智能灌溉農(nóng)田灌溉控制系統(tǒng)

系統(tǒng)簡介

智能灌溉一種現(xiàn)代高效節(jié)水的灌溉方式，智能灌溉系統(tǒng)是集自動控制技術，傳感器技術、通訊技術、計算機技術等于一體的灌溉管理系統(tǒng)。隨著農(nóng)業(yè)及園林業(yè)的發(fā)展，水資源的不斷升值，傳統(tǒng)灌溉方式正在被現(xiàn)代智能型微機控制灌溉系統(tǒng)所取代并得以推廣，是有效解決灌溉節(jié)水問題的必要措施之一。

金斗云自主研發(fā)的智能灌溉系統(tǒng)是集傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、無線通信技術等多種新技術于一體的智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術密集型轉變奠定了重要的基礎。 系統(tǒng)既可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，也可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。據(jù)研究統(tǒng)計顯示，金斗云智能灌溉系統(tǒng)和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的成本差不多，卻可實現(xiàn)節(jié)水16%到30%。

智能灌溉系統(tǒng)-軟件設計 

軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實時數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)的設定值進行比較判斷，來控制電磁閥的開啟和延續(xù)時間的長短，實現(xiàn)智能控制。中央控制室的計算機系統(tǒng)使用了大型關系數(shù)據(jù)庫，能對各種數(shù)據(jù)進行分類存儲和自動備份，并能根據(jù)定制條件進行查詢。本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全自動、無人值守的數(shù)據(jù)處理，并預留WEB接口，遠程用戶可以通過瀏覽器查詢有關的灌溉信息。

本系統(tǒng)采用了圖形用戶界面，用戶操作簡單方便。實時或定時采集的田間土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度等數(shù)據(jù)，均可以實時地以圖形或者表格方式在中央控制計算機上顯示。用戶可以通過圖形界面設定每個地塊的灌溉策略，實現(xiàn)定時、定量的無人值守的自動灌溉。

智能灌溉系統(tǒng)-系統(tǒng)組成

智能灌溉電腦界面

手機APP頁面

控制流程圖

智能灌溉系統(tǒng)-優(yōu)點

與傳統(tǒng)灌溉方式相比，金斗云智能灌溉控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

1、微機控制噴灌和滴灌，大大節(jié)省日趨寶貴的水資源，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

2、根據(jù)植物對土壤水份的需求特點設定不同的灌溉方式，使植物按生長周期生長， 達到增產(chǎn)增收的目的。

3、自動灌溉，大大節(jié)省人力資源，提高勞動生產(chǎn)率。

智能灌溉系統(tǒng)-功能

為了節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)具備以下功能： 

1、數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉變成數(shù)字信號（A/D轉換）。 

2、控制功能：具有定時控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。 

①自動控制功能：可編程控制器通過程序將傳感器檢測的濕度信號與預先設定的標準濕度范圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設定濕度值，（低于設定值則調大電動機轉速，高于設定值則調小電動機轉速）則自動調節(jié)電動機轉速，進行灌溉操作。 

②定時控制功能：系統(tǒng)可對電磁閥設定開、關時間，當灌溉的濕度值達到設定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。 

③循環(huán)控制功能 ：用戶在可編程控制器內預先編好控制程序，分別設定起始時間、結束時間、灌溉時間、停止時間，系統(tǒng)按設定好的時間自動循環(huán)灌溉。 

3、變速功能:當前所測的土壤濕度值與預先設定的最適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分為大于、等于、小于三種結果，即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態(tài)。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個狀態(tài)自動調節(jié)電動機的轉速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉速度，分別對應高速，中速，低速三個指示燈。 

4、自動轉停功能：控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌，控制電動機以所需的轉速轉動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉。 

5、電動機過載保護功能：當電動機過載時，電動機立即停止轉動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復運轉。 

6、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關程序的功能。 

7、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預先編制的程序依次打開各控制設備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設備的使用壽命。 

8、急停功能：當出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉，閥門關閉，噴頭停止灌溉。 

9、故障自動檢測功能：當灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。

智能灌溉系統(tǒng)-方案與設計 

每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度范圍之內。經(jīng)資料查證適宜草坪生長的濕度是50%—60%RH。此信號與50%—60%RH比較，可以分為：大于，等于，小于三種情況。系統(tǒng)按可編程控制器內預先編好的程序自動按一定的灌水量進行灌溉。實現(xiàn)不需要人的直接參與，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)灌溉，人的作用只是調整控制程序和檢修控制設備。 

可編程控制器、傳感器、變頻器是實現(xiàn)智能灌溉不可缺少的設備。但要想使整個草坪都得到相同的水量，對草坪實現(xiàn)均勻而智能的灌溉，必須要設計一套完整的系統(tǒng)。一套完整的金斗云智能灌溉系統(tǒng)由水源、電源、可編程控制器、開關量、模擬量輸入、現(xiàn)場儀表，顯示面板等組成。 

1、水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區(qū)的遠近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。 

2、電源模塊：穩(wěn)定可靠的電源供應是整個系統(tǒng)安全、可靠運行的重要前提，要求電源模塊穩(wěn)定、可靠，留有一定的功率余量。 

3、可編程控制器主控模塊：負責發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分，要求具有高可靠性和穩(wěn)定性，通信方式靈活，具有可擴展的功能。 

4、開關量、模擬量輸入、輸出模塊：該部分是可編程控制器裝置正確接收信息和發(fā)出指令的關鍵設備，要求有高可靠性、穩(wěn)定性，能實現(xiàn)某些電、磁的隔離功能。 

5、現(xiàn)場儀表：可編程控制器系統(tǒng)通過接收現(xiàn)場儀表設備發(fā)出的信號判斷被控設備的運行狀況，以及是否符合設備運行的環(huán)境條件，因此要求現(xiàn)場儀表設備具有高可靠性、穩(wěn)定性和精確性。 

6、顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于控制和維修。 

7、其他輔助設備：輔助設備如冷卻風扇、UPS不間斷電源等是完善整個系統(tǒng)所必須的，對提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命有很大的幫助。

前景展望

金斗云智能灌溉系統(tǒng)的研發(fā)與應用，在實現(xiàn)節(jié)約灌溉、智能灌溉、高效灌溉的同時，不僅可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。

智能灌溉系統(tǒng)

全系列智能灌溉系統(tǒng)基礎設施主要有4大模塊，能精確感知土壤、氣象、水分，植物等生態(tài)要素，變不可見為可見。

1.系統(tǒng)四大模塊:

a、信息自動采集。通過無線傳感器(士壤溫度、濕度、鹽分EC值、酸堿度PH值)、氣象站、雨量傳感器，自動采集作物士壤及生存環(huán)境信息，并通過無線通訊傳輸至遠程控制終端，由終端上傳至云中心，通過手機APP、電腦客戶端用戶即可遠程查看。

b、無線智能控制。通過手機APP、電腦客戶端遠程、實時下達控制指令，無需現(xiàn)場作業(yè)。

c、信息反饋。在控制指令下達后通過手機APP、網(wǎng)絡智能球形攝像機等設備即可遠程、實時查看現(xiàn)場作業(yè)情況。

d、智能水肥一體化。 通過將金斗云科技自主研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)模塊接入水肥一體機，即可將水肥一體機納入物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水肥體機的遠程無線控制。操作簡單方便，在降低人工和水電成本的同時，達到增產(chǎn)增收的目的。

2. 組網(wǎng)方式

1、 系統(tǒng)采用雙網(wǎng)架構，即互聯(lián)網(wǎng)（Internet）云服務與LORA局域網(wǎng)結合方式，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制LORA無線網(wǎng)關，LORA無線網(wǎng)關在與現(xiàn)場的LOAR設備交互通信，從而實現(xiàn)了智能灌溉系統(tǒng)。

2、 互聯(lián)網(wǎng)（Internet）云服務：由用戶操作端（手機端、PC端）、云服務器和LORA網(wǎng)關組成。之間的通信方式4G/GPRS/以太網(wǎng)。

3、 LORA局域網(wǎng)：由LORA網(wǎng)關、lora解碼器和lora傳感器組成，之間的通信方式lora無線通信。

四、核心技術產(chǎn)品介紹

1. 控制系統(tǒng)通信方式

無線通信、數(shù)據(jù)采集、遠程控制

配合優(yōu)化的灌溉控制協(xié)議，做到低功耗的無線覆蓋。

1、供電電壓：85-265V/AC(110V-370V/DC)，24DC輸入二選一

2、LoRa局域網(wǎng)

LoRa模塊通訊頻率：433MHz

LoRa收發(fā)模塊間距:≤1500M

Lora點數(shù)：30個

3、Internet通信接口：以太網(wǎng)口/4G/GPRS三選一，與云服務器鏈接

4、輸出：6路無源常開輸出（觸點容量：DC30V/5A;AC250V/10A），2路24V輸出(200mA)

5、輸入：6路4-20mA模擬量，4路干接點輸入

6、通訊接口：2路RS485用于采集其他具有RS485通信接口的設備通訊速率:1200/2400/4800/9600bps

組網(wǎng)方式

a. LoRa無線網(wǎng)關

★  閥門與智能網(wǎng)關之間采用LoRa的組網(wǎng)范圍：2-8KM；

★ 節(jié)點數(shù)量：13250個；

★ 無線局域網(wǎng)組網(wǎng)方式：每個節(jié)點通過地址碼區(qū)分，以智能網(wǎng)關為核心組建無線局域網(wǎng)；

★ 無線廣域網(wǎng)組網(wǎng)方式：由智能網(wǎng)關以NB/4G的方式與云端服務器通訊；手機端和PC端均通過云端服務器與網(wǎng)關及前端電動閥門通訊并控制；

★ 智能網(wǎng)關與氣象站及其它傳感器之間：MODBUS總線；

b、有線控制串行結構。

有線控制串行這樣的拓卜結構保證了系統(tǒng)的成本降低，組網(wǎng)靈活，特別是擴展成本降低，便于維護。

上行數(shù)據(jù)包括：土壤溫度、濕度；電磁閥及各控制器的工作狀態(tài)等信息。

下行數(shù)據(jù)是指中央計算機向各控制單元發(fā)出的各種控制指令，包括電磁閥的開關指令；各工作單元的狀態(tài)查詢指令以及對各控制單元的參數(shù)預設等。由于采用了先進的無線數(shù)字網(wǎng)絡，因此本系統(tǒng)能夠快速地任意規(guī)模地構建而且不受時間、空間和其它條件的限制。無線系統(tǒng)自動組網(wǎng)。主要兩點之間有通電的網(wǎng)內節(jié)點，就可以自動組網(wǎng)。

2. LORA解碼器

(1). JDYHF-B707無線解碼器（鋰原電池），接收lora網(wǎng)關開關命令，用來控制沖電磁閥。

通信方式：lora無線通信

通信距離：1500m

供電方式：一次性高性能鋰原電池

使用壽命：開關1500次

防水等級：IP66

(2)、JDYKJ-B707無線解碼器（太陽能電池）接收lora網(wǎng)關開關命令，用來控制脈沖電磁閥。

通信方式：lora無線通信

通信距離：1500m

供電方式：太陽能可充電電池

使用壽命：10年

防水等級：IP66

3. 無線閥門控制箱

a)    無線通訊方式：威圖雙層防水機箱，內置天線，LORA無線通訊；

b)    電源電壓：AC220V/50Hz（單相）

c)    AC380V/50Hz（三相四線），DC24V；

d)    環(huán)境濕度：-10+40℃相對濕度：≤80%（20℃±5℃）

e)    周圍不含有強腐蝕性、易燃易爆介質

f)    外形300*250*150

g)    開、關向工作過程閃光提示。