, 具有极大的推广价值。
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温室大棚自动灌溉系统设计 篇5
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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变量施肥自动控制系统的研制 篇6
智能化农业机械设备中的变量施肥播种机是精准农业技术实施的一个重要机械设备。精准农业采用测土配方平衡施肥技术,能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况、作物类型以及产量水平,将氮、磷、钾及多种可促进作物生长的微量元素与有机肥加以科学配方,从而做到有目的的科学施肥。变量播种是精细农业的重要组成部分,能提高作物产量,增加经济效益,最大限度地保护环境和促进农业的可持续发展。自动变量播种作业系统实现的前提条件是:首先通过播种地块土壤养分含量的测定形成带有田间坐标的养分处方图;根据不同作物生长过程中的需肥量,计算得到田间不同位置的播种量决策GIS电子地图;施肥机械作业时,根据装配的GPS接收机确定其在田间所处的位置,对应施肥决策GIS电子地图,由机载计算机提供对施肥量的控制决策;嵌入式控制系统接收机载计算机施肥量数据,控制执行机构完成变量施肥的实施。本文利用Motorola单片机MC68HC908GP32设计了嵌入式控制系统,并编写软件实现了变量施肥机构的实时控制作业。
1 系统设计
1.1 控制系统组成
系统包括差分GPS系统(DGPS)、机载电脑(变量作业处方图)、单片机控制系统、液压控制系统和位移传感器等主要部分,如图1所示。
当系统上电后,首先通过机载计算机收集GPS,GIS数据,通过查表方式计算出排肥机构的瞬时排肥量,数据通过RS485总线发送至单片机嵌入式控制系统。单片机接收数据后,通过位移传感器获取排肥机构开度,并计算出当前排肥量信息以及与上位机给定量的差值,经过PID运算,输出PWM信号,控制液压油缸运动。
设计中液压缸直线运动调节采用基于电液比例阀的电液一体化控制方式。电液比例阀能按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统压力、流量等参数,与普通液压阀相比,大大提高了液压系统的控制水平,且结构简单、成本低,适合在本系统中使用。
1.2 电路设计
本系统硬件组成如图2所示。
其主要包括电源及单片机复位、时钟模块,AD采集、PWM输出模块及通讯模块。
1.2.1 电源及单片机复位、时钟模块
施肥机电源为12V,单片机工作电压为5V,在此采用了L7812和L7805两个三端稳压器进行两级稳压,得到系统电源,并在12V和5V电源增加2个发光二极管作为电源指示。复位、时钟模块采用典型电路,外部晶振采用32.768kHz时钟,通过单片机内部PLL锁相环模块、倍频,其总线时钟高达8MHz。采用低频晶振大大降低了微控制器系统晶振电路的电磁干扰,提高了系统的可靠性,而且锁相环频率合成器的输出频率可以用软件设定修改,为用户程序设计提供了更大的灵活性。
1.2.2 AD采集及PWM输出模块
MC68HC908GP32有8路8位A/D转换器,其8个模拟输入通道的引脚与并行端口PORTB复用。为了得到可靠的A/D转换结果,利用锁相环产生的内部总线时钟,同时设置时钟分频系数为8,使A/D时钟频率位1MHz。在本设计中,占用了两路模拟通道AD0和AD1,一用一备。PWM输出使用带缓冲的脉宽调制方案,将一个定时器的两个通道联合起来交替控制通道0、通道1的脉宽调制输出,其输出的PWM波形将出现在TCH0和TCH1引脚上。功率驱动部分采用TLP250光电耦合器驱动小功率N通道MOSFET IRF740。其中,光电隔离不仅能够有效的消除干扰,同时可解决线路阻抗匹配和负载驱动问题。为了防止感性负载上电流突然被切断而产生的自感电势对电路的干扰,应在感性负载两端接入续流二极管回路,以抑制反电势的产生。
1.2.3 通讯模块实现
在单片机端通过相应的RS-485转换芯片将485信号转换成单片机需要的串口信号,在本文中采用的是MAX485芯片。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片,采用半双工通讯方式,它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能,与单片机的接口如图2所示,芯片能由单片机的一个引脚PTC0来控制。通讯程序框图如图3所示。
1.3 软件设计
针对设计变量施肥控制系统的要求,分析了控制系统的输入、输出和通信等要求,然后使用C语言以及汇编语言混合方式进行了软件编程, 其系统软件流程图如图4所示。
当系统上电后,首先通过PLL初始化设定总线时钟,通过定时器初始化设定PWM输出,以及通过串口初始化实现通讯设置。初始化完毕,关闭单片机看门狗(单片机集成看门狗电路),读取485总线传送的上位机流量设定数据,并通过位移传感器测得当前施肥量,对施肥量数据进行均值处理,比较采集数据与给定值的偏差,PID运算,改变单片机输出PWM信号的占空比,直接返回到循环流量检测,直至偏差小于设定阈值,打开看门狗并再次接收上位机流量设定数据。
为了保证排肥驱动机构运转的稳定性和良好的动态响应特性,设计了数字PID控制器,兼顾系统动态控制特性和静态性能。
计算机控制系统中的数字PID算式为
PID控制原理简单、易于实现、适用面广,应用PID控制,关键在于适当地调整参数Kp,Ki,Kd,使整个系统取得良好的性能,设计中PID 参数由技术人员在线整定优化。作者经多次实验调整,确定PID参数为Kp=1.5,Ki=0.001,Kd=0.002,其动态调整效果如图5所示。由机载电脑给定正弦信号位移曲线(实线部分),单片机接收数据并经过PID计算,实时输出不同占空比PWM信号来驱动液压活塞,同时返回当前位移数据(虚线部分)。由图5可见实际位移与给定值非常接近,说明系统稳定效果非常理想。
2 结束语
通过对嵌入式控制系统硬件、软件的设计,实现对电液比例液压系统实时变量控制。设计中充分利用了MC68HC908GP32丰富的片上资源和优越的编程、控制性能,集机电液一体化技术与自动控制技术于一体。本文给出的控制方案经过调试,已能够平稳运行,经过大量的调试和实验,实现了根据GIS处方图、GPS等信息进行综合运算进而控制液压缸来变量施肥。
摘要：以MC68HC908GP32单片机为核心,开发了变量施肥的电液比例控制驱动系统。施肥机根据已知施肥处方图以及GPS的位置信号计算出流量信息并传送至嵌入式系统,由单片机实时控制液压执行机构,变量输出田间不同位置的施肥量。通过对施肥机的静止和地块工作试验验证,变量控制可靠,作业效果良好。
关键词：MC68HC908GP32,变量播种施肥机,精准农业,单片机,电液比例控制
参考文献
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自动化灌溉施肥系统 篇7
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
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自动化灌溉施肥系统 篇8
我国园林水资源利用率低,短缺与浪费现象并存[1],是当前园林发展面临的主要问题。一定的土壤含水率是作物存活的保证,而过多的土壤含水率又会引起园林作物的根部腐烂。解决以上问题的根本方法是发展合理灌溉,提高水资源利用率以获取最佳的经济和生态环境效益。然而,目前中国在园林节水灌溉方面还存在明显不足[2]。主要体现在:1)目前常用的灌溉控制系统主要以有线工作方式,采用现场总线和串行总线技术,不仅需要较高的布线成本不便于扩展,而且系统安装及维护成本高;2)国内大多数的园林控制系统简单的采用控制算法进行定时自动喷灌和滴灌,不能根据植物土壤的温湿度及所需的水量及时适量地加水,不仅导致水资源的浪费,还有可能导致植物因为水多或者水量不足而死亡。因此,本文设计了一种基于无线传感网络的园林自动节水灌溉系统[3],该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过Zig Bee自组网方式构成,同时在软件设计中引入了基于温湿度的模糊控制算法,提高了系统的灵活性和控制精度,实现了精细花卉所要求的时空差异性和水资源的高效利用。
2 系统总体设计
控制系统由园林灌溉控制器和无线传感器节点组成。园林灌溉控制器包括了无线通讯模块,喷滴灌控制阀和人机交互接口,负责接收传操作指令和处理无线传感器节点采集的温湿度信息。无线传感器节点包括主控模块、传感器模块和无线通信模块。功能是实施采集园林土壤的温湿度值并通过无线的方式将数据发往园林灌溉控制器。
系统启动后,园林灌溉控制器先发起组网命令[4],当收到无线传感器节点应答命令后。用户通过上位机软件设置各个参数,传感器节点周期性的采集整个园林土壤的温湿度数据并把数据发给灌溉控制器让其进行采取相应的控制策略。本文分别对传感器节点设计、园林灌溉控制器和温湿度的模糊控制算法进行了详细的介绍。
3 无线传感器节点设计
传感器节点担负着园林土壤温湿度采集,数据接收和发送的任务。节点的结构如图1所示,节点由电源、土壤温湿度传感器和Zigbee[5]片上系统CC2430四部分组成。传感器模块负责园林内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器的操作,接收和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信和收发采集数据;电源模块为整个系统提供所需的能量[6]。
3.1 传感器节点硬件设计
传感器节点的电源采用2节干电池供电(每节1.5v),相当于采用太阳能电池供电,又有利于减小节点的体积,电池在每半年左右轮换充电一次这样既经济又环保。
本系统的Zig Bee芯片选用Chipcon公司的CC2430,它延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了Zigbee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用了1个8位的MCU(8051),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含14位模拟数字转换器(ADC)、较宽的电压范围(2.0~3.6v)、几个定时器、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、以及21个可编程I/O引脚。同时CC2430芯片功耗低,功能强大,较宽的电压范围(2.0~3.6v),集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的PF无线电收发机,只需很少的外围部件就能实现信号的收发功能。
温湿度传感器的选择及参数,该系统采用TDR-3A
土壤温湿度传感器,该传感器能够同时对温度和湿度进行测量,具有适宜园林土壤环境的密封,防水,精度等特点,是测量土壤温度和湿度的理想仪器。测湿度量程0~100%(m3/m3)。在0~50%范围内精度:±2%;测温量程:-40~80℃,精度:±0.2℃;输出电流4~20m A标准电流环[6]。
3.2 传感器节点的软件流程
温湿度传感器的选择及参数,该系统采用TDR-3A传感器节点的基本工作流程主要包括上电初始化、数据信息采集、电源模块及数据的接收与发送等[4]。当系统上电启动程序对个端口进行配置,基本工作流程如图2所示。
4 园林灌溉控制器设计
4.1 园林灌溉控制器的组成
园林控制器由无线数据传输模块,按键输入模块,控制信息I/O口输出模块和主控制芯片模块组成,结构图如图3所示。微处理器采用MSP430F2274单片机,该芯片是TI公司430家族的16位单片机。电压工作范围是1.8~3.6V,性能高达16M IPS。正常工作功耗低至270u A,10位AD采样,32KB容量flash和1KB容量RAM,是一款高性价比的430单片机。
微处理器的通用I/O口与电池阀之间以光耦隔离,每一个I/O口对应的控制一个电池阀,以控制喷滴灌头的开闭,并通过定时器控制电池阀的打开时间等,同时系统具有很高的扩展性。
4.2 灌溉控制器模糊控制策略
目前大多数园林灌溉控制器只是采用简单的控制方法并不能对花卉进行精细的控制以及传统的温、湿度闭环控制通常采用开关控制或PID控制,前者实现简单但精度差,后者精度高,但需建立数学模型,参数整定要求较高,而在温湿度非线性复杂变化的环境下,不易精确建模,基于以上特点本系统化采用模糊控制策略。模糊集论是由美国控制论专家Zadeh最早在1965年提出来的[7]。
4.2.1 输入量和输出量
园林作物需水量的多少和土壤水分含量、空气温度、作物的种类及其生长阶段等相关。土壤含水量的多少和温度值通过TDR-3A传感器获得,测得环境中的温度x∈[0,40](∘C),土壤湿度y∈[20%,55%]同时选择喷滴灌时间t为输出量。
4.2.2 温湿度值模糊化
在温度中选择低温、中温和高温三个模糊子集,涵盖输入量x的论域[0,40];相应土壤含水量分为含水少、含水适中和含水多,涵盖输入量y的论域为[20%,55%]。
4.2.3 模糊控制算法
系统温湿度的模糊控制算法如图4所示,输入的信号为土壤的温度和湿度值,输出为园林灌溉的时间,先将输入变量的精确值转化为适当的论域上的模糊语言变量值,本系统对状态变量{e(k)}进行“归档”模糊量化。系统中的输入变量的误差e,变化率ec和输出都有相应的范围,当e(k)的值大于最大误差时取相应的最大误差值,同理通过模糊法算出变量的变化率的值最终系统根据园林土壤温湿度值来决策输出合理的灌溉输出时间也就是喷滴灌的用水量实现了精细花卉所要求的时空差异性和水资源的高效利用。
5 系统实际应用与验证
本系统在厦门市翔安区生态园林进行了初步实验。该园林采用地面固定喷灌和滴灌系统,按照园林的作物状况不同部署了传感器节点,每一个节点负责监测一块区域土壤温湿度状况。同时每个区域采用一主管加多分支管的输配水管网,每个电磁阀与灌溉控制器相连,并由控制器控制每个之路的喷滴灌时间。实践表明选择节点间距离为220米为最佳,园林面积为1000平方米,单次通信误码率为2%,另外系统电磁阀控制精准、系统稳定性较好。
6 结束语
本文提出了将无线传感器网络用于园林节水灌溉自动控制领域的技术方案,并设计了一套基于无线传感器网络的园林节水灌溉系统。该系统有灵活性强、安全可靠、低功耗的特点,无需人为操作,免除有线接入的繁琐和种种隐患能长期稳定的工作,是对有线控制方式的补充。同时本文针对园林灌溉系统在软件上运用了基于温湿度的模糊控制算法,使系统具有更高的可靠性,实用性,提高了园林控制系统的实用性及喷灌用水的使用效率。无线传感网络不仅能运用于园林、农业领域中的传感器数据的采集、水表的抄表、电池阀的远程控制等,对于其他领域如家居智能化、自动抄表、远程监控的领域有广阔的前景。
参考文献
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