自动灌溉（精选9篇）
自动灌溉 篇1
山东省海岸线之长居全国第2位,半岛黄金海岸线长超过0.3万km。改革开放以来,沿海城市生活水平不断提高,工业与生活用水迅速增加,城市水资源日趋紧缺。沿海原来用于农业灌溉的大中型水源工程现基本转向城市供水,农业用水受到严重影响;随着经济的发展和城市化进程的加快,农村劳动力逐渐向城市转移,农业生产受到严重影响。面对沿海经济发达地区水资源紧缺、劳动力缺乏的特点,如何缓解沿海经济发达区的水资源供需矛盾,如何保持农业稳定发展,使用于农业的有限水资源得到合理配置,高效利用,已成为山东省农业高效用水研究的重要课题。为此研究总结了代表经济发达缺水区农业高效用水发展趋势的多灌溉水源联网调度与自动灌溉控制技术。
1 多水源联网调控工程规划
考虑目前农村生产承包责任制及行政划分的特点,多水源联网路线首先做到各村自成一个联网系统,然后根据需要村之间相互连接,最后与公用的地表水连接。各水源首先单独自成灌溉系统,对于控制灌溉面积有限的水源,从其他水源中调水。为了提高地表水的利用率,有效地合理开发地下水,提高农田灌溉保证率,规划中各村庄单井自成体系,可单独运行,然后以村为单位联网。河道拦蓄截潜坝蓄积的地表水向管网中大口井(方塘)供水,与区内地下管网连通。自动化控制系统对多水源联网工程集中运行管理,由中央控制室根据区域内的灌溉用水情况统一控制,各小水源既可独立控制灌溉供水,又可在整个管网内进行调配供水。随着区域经济的发展,各村联网系统可以彼此连通,形成一个四通八达的工程网络,以实现区域水资源优化配置,提高区域水资源的利用效率。
多水源联网方式通过地下管道连接河道地表水、方塘、浅机井等小水源,联网后的每个独立水源既可单独运行又可相互调用。为统一高效管理,建立了多水源联网控制中心,由微机进行自动控制,每个水源既可向所控制的灌溉单元独立供水,又可通过地下管网相互调水,达到区域水资源合理配置的目的。实行联网后,原有机井全部封闭,由微机对水泵启闭进行控制,实现对任一水源机泵或管网中任一自动阀门的启闭控制,同时可对水源水位、灌水流量等实施监控。
2 多灌溉水源联网调度
以多水源联网工程为基础,每个水源既可单独运行又可相互调度。以输水费用最小为目标,建立各水源间的水量调配模型。
2.1 模型概述
将联网区域内的水资源系统概化为供水系统和需水系统2个子系统,供水系统由联网区内的水源组成,需水系统根据区域内的田间配水工程现状和特点,分为各自独立的用水区域。当某一联网区域水源供水能力大于其控制范围内的用水需求时,该联网区可以向其他联网区调水,当小于其控制范围内的用水需求时,也可由其他联网区向其调水。不同联网区之间的水量调配,以不同联网区的连接结点为输水纽带,在进行不同联网区之间的供水调度时,将缺水联网区概化为一用水区域,将余水联网区概化为一供水水源。缺水联网区(概化后的用水区域)参与余水联网区的水源供水优化分配,余水联网区(概化为水源)参与缺水联网区的水源供水优化分配。
2.2 数学模型
(1)目标函数。
多灌溉水源联网后,水源之间可互相调水,某个水源可向任意一个或多个用水区域供水。由于水源与各用水区的距离不等,输水条件不同,其单位输水费用也不相同,因此,联网水源供水应以输水费用最小为目标函数,即:
式中:z为多水源联网工程的总输水费用;cijt为第t时段第i水源向第j用水区域供水的单位输水费用;xijt为第t时段第i水源向第j用水区域的供水量;m为联网水源的总数;n为划分的用水区域总数。
(2)决策变量。
时段内第i水源向第j用水区域的供水量xij为决策变量。
(3)约束条件。
①第t时段第i水源向各用水区的供水量之和应小于或等于该水源的供水能力,即:
式中:Qit为第t时段第i水源的供水能力。
②第t时段各水源向第j用水区域的供水量之和应满足需求量要求,即:
式中:qjt为第t时段第j用水区域的用水量需求。
③第t时段联网水源的总体供水能力应大于或等于用水区域的用水量总需求,即:
供水合理性约束:考虑分质供水等因素确定的某(类)水源不向某用水区域供水,或者某用水区域不接受某(类)水源的供水,即供水量为0。
④第t时段第i水源向第j用水区域的供水量应大于或等于0,即:
⑤水源优先供水约束。
当联网系统内既有地表水源,又有地下水源时,水源供水应遵循一定的原则,即汛前优先利用地下水源,汛期、汛后利用地表水供水或补源,为此需要增加相应的约束条件。
⑥非负约束。
即第t时段第i水源向第j用水区域的供水量应大于或等于0。
2.3 水源联网调度的求解方法
根据模型结构,首先确定模型目标函数、决策变量与约束条件,然后在满足约束条件的基础上,输入基本参数,利用线性规划法即可求出各水源之间的优化配水方案。
2.4 水源联网调度的实例
根据示范区管网布置情况和水源特点,将核心区及其周边8个供水水源进行了工程联网,并对调控方案进行了计算分析。
(1)模型参数确定。
①输水费用。
单位输水费用主要与输水管线的长短、输水条件等有关,该参数的确定主要考虑输水管线的输水成本。
②用水区域的用水需求。
根据该用水区域时段内的不同作物种植面积、优化后不同作物灌溉需水量及需水模比系数确定。
8个水源的基本情况见表1。
注:①单位为万m3。
根据各用水区域(7块)作物种植面积等确定的不同时段作物灌溉需水量见表2。
(2)结果分析。
根据确定的模型参数对示范区内8个水源之间的水量调度进行了优化,可以知道有的水源在向其他用水区域调水的同时,也接受了别的供水水源向自身控制用水区域供水。这就是说由于水源的分散性,控制作物的不同,也必然会出现各水源之间的相互调水结果。但是水源1的供水量与用水区域1正好匹配,既不需要向外供水也不需要其他水源调水给它,而水源2为小二型水库,相对于用水区域2供水有结余,余水可根据需求通过联网工程在5、6月份分别输送到用水区域3、4、5、6;用水区域6面积大需水量较大,与之对应水源7的供水量无法满足用水要求,在较干旱的5、6月份,其他的水源可通过联网工程向用水区域6调水,区域联网工程明显提高了农田的灌溉保证率。
3 水源联网自动化控制技术
在以多灌溉水源联网为核心的农业高效用水工程中,自动控制灌溉技术使有限的水资源得到合理配置,提高灌溉工程的效率。
多水源联网自动控制系统采用分布式测控系统和无线半双工应答的数据传输方式。该方式可以通过调整发射机功率方便地控制传输距离,不受距离限制;同时,在远离城市工业区的野外干扰源少,无线信号传输质量好,采用很小的发射机功率即可满足现场对通讯距离的要求,且便于维护,成本明显低于有线传输方式。系统所采用的无线半双工应答的无线通讯与485有线串行通讯结合的经济组网方式在农业上应用属国内首创。
3.1 多水源联网自动控制系统
多水源联网控制系统是由1台控制计算机、1台内置单片机的控制总站(置于中央控制室,简称“上位机” ),以及若干台内置单片机的控制子站(置于机井井房或测控现场,简称“下位机” )组成的分布式测控系统。下位机可以分为2级,系统为树形拓扑结构,见图1。
控制总站(中央控制室)为树形分布结构的中心,本工程设在羊亭拦河橡胶坝的泵房内。树形结构的外节点为各控制子站,控制子站分为2级(一级子站和二级子站),分布在各机井处或测控现场,一个控制总站理论上可以带任意多个控制子站,但过多的控制子站将影响系统运行速度。控制总站与一级控制子站的通信采用无线半双工方式进行,一级子站和二级子站采用有线通讯方式。
中央控制室是控制系统的中心,主要包括控制计算机、控制总站各1台、UPS备用电源、打印机以及外接天线等。
3.2 水源联网自动控制系统软件
考虑系统的开放性和扩充性,多水源联网计算机控制系统的软件,没有像通常控制系统那样将数据库放在主系统中,而是采用专用数据库软件Access另外创建数据库,数据库与主系统的连接采用ADO技术。主系统可以实时写入采集到的运行参数,可以随时访问数据库进行查询、检索和历史趋势图显示。需要更改的环境参数、控制参数均以表格的形式存于数据库中。
3.3 系统控制方式
控制系统具有3种控制方式:自动控制方式,人机交互控制方式和智能控制方式。
3.4 水源联网自动控制系统特点
多水源联网自动控制系统能够控制机泵的启闭及电动阀的启闭等过程;完成水位、压力、流量、水泵及电动阀的启闭状态等现场数据的采集;控制田间供水电磁阀的启闭,完成田间墒情、电磁阀的启闭状态现场数据的采集,并实现田间供水的远程监控,远距离实现现代化的精准灌溉。
4多灌溉水源联网调度与自动灌溉管理技术的应用效果
自动化控制技术与多水源联网调度技术的集成,实施了对各水源水泵的适时启闭,实现了对水源水位、管道流量、管道压力、灌溉水量等数据的实时采集和灌溉运行过程的自动监控。地表水、大口井、机井、方塘等分散水源的自动化联网调度,首次实现了当地水资源的集约化管理、统一调度。传统的农业灌溉用水由现代化农业高效用水替代。
自动化控制技术使灌溉水源的联网调度、集中控制成为了现实,扩大了灌溉面积,提高了灌溉保证率。威海市羊亭村项目区节水工程建设前只能灌溉82.53 hm2,联网后可控制到107.87 hm2,扩大灌溉面积25.33 hm2;灌溉工程的集约化管理提高了灌溉效率,省时省工,现在107.87 hm2的农田灌溉仅需2人即可控制;水利工程的更新,改善了作物的生长水环境,促进了种植结构的调整,项目区内原有的粮田已由农田种植大户承包,已逐步改种了黄金梨、大樱桃等经济作物。
5 结 语
针对发达缺水区农业水资源短缺及用水管理问题,研究总结了大区域多灌溉水源联网调度网络工程,将各水源的单独管网连接起来,形成调度自如的灌溉网络系统,采用优化理论,以多水源联网工程为基础,以输水费用最小为目标,建立了各水源间的水量调配模型,每个水源即可单独运行又可相互协调,实现了分散水源的统一管理,联合调配,提高了农业供水保证率。
研发的多水源自动控制系统,形成了多水源联网自动化调度系统工程平台,基于这个工程平台,按照优化配置的方案对区域地表水、地下水进行科学调度,实现了区域农业分散水源的精准灌溉,是我国农业用水高效管理的发展方向。
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自动灌溉 篇2
农业灌溉、灌溉农业以及绿洲农业这三者均指利用水源灌溉发展的农业。运用时要注意两点区别：①分布地区；②农作物生长所需水分的主要来源。
农业灌溉主要是对半干旱半湿润地区的水浇地、湿润地区的水田而言，大多利用天然降水来灌溉农田。
灌溉农业是指在干旱半干旱地区，因天然降水远不能满足农作物生长的需要，依靠人工补给农田水分，其水分来源是河湖水、地下水、高山冰雪融水。灌溉的作用除满足水分的需要外，还可以调节土壤温度、湿度、土壤空气和养分，有些灌溉形式还可以培肥地力和冲洗盐碱。通过发挥上述作用，灌溉农业提高了土地的生产能力，是一种能排能灌、稳产高产的农业。在各大洲的大江大河两岸，如亚洲的长江、恒河，非洲的尼罗河流域，都发展了灌溉农业。此外，我国的宁夏平原、关中平原、成都平原也属于灌溉农业。
自动灌溉 篇3
摘 要：现代化灌溉农业对对灌水时间、灌水量、灌水部位等都有精确要求，田间灌溉自动控制技术是支撑现代化灌溉农业的一项基础性技术措施。其中通讯技术对田间自动灌溉起到至关重要的作用，是灌溉自动化的核心技术。本文对我国现有的常用田间灌溉通讯技术进行了分类，并对目前主流控制技术进行了介绍及优缺点分析，最后指出不同通讯技术的适应范围及其未来发展方向，以期对现代农业田间灌溉控制系统中通讯技术的规划、设计和施工提供参考依据。
关键词：灌溉；自动控制；通讯技术；解码器；共用网络
中图分类号：S274.3 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.06.015
Abstract：Modern irrigation agriculture has more precise requirements on irrigation time， irrigation amount， and position et al. Field irrigation automatic control technology is one of the basic technical measures to support the modernization of irrigation agriculture. The communication technology to the vital role in the field of automatic irrigation is the core technology of irrigation automation. This article has carried on the classification to our country existing irrigation of commonly used communication technology， and the main control technology at present are introduced and their advantages and disadvantages were analyzed， finally pointed out the applicable scope and the future development direction of different communication technology. This paper could provide reference for the planning， design and construction of modern agricultural irrigation control technology in communication system.
Key words：irrigation；auto-control；communication technology；decoder；shared network
在与灌溉控制相关的众多技术中，通讯技术显得至关重要，这是因为灌溉自动化设备分布在广阔的农田中，测量和控制点极其分散，而且没有电源供应，这些技术条件及其苛刻的成本要求使得通讯技术成为田间灌溉自动化系统的核心技术。可以说通讯是灌溉控制的基础，没有通讯就没有灌溉控制。另外，通讯部件也是灌溉控制设备最主要的耗电部件，因此通讯方案的选择直接决定了供电方案的选择、产品形态的选择和安装方法的选择等。
本研究中的灌溉自动化控制是指通过某种控制设备对田间分布的末级灌溉阀门进行远程自动化控制的系统，对灌溉首部和首部干管上的阀门进行的远程控制不在本研究讨论范围之内。与之相应的通讯技术也是指为了控制田间末级灌溉控制阀门而采用的通讯方案。灌溉控制系统的上端一般是在灌溉首部，其下端是灌溉控制阀门，上端和下端之间的距离在100～3 000 m之间。在限定了以上技术条件和使用环境后，再来讨论这个问题目标才更加明确，才能够对工程实践有直接帮助。
1 田间灌溉常用通讯技术分类
1.1 主要控制技术
本领域目前应用的主要控制技术方案包括以下4种。（1）水命令管控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过水命令管（加压或泄压）控制阀门开关的控制方式，以色列主要阀门制造商都提供这种产品。（2）电缆控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过电缆（供电或断电）控制阀门开关的控制方式，所有的灌溉阀门厂家都有相关产品。（3）解码器（单向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆向解码器发送开阀或关阀代码，由解码器操作阀门开关的控制方式，这种方式的最主要特点是通讯方式是单向的，即只有灌溉控制器由上至下的命令，没有由下至上的反馈。（4）阀控器/RTU（双向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆连接阀门控制器，由阀门控制控制器操作阀门开关的控制方式。
1.2 主要通讯链路
本领域目前应用的主要通讯链路包括以下2种。（1）专网无线控制。灌溉控制器经过自建无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。（2）公网无线控制。灌溉控制器经过公用无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。
1.3 其他相关技术的分类
从是否有就地控制设备（阀控器、RTU、解码器等）可以分为直接控制和间接控制，其中直接控制又可以分为电信号控制和水信号控制，间接控制则必须依赖于通讯。通讯按照有无介质又可分为有线通讯和无线通讯，按照数据流向又可以分为单向通讯和双向通讯。
在无线通讯中有自建网络或利用公用网络两种方式。其中自建无线网络又可按照不同频段分类，还可以按照是否间歇通讯或各类通讯协议等进行分类。而公用无线网络通讯可以按网络类型、网络代级、工作方式等进行分类。
2 几种主流技术简介
（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个解码器可以带1～8 个脉冲电磁阀，但由于采用单向通讯技术，系统无法知道阀门的真实状态。这种通讯方式的产品由于采用电缆连接可以埋在地下使用，因此产品的防护等级一般都能达到IP68，美国的雨鸟和托罗公司都生产这类产品，解码器的上端是灌溉控制器。
（2）有线方式的双向通讯控制。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个控制器可以带1～8 个脉冲电磁阀。以色列的太极公司生产这类产品，但防护等级不高，不能埋地使用，国内上海远恒信息技术有限公司的产品防护等级达到IP68 可以埋在地下使用。
（3）无线方式的自建网络通讯。这种控制方式采用无线通讯信号在控制区域内建立一个专用的无线通讯网络，能够提供这种产品的公司很多，主要采用的无线通讯技术有Zigbee，WIFI，433 MHz 自由通讯，2.4 GHz 自由通讯，等等，这些通讯技术都是通用的无线通讯技术，所有的灌溉设备制造商都没有这方面的专用产品和技术，都是将其他厂家生产的通讯模块集成到自己的产品中，因此从灌溉应用的角度来说这些技术大同小异。
所有此类无线灌溉控制产品都存在两个难以取舍的突出矛盾，第一是通讯距离（发射功率）与耗电之间的矛盾；第二是通讯距离（发射功率）与无线电管理之间的矛盾。当然还有通讯速率与可靠性和传输效率、载波频率与传输效率和抗阻挡能力等多个方面的问题需要产品制造商和工程建设单位认真研究对待。
由于这类产品具有研发简单、产品成本较低、使用中不需布线、安装方便等优势，已经成为灌溉控制产品的主流。主要的设备供应商有美国的托罗、哈希，以色列的太极、艾尔达，国内的上海远恒、石达赛特、联创斯缘等公司都有类似产品。
（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制是利用现有的电信运营商（中国电信、中国移动、中国联通）的无线通讯网络传输灌溉控制命令，这种技术不需要开发人员考虑通讯可靠性问题，也不需要用户对自己所使用的通讯网络进行维护。但是用户或者产品供应商却需要给电信运行商支付相应的通讯费用。
3 各种通讯技术的特点
（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式的产品的特点是产品简单，可靠性高，同时由于它不能反馈现场的阀门状态的信息，比较适合于园林景观等操作人员能直接观察到开关阀门效果的场合。
（2）有线方式的双向通讯控制。这种有线通讯方式的特点是可靠性非常高，而且没有安装高度的限制，在农业应用中有时需要很长距离的通讯传输，有线方式可能无法达到，另外线缆敷设于耕作的田间有可能受到破坏。
（3）无线方式的自建专用网络通讯。这种控制方式的特点是组网灵活，不依赖电信运营商，在一定的条件下不需要缴纳运行费用。同时，由于基于这类通讯技术开发的产品非常多，出现了严重的鱼龙混杂的现象，很多类似产品没有经过常见时间的考验就推向市场，出现很多不可预知的问题。另外关于无线电管理的问题也应引起使用者足够重视，现在市面上的一些产品，包括国外的产品片面追求较大的通讯距离使用较大功率的无线通讯设备，这些设备大多违反了我国的无线电管理条例，大面积使用后一旦受到无委会的处罚将面临全面停用的后果。作为负责任的制造商和关注自己未来的用户一定要选用符合无委会规定的通讯产品，避免今后可能存在的不良影响。
（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制的特点是将通讯这样一个复杂的问题交给专业的通讯公司去做，灌溉产品供应商和使用者只关心灌溉应用的问题，这样将消除通讯不稳定带来的困惑，同时也省去许多的网络维护的工作量。但在取得这些便利的同时却需要向电信运营商支付相应的费用。
4 不同通讯技术的适应范围及未来发展方向
每种通讯技术都有自己的优势和劣势，作为使用者其责任是了解这些优势和劣势，结合自己的工程实践，选择最适合实际工程特点的通讯技术和产品。单向通讯控制方式适合于喷灌及开关阀的结果可以人为判别的场合，如园林灌溉、高尔夫球场、小型农田喷灌等。双向有线通讯的控制方式适用于阀门集中于干管或分干管上，高杆作物，不需要每年耕作的场合。无线专用网络控制方式适合于阀门孤立分散，矮杆作物，控制区域内较少防风林带的场合。无线公网控制方式适合于手机信号覆盖的任何区域，不用考虑作物类型、防风林等情况。
通讯技术在灌溉控制应用中具有鲜明的特点，这些特点造成灌溉通讯将向着两个不同的方向发展，第一个方向是个性化，第二个方向是公用化。个性化是指开发一种专门用于灌溉控制的个性化通讯方式，专门用于灌溉行业的通讯控制，其特征在于长距离、抗阻挡、低速率、低成本、低功耗。公用化是指采用公用无线网络如手机网络，进行灌溉控制，其特征在于现实可用、安全可靠。从时间上来说，灌溉通讯的个性化产品需要市场的规模扩大到相当的程度，还需要相关技术研发成功达到成熟的程度，因此需要很长一段时间。而灌溉产品采用公用网络却不需要等待。因此，从未来十年看，公网无线是发展方向；从未来的十年以后看，个性化通讯网络将成为灌溉控制的方向。还需再明确的是，这里讨论的是田间灌溉阀门到灌溉首部之间的通讯方案，在首部之上现在和将来都是采用公用网络为主要手段。
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温室大棚自动灌溉系统设计 篇4
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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自动灌溉 篇5
本实用新型涉及集成电路产品设计开发领域, 具体采用ZStack-2007协议栈实现低功耗近距离无限组网应用, 设计基于以CC2530单片机以及以K60单片机的植物自动滴灌器。
1 总体设计
采取低功耗的ARM7 (KL25) 作为核心控制芯片, 采用CC2530作为远程工作端组成传感器网络。采集植被生长的环境信息, 使用DS18B20采集大气温度, 和使用用DHT11来采集土壤温湿度 (特殊封装过) , 并且用光电传感器来判断水流量的大小。采用步进电机来机械的控制水流量的大小。利用太阳能发电, 稳压芯片稳压来给整个系统提供电能。实现了智能控制水流对植被进行滴灌, 由于应用于户外。为了远距离的监控系统工作环境, 系统中添加了NRF905作为无线通讯来实现远距离通讯机控制, 最终减轻工作人员的工作量, 解放劳动力。解决了现有技术无法根据实时情况进行灌溉的缺点。
该设备的5个主要功能是:
(1) 应用温湿度传感器对沙漠里种植的树木生长环境进行测量监控, 并根据测得数据进行水流控制浇灌。
(2) 将检测数据及水位数据实时传送到远端的上位机, 从而实现远程实时监控的作用, 并可实现缺水报警等功能。
(3) 采用智能控制理论进行设计, 并解决了现有技术操作复杂, 人员劳动量大的缺点。
系统实现远程监控, 最大限度解放生产力。采用KL25作为核心控制器具有体积小,
(4) 低功耗, 低成本, 工作稳定的优点。
(5) 系统使用寿命长, 能最大限度的节省预先提供的水源。
本实用新型应具备以下几个优点:
(1) Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域, 可以嵌入各种设备。
(2) KL25采用级低功耗Cortex-M0+内核, 大幅度的降低能耗。
(3) 对开发人员具有简单且功能完整的人机接口。
(4) 对用户的操作技能要求要低, 争取达到免维护傻瓜式应用。
2 工作端
它包括zigbee cc2530无线模块、传感器、工作端显示器、工作端无线通讯模块、步进电机、工作端蜂鸣报警器、工作端按键、太阳能供电装置、电源稳压器。
zigbee cc2530无线模块用于控制整个系统, 实时发射接收并对返回的信号进行处理;传感器负责收集植物状态信息, 工作段显示器用来显示植物的状态信息, 工作端按键可以设置工作状态;电源稳压器和太阳能供电装置为整个系统提供稳定电能;步进电机用来驱动开关是否浇水。
使用时, zigbee终端节点采集收集数据信息, 通过步进电机动作来实施浇水, 实现自动浇水控制, 实时接收和发送信号, 通过射频天线发射到四周。通过多跳使协调器接收到zigbee终端节点的信号, 通过NRF905发送数据给控制端, 从而实现人机互动, 并且使人们得到数据信息, 酌情切换工作模式。
3 监控端
它包括远程监控端电源、远程监控端无线通信模块、远程监控端KL25控制中心、远程监控端计算机、远程监控端蜂鸣器、远程监控端按键。
远程监控端电源负责为远程监控端供电;远程监控端无线通信模块负责通过spi通信与KL25进行通信;远程监控端KL2控制中心负责收集返回的信号并统计结果;远程监控端计算机用于显示远程监控端控制中心收集到的信息, 并且对工作模式进行切换;远程监控端蜂鸣器负责报警。
4 主要算法
在工程实际中, 应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制, 简称PID控制, 又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史, 它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握, 或得不到精确的数学模型时, 控制理论的其它技术难以采用时, 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定, 这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象, 或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时, 最适合用PID控制技术。PID控制, 实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差, 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
5 结束语
本系统能根据环境进行智能控制浇灌水流, 并远程监控及对不同品种植被进行智能浇灌, 功耗低, 节约了资源。系统体积小, 操作方便, 成本低。
作为新兴的短距离无线通信技术, Zigbe产品将以各种各样的方式快步向我们走来, 成为人类工作和生活中不可或缺的一部分。
参考文献
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[2]李文仲, 段朝玉.ZigBee2007/pro协议栈实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009.
设施农业营养液自动灌溉施肥机 篇6
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。
自动灌溉 篇7
随着传统农业逐步向现代化农业的转变,实现高产、优质、高效以及节能节水的农业生产方式是农业现代化的基本要求。利用现有的工业控制技术,设计一种通过环境系数的采集实现灌溉的合理、自动控制的装置,对农业现代化具有重要的意义。现有的自动灌溉设备因为算法问题,存在控制精度问题[1,2]。本控制器利用单片机控制技术,通过传感器采集温度和土壤湿度,并在软件设计中加入工业控制中常用的Mamdani模糊算法,将人们的灌溉经验转换为程序控制,有效地提高了系统的控制精度。
2 总体结构
在自动灌溉器的整个系统设计中,采用单片机AT89C52作为控制单元,通过对温度和土壤湿度的采集、处理,实现自动灌溉。
系统的主要结构如图1所示,将系统分为3个模块:人机界面、驱动模块、环境系数采集模块。系统上电启动,初始化完成后进入正常工作模式。用户可通过人机界面,输入密码进入参数设置,更改系统参数。温度传感器和湿度检测电路采集环境参数传给单片机,通过Mamdani模糊算法确定模糊量的值,并根据用户设置好的各项参数进行判断,实现对端口的开关控制。
3 Mamdani型模糊控制
1974年Mamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来,模糊控制器被广泛应用于各种工业控制领域。其基本思想把操作人员的控制经验归纳成一组条件语句,生成模糊控制器,对无法获得精确的数学模型系统给出有效的控制[3]。它的输入输出变量都采用模糊集合形式的语言变量表示,具体为:
Ri:if x1(k) is Ai1and x2(k) is Ai2and…and xm(k) is Aim;
then y(k) is Bi,i=1,2,…,l。
其中,Ri表示第i条规则,l为总的规则数,A
目前,Mamdani模糊控制广泛应用于工业控制领域,但在农业自动控制领域仍很少使用。控制器包含两个输入量和一个输出量,输入量和输出量之间的关系具有高度非线性,无法建立精确的数学模型,故引入Mamdani模糊控制。
4 系统模糊控制器设计
4.1 确定输入、输出量
浇灌器利用温度和土壤湿度传感器,测出环境中的温度x∈[0,40](℃),土壤湿度y∈[620,1 023](数字量),模糊控制器根据x和y的数据,选择灌溉时间t∈[0,60](min)。
4.2 输入、输出量模糊化
所有模糊子集都选取三角形隶属函数[6]。
4.2.1 温度值模糊化
选用低温(ST)、中温(MT)和高温(LT)3个模糊子集,涵盖输入量x的论域[0,40],隶属函数如下:
ST(x)=(20-x)/20,0≤x≤20;
4.2.2 土壤湿度值模糊化
选用含水少(NW),含水中(MW)和含水多(LW)3个模糊子集,涵盖输入量y的论域[620,1 023],隶属度函数如下:
NW(y)=(200-y)/200,620≤y≤820;
4.2.3 选定5个模糊子集
选用很短(VS)、短(S)、中等(M)、长(L)和很长(VL)5个模糊子集,涵盖输出量t的论域[0,60],隶属函数如下:
VS(t)=(10-t)/10,0≤t≤10;
4.3 建立模糊关系表
根据操作经验,对温度和土壤湿度进行组合搭配,可建立9条模糊控制规则,见表1。
表格中的(1),(2),…,(9),是9条规则的序号,每条模糊规则对应一个F蕴涵关系Ri(i=1,2,…,9),系统总的模糊蕴涵关系为:
4.4 近似推理
可根据公式(1),求近似推理总输出。
其中,U*表示总输出量,A*表示输入量的论域,Rj表示模糊蕴涵关系,Uj表示各条规则下求出的输出量 [6]。
A*、Rj、Uf3者之间的对应关系参照表1,根据3节中的语言变量表示方法,分别求出U1……U9,最后可根据公式(1)求出U*,总输出U*是个模糊子集,最大隶属度为0.4,论域为[10,40](min)。
4.5 输出量清晰化
采用最大隶属度法[4,5,6],最大隶属度法最大的特点是计算简单,在一些控制要求不高的场合,采用最大隶属度法非常方便。由上可知总输出的最大隶属度为0.4,论域为[10,40](min)。通过前文节中的隶属函数,求出的最小值为16min,最大值为34min,平均值为25min。
5 硬件设计
5.1 人机界面设计
控制器采用AT89C52单片机,通过74LS374与74LS138对I/O口进行扩展,供人机界面和端口模块使用。人机界面由6位数码管、6个LED指示灯和4个按键构成。LED指示灯显示当前工作状态。4个按键功能分别为:确定、返回、上移、右移。用户可通过按键和数码管对系统的参数进行查询和设置。
5.2 端口驱动设计
驱动模块采用24V外部供电电源,外接电磁阀,单片机通过光耦TLP521实现对端口的开关控制,有很好的抗干扰效果。图2为其中一个端口的电路,端子J22外接24V水阀。
5.3 采集模块设计
环境系数采集模块由时钟模块、温度传感器DS18B20、土壤湿度采集转换电路构成。时钟模块采用PCF8563,外接32.768kHz的晶振,该晶振保证平均误差可达5min/年,为系统提供准确的时间日期[7];温度系数采集采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器,可提供准确、稳定的环境温度[1]。
图3为其中的一路土壤湿度采集电路,本控制器采用电阻法[8]测土壤湿度,有效减少了成本。AD转换芯片采用TLC1543,该芯片有11路模拟输入通道,10位的分辨率[2],输入端通过锁存器74LS374接到I/O口。传感器的制作,用两根长10cm,直径3mm的不锈钢棒,上端固定,间距10cm,两端分别接入图3中的J10口,测量时插入土壤中长8cm。模拟量和数字量可通过公式x/1 023=y/5来处理,其中,x为转换的数字量,y为采集的模拟量,通过实际测量,得到的数字量范围为[620,1 023]。
6 软件设计
6.1 模糊控制器软件编写
根据上述算法及求出的输出量,编写相应软件,图4为流程图的一部分,程序对照表1,通过对采集的温度值和土壤湿度值的判断,选择灌溉时间。
6.2 系统整体软件编写
图5为系统软件流程图。设备开机后进入初始化,通过定时器1对按键和数码管进行扫描,实现实时显示和按键判断,之后通过时间以及实时采集的温度、土壤湿度来判断各个端口是否进行灌溉。在判断是否灌溉的环节中,引入上文所设计的基于Mamdani型模糊控制的判断程序,对采集到的温度和土壤湿度电压信号进行分析,提高系统的精确度。
系统中的参数查看和设置放在按键处理环节,用户必须输入正确密码才能进入,可根据当地气温、土壤、农作物等情况设置各项参数。参数包括日期时间、各个驱动端口对应的湿度和温度阀值、查看湿度值内码等。其中,湿度阀值可根据烘干法[8]确定最佳湿度值,然后对此湿度进行测量,读取湿度值内码,用户就可将此内码设为阀值。
参考文献
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自动控制阀门在农田灌溉中的应用 篇8
近几年, 国家加大了对农业灌溉设施的投入力度, 在井灌区大面积发展低压管道输水技术, 并逐步推广喷灌和微灌技术, 使灌溉水的利用率由不足0.4提高到0.45。但由于国家对农业水利设施的投入欠账较多, 在发展农业灌溉中遇到了许多问题:一是灌溉工程配套差, 重建设轻管理, 使花重金建设的灌溉设备不能发挥应有的作用。二是投入严重不足, 由于种植农田效益较低, 农民根本没有多余的资金投入到节水灌溉设备中。致实际节水灌溉面积保有量较少。三是节水灌溉技术基础研究落后, 信息技术、计算机自动控制等高新技术应用较少, 其配套设备选择余地少, 且维护复杂限制了应用。四是用水计量手段不配套, 尚未建立起灌溉用水总量控制和定额管理的体制等。在农田灌溉中, 由于用水量大, 水源情况复杂, 对自动控制技术提出了较高的要求。在控制水路方面, 目前应用较多的是电磁阀, 实践证明电磁阀仅适用于水量较少、水质比较干净的温室大棚。在面积大用水量较多的农田灌溉中, 由于电磁阀本身的结构原因, 使其不适应水质水源较复杂的农田灌溉。本文设计一种电动阀门, 具有耐压高、寿命长、维护简单等特点, 并与信息传输技术、计算机自动控制技术相结合, 组成自动控制阀门, 解决农田灌溉中用水计量、用水控制和定额管理等问题。
1主要工作原理及特点
(1) 机械构件组成如图1所示。
主要由蜗轮蜗杆的碟阀和直流电动机组成。原碟阀的涡轮用齿轮A代替, C为碟阀阀体, 齿轮B连接直流电机D并与齿轮A咬合, 直流电机转动时带动碟阀工作。
(2) 工作原理。
当电动机通电工作时, 带动齿轮B转动, 通过齿轮间的咬合, 使齿轮A转动并带动阀门开启, 当电动机通电方向相反时, 电动机反转并带动阀门关闭。通过控制电动机通电的方向来控制阀门的开启和关闭。
(3) 电路的自停机构如图2所示。
E、F是两个不同位置的触点, 小写a、b、c是3条引出线, 其工作原理是:当a、b两条线经触点E接通时, 阀门做关闭运转, 当机械臂使触点E断开时, 电动机停止转动, 此时正好使阀门关闭。当b、c两条线经过触点F接通时, 电动机做反方向运转, 使阀门做开启运转, 当机械臂使触点F断开时, b、c两条线断路, 电动机停止转动, 此时的阀门正好完全打开。
(4) 触点E、F的作用及特点。
由E、F两触点的相对位置, 决定了阀门开启或关闭的状况。对于碟阀其挡板开启和关闭的相对位置是转动90°, 因此E和F的位置相对中心点角度是90°。E点是关闭点, F点是完全开启点, 它们共同点是触点断开电动机停止运行, 这就是本装置的特点所在。它的优点是在24 V或12 V电压下, 触点断开瞬间, 触头没有打火现象, 触点离开的距离仅在1mm左右。触点的寿命至少5万次以上。由于触点E、F制作简单, 使用时只要保持环境比较干燥即可。
2电动阀门在农田灌溉中的适应性
(1) 取材方便, 成本较低。
阀体采用蜗轮蜗杆的碟阀, 把其手轮去掉用齿轮代替, 电动机采用直流12 V功率为16 W的慢速电机。无论是碟阀还是直流电动机市场都大量供应, 而且价格合理。
(2) 耐压高, 寿命长。
碟阀本身耐水压较高, 一般都在1 000 kPa以上, 另外, 碟阀阀体是由铸铁组成, 耐腐蚀。内部的密封橡胶垫, 在常温水流作用下, 其分解风化的速度较慢。另外, 使用直流慢速电动机工作的时间和频率较少, 一般是开启和关闭阀门时仅在几分钟之内完成, 其他时间电动机处于断电休息状态。综合各方面的技术指标, 由碟阀和直流慢速电机组成的电动阀门寿命较长。
(3) 关闭严密, 对水质没有特殊要求, 维护方便。
由于碟阀本身是通过旋转挡板来确定阀门是开启还是关闭的, 只要关闭点E的位置设置准确, 阀门的关闭总是非常严密的, 不受水流是否有杂质的影响。水流中的杂质不但影响闸阀的密封性, 而且, 影响最大的是电磁阀, 电磁阀工作时无触点, 而且体积小、耐潮湿、价格低廉、规格多等优点在自动控制中很受欢迎。但电磁阀工作时, 要求经过电磁阀的水质不能有杂质, 否则造成电磁阀关闭不严, 为此在电磁阀进水口前加一过滤网, 过滤杂质。在农田灌溉中由于水量大、水源复杂、杂质多等很容易堵塞电磁阀的过滤网, 给用户的使用和维护带来很大的麻烦。对于电动碟阀没有过滤网, 只要没有损坏, 不需要经常性的维护。
(4) 减缓水锤的作用。
由于采用慢速直流电机, 阀门是逐渐开启的、水流是逐渐加大的, 减缓了水头水锤对管道及出水设备的冲击作用, 保证地下管道的安全, 提高灌溉系统的使用寿命。
(5) 微耗电, 节约能源。
采用12 V16 W直流慢速电机, 其正常工作电流100 mA, 而且仅在开启或关闭过程中流通。当阀门完全开启之后, 即触点断开时, 直流电动机停止转动。在灌溉过程中直流电动机没有消耗电能。由于是微耗电, 12V直流电源可以由220 V交流电获得, 也可以由蓄电池供给, 为各种条件下农田节水灌溉的控制, 提供了形式多样价格低廉的动力保障。
(6) 控制电路简单, 接口电路方便。
在计算机与控制阀门之间其信号的传输有无线传输和有线传输两种, 但对于处于接收信号的控制阀门, 都是把一个微弱的信号转换、放大成能够控制电压为12 V继电器的大的信号。接收电路采用数字编码识别电路, 对不同的阀门给予不同的数字编码, 可以接收有线信号, 也可以接收无线信号。相位锁存是把接收电路送来信号的相位锁住、转换、放大并控制继电器。每一个阀门需要上述独立的一套接收控制电路, 为各用户用水的计量、管理带来方便。
(7) 阀门的口径、规格不受限制。
由自动阀门的工作原理可知, 用于控制流量的阀体C, 其口径的大小仅与电动机的功率有关, 口径大需要的功率较大, 其他结构原理是一样的。由于农田地形及需求灌溉的多样性, 对于不同大小的地块, 不同的用户, 多少不同的输水量, 可以提供口径大小不等、规格多样的自动阀门, 且各种口径的阀门其输水量是可以确定的。为定时定量管理用水提供技术保障。
(8) 电动机的电压、功率形式多样, 可供选择余地较大。
直流慢速电动机其工作电压有6、12、18、24 V等各种规格, 功率大小规格齐全, 对于不同的环境, 可选用合适的工作电压及功率。另外, 市场也提供了转速不同的电机。
(9) 改装及使用中应注意的问题。
①碟阀变速箱中应注满润滑油, 防潮防生锈。②主动齿轮、从动齿轮其表面附满润滑油, 防止生锈。③直流电动机及触点E、F应做防潮处理, 特别是触点应尽量隔绝与周围空气的交换, 应做密封处理。④使用时, 整个阀门置于距地面1.5～1.8 m深的井下, 防止冬季由于管道内积水而冻坏阀门。
3应用前景
由接收电路可知, 本装置采用数字编码方式接收信号, 每一个阀门对应一组数字编码, 不同的数字编码可以组成庞大的数字编码组, 足够一个自然村子的使用。另外, 由碟阀和直流慢速电机组成的自动控制阀门, 其组成简单质量可靠, 又采用数字化的接收, 为实现计算机智能化控制奠定了基础。
摘要：针对计算机及信息技术在农田灌溉中的控制阀门问题, 提出了用蜗轮蜗杆的碟阀与直流慢速电机相结合, 电路采用数字编码接收方式, 由此构成了自动控制阀门, 并论述了这种阀门在农田灌溉中的适应性。
关键词：自动控制,农田灌溉,电动阀门
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自动灌溉 篇9
节水灌溉分滴灌、喷灌、渗灌及微喷灌等, 传统节水灌溉监测手段较为单一, 如温度计、湿度计等, 观测较为简单, 无法全面准确地掌握作物施肥及需水情况。自动控制技术因其全面、自动、高效等优点, 应用较广。
1自动控制技术应用类型
1.1按物理控制量分
包括压力型、土壤湿度型、时间型、雨量型、空气湿度型、综合型等。
压力型主要对灌溉管道压力予以控制, 以提高灌溉的均匀性, 常结合变频控制器应用。针对相同压力灌溉系统, 设置压力传感器, 便能达到控制目的, 但成本较高, 操作复杂, 适用于灌水均匀性高要求场所。
土壤湿度型控制物理量是土壤湿度, 达到土壤含水量控制效果, 常结合渗灌及滴灌应用。此类型多用于温室大棚及大田中, 范围广。针对土壤湿度, 设定最小值和最大值, 并由传感器对土壤湿度进行探测, 若达最大值, 则关闭系统;若达最小值, 则开启系统, 使用较方便, 成本相对较高[1]。
时间型主要对灌水时间进行控制, 可按事先设定的时间进行自动开启及关闭, 如设定每日上午8:00到9:00运行和下午4:00到5:00运行;并能事先对开启及关闭时间间隔进行设定, 如育苗微喷灌为保证湿度, 设定开启10 s和关闭5 min连续运行, 满足用户要求。该技术成本低, 制造简单, 适用范围广, 使用方便, 可促进生产效率提高。
雨量型控制物理量是降雨量, 主要对灌水量进行控制, 常结合微喷灌和喷灌应用。传感器对灌溉降雨量进行采集, 达到设定值后关闭系统。
空气湿度型主要对空气温度予以控制, 确保环境适宜作物生长, 常联合微喷灌应用, 多用于大棚及温室中, 尤其是育苗灌溉, 控制较准确。针对空气湿度, 设定最小值和最大值, 并由传感器对空气湿度进行探测, 若达最大值, 则关闭系统;若达最小值, 则开启系统加湿, 使用方便简单, 但实际应用少。
综合型同时控制灌溉管理压力、土壤湿度、灌水时间、降雨量、空气湿度中的几种, 如控制空气湿度+时间, 空气湿度+时间+压力, 压力+时间等, 针对系统开启和关闭设定条件, 物理量满足条件时便能执行动作。
1.2按控制系统复杂程度分
包括多路控制型、简易型及中央计算机控制型。
多路控制型包括输出信号及多路输入, 可对多台设备予以控制, 适用于大面积灌溉。多路控制较微机控制操作缺乏方便及直观, 但能够满足基本控制需求且价格低, 实际应用有较好前景。
简易型适用于小面积灌溉, 空气湿度型1路信号采集, 1路或2路信号控制;时间型1路输出, 对一台设备进行控制, 如电磁阀、水泵等。
中央计算机控制型主机控制依靠中央计算机, 辅以编制软件, 操作控制较直观, 其子系统为多路控制型, 可按照需要进行无限扩展, 适用于大面积灌溉。微机软件进行数据输入, 显示各设备数据及状态, 并保存数据, 利于决策。将辐射、温度、风速、相对湿度等气象参数, 经电子气象站传输至中央计算机, 进行自动决策, 通知执行设备关闭或开启子系统[2]。此外, 还可控制单个部件。微喷灌及滴管灌水器内部的水流道尺寸小, 水中杂质多, 极易堵塞, 需选择配套过滤器, 同时过滤器本身易堵塞, 引起进出口压力差, 一旦压力差过大, 则通过水量达不到灌溉要求, 甚至引起过滤器爆裂, 故应定期清洗过滤器, 也可选择具有自动清洗功能的过滤器。
2自动控制技术应用现状及发展方向
2.1应用现状
国外电子技术发展快, 水平高, 节水灌溉有很长发展时间, 故自动控制技术更先进、更完善。有国家使用地下湿度传感器, 对土壤湿度进行探测;运用智能系统, 测得植物果、茎等直径变化, 分析作物灌溉量及灌溉计划。小型控制器多用在设施较多的场所, 一般可控制几路到十几路的电磁阀, 管理程序有多套, 可事先设定开始时间、间隔时间及结束时间, 智能化及自动化控制更为可靠、精密, 操作方便, 节省人力。
我国自引进节水灌溉后, 多为示范性应用并未大面积使用, 特别是自动控制技术使用方面较为缺乏。近几年节水灌溉及自动控制技术发展加快, 在自行研制方面取得一定成果, 从简易型控制到中央计算机控制, 均有实际应用。
2.2发展方向
未来自动控制技术方向多为专家化、智能化、网络化及系列化, 在小面积灌溉上, 如塑料大棚、家庭庭院及温室等, 推广智能化小型化控制系统, 使用更为方便。在大面积灌溉上, 需结合各种传感器, 并辅以农艺系统, 科学编制软件, 促进施肥及灌水精确控制, 并结合无线遥控, 实现在家中或办公室远程控制。发展同时监测气温、土壤储水量、土温、有效储水量、相对湿度、田间湿度、灌溉水pH值、气温、降水量、土壤pH值、蒸发量等参数的整套系统[3]。采用图表显示、打印输出及曲线显示等, 使计算及监测结果更加直观显示, 并经无线传输, 定量定时控制管道阀门及水泵, 对于故障进行报警及控制。采用数学模型, 根据每日湿度的监测数据, 预报灌溉时间, 并参考气象站阴天及降雨等数据, 对预报进行自动修改。
3结语
节水灌溉属于高标准先进技术, 对促进农业可持续高效发展有重要作用。节水灌溉中运用自动控制技术, 可更加准确、迅速的掌握作物情况, 如生长环境、生长情况、生长规律等, 对灌溉施肥进行及时精确控制, 促进自动化水平提高, 进而提升农业经济效益。
参考文献
[1]王文新.自动控制技术在园林节水灌溉中的应用[J].电子制作, 2013 (5) :67.
[2]金永奎, 方部玲, 夏春华.自动控制技术在节水灌溉中的应用[J].计算机与农业 (综合版) , 2003 (12) :18-20.