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(zhuǎn)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?qū)崿F(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(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)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?qū)鞲衅鳈z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(diào)大電動機轉(zhuǎn)速，高于設定值則調(diào)小電動機轉(zhuǎn)速）則自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)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(nèi)預先編好控制程序，分別設定起始時間、結(jié)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(jié)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(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉(zhuǎn)速度，分別對應高速，中速，低速三個指示燈。 

4、自動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉(zhuǎn)。 

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(zhuǎn)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(zhuǎn)。 

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(nèi)，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(diào)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(zhuǎn)，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(nèi)。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(nèi)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(diào)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(gòu)，即互聯(lián)網(wǎng)（Internet）云服務與LORA局域網(wǎng)結(jié)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(jié)構(gòu)。

有線控制串行這樣的拓卜結(jié)構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(nèi)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(zhì)

f)    外形300*250*150

g)    開、關向工作過程閃光提示。