基于智能控制的農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)解決方案

1、基于智能控制的農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)解決方案前言我國是一個水資源嚴重缺乏，水旱災(zāi)害頻繁的國家。雖然水資源的總量居世界第6 位，但是按人均水資源量計算，人均占有量只有 2500 立方米，約為世界人均水量的 1/4，在世界排 110 位，已被聯(lián)合國列為 13 個貧水國家之一。另一方面，我國水資源的分布很不平衡。北方有些地區(qū)水資源的占有量僅為 900 立方米，低于國際公認的 1000 立方米的水資源下限。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國家埃及和以色列的水平。我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80% 左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國范圍而言，水的利用率僅為 45 % ，而水資源利用率高的

2、國家已達 70% 一 80% ，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，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。灌溉系統(tǒng)自動化的水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預(yù)報，實際動態(tài)管理。采用傳感器來監(jiān)測土壤的墑情和農(nóng)作物的生長，實現(xiàn)水管理的自動化。高效農(nóng)業(yè)和精細農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現(xiàn)水資源的高效，僅憑單項節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的。必須將水源開發(fā)、輸配

3、水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實現(xiàn)按期、按需、按量自動供水。1、自動化控制灌溉系統(tǒng)的工作原理托普物聯(lián)網(wǎng)指出所謂的自動化控制灌溉即利用田間布設(shè)的相關(guān)設(shè)備采集或監(jiān)測土壤信息、 田間信息和作物生長信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到首部控制中心，在相應(yīng)系統(tǒng)軟件分析決策下，對終端發(fā)出相應(yīng)灌溉管理指令。托普物聯(lián)網(wǎng)研制的農(nóng)業(yè)灌溉自動化控制系統(tǒng)的工作原理為:通過土壤、氣象、作物等類傳感器及監(jiān)測設(shè)備將土壤、作物、氣象狀況等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過墑情信息采集站，傳到計算機中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)中的各類軟件將匯集的數(shù)值進行分析， 比如將含水量與灌溉飽和點和

4、補償點比較后確定是否應(yīng)該灌溉或停止灌水， 然后將開啟或關(guān)閉閥門的信號通過中央控制系統(tǒng)傳輸?shù)介y門控制系統(tǒng)， 再由閥門控制系統(tǒng)實施某輪灌區(qū)的閥門開啟或關(guān)閉， 以此來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化控制。與國際水平相比， 我國的農(nóng)業(yè)傳感器生產(chǎn)水平相對落后， 而土壤水分傳感器生產(chǎn)水平已達到了國際同類水平。2、自動化控制系統(tǒng)設(shè)備的組成自動化控制系統(tǒng)的設(shè)備主要有中央控制器、田間工作站、RTU(遠程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)、電磁閥及田間信息采集或監(jiān)測設(shè)備 5 個部分組成。中央控制器中央控制器(主站):主要有微機等設(shè)備及控制系統(tǒng)軟件組成。微機設(shè)備與目前辦公設(shè)備類似，由電源控制箱、主控計算機、中央控制器和激光打印機

5、等設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)軟件是安裝于微機設(shè)備上的， 其內(nèi)容有信息采集與處理模塊、 信息數(shù)據(jù)顯示模塊、信息記錄與報警模塊、閥門狀態(tài)監(jiān)控模塊和首部控制模塊等組成?，F(xiàn)有自動化監(jiān)測、 控制系統(tǒng)除了具有預(yù)測預(yù)報等功能外， 還在計算機上實現(xiàn)如下功能:過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、報警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理和過程控制等。并實現(xiàn)實時過程智能決策，達到完全自動控制。田間工作站(中繼站)田間工作站的設(shè)計根據(jù)地形及設(shè)備信號接收的限制來確定布設(shè)位置及個數(shù)。在實際操作中若地形平坦，無遮擋物，信號傳輸效果好。則相應(yīng)一個田間工作站可控制面積較大，反之，則田間工作站布設(shè)較多。田間工作站是中央控制器與 RTU 或解碼器及田

6、間信息采集監(jiān)測設(shè)備的中轉(zhuǎn)站。采集的信息需要通過中間站輸送到中央控制器， 而中央控制器發(fā)送的指令則需通過田間工作站傳達到各個 RTU 或解碼器。RTU(遠程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)RTU(遠程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)是接收由田間工作站傳來的指令并實施指令的下端。解碼器(閥門控制器)直接與管網(wǎng)布置的電磁閥相連接，接收到田間工作站的指令后對電磁閥的開閉進行控制，同時也能夠采集田間信息，并上傳信息至田間工作站。一個閥門控制器可控制多個電磁閥。電磁閥電磁閥是控制田間灌溉的閥門。電磁閥由田間節(jié)水灌溉設(shè)計輪灌組的劃分來確定安裝位置及個數(shù)。墑情信息采集站及田間信息采集、監(jiān)測設(shè)備田間信息

7、采集及監(jiān)測設(shè)備是自動化控制系統(tǒng)的最根本。田間信息采集主要依賴于傳感設(shè)備。 傳感設(shè)備就是能夠感受規(guī)定的被測量物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可能輸出信號的器件或裝置。自動化灌溉可能設(shè)計的傳感器主要分為:土壤類、 作物類、 氣象類及系統(tǒng)類傳感器。 主要測量土壤水分、 養(yǎng)分、 溫度、 作物水分、養(yǎng)分、長勢、氣象類的光照、蒸發(fā)、風速、雨量及系統(tǒng)類的水壓、閥門狀態(tài)、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)資料。 經(jīng)由墑情信息采集站將信息傳輸至中央控制器， 通過中央控制器安裝的各類自動化監(jiān)測軟件系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)分析， 再以數(shù)值和曲線形式顯示歷史與實的時參數(shù)值和變化曲線，并進行信息實時報警與記錄。3、自動化控制系統(tǒng)子系統(tǒng)的配置自動化控制系統(tǒng)

8、可根據(jù)用戶不同層次的實際需求， 由灌溉自動控制子系統(tǒng)、 農(nóng)田墑情監(jiān)測子系統(tǒng)、作物生長圖像采集子系統(tǒng)、水肥智能決策子系統(tǒng)、作物網(wǎng)絡(luò)化管理平臺等多個子系統(tǒng)配置，能為用戶提供多種管理選擇方式。依據(jù)工程基礎(chǔ)條件、管理水平、項目投資等因素來確定項目子系統(tǒng)類型的配置及灌溉方式的選擇。4、自動化控制系統(tǒng)的灌溉方式選取根據(jù)現(xiàn)在節(jié)水灌溉模式及管理水平目前已實現(xiàn)的控制灌溉方式主要分為 3類，在實際操作中可根據(jù)具體情況選取適合自己的控制灌溉方式:自動化控制灌溉方式由于實際情況中存在墑情采集及分析水平不足的因素， 在現(xiàn)狀自動化控制中主要還是依據(jù)節(jié)水工程設(shè)計中規(guī)定的耗水定額、 灌溉時間及作物的需肥等數(shù)據(jù)來作為自動化控制

9、發(fā)出命令的依據(jù)。根據(jù)節(jié)水設(shè)計可進行閥門編組輪灌，可供選擇的輪灌方式有:灌水時間設(shè)定輪灌:根據(jù)設(shè)定時間編組輪灌;灌溉量設(shè)定輪灌:根據(jù)墑情及土壤的監(jiān)測結(jié)果預(yù)設(shè)灌溉制度進行輪灌并施加肥料;隨機設(shè)定輪灌:根據(jù)實際需要進行任意閥門編組輪灌，包括補灌。人工參與控制灌溉方式系統(tǒng)以土壤濕度臨界值主參數(shù)(可包括氣象信息、作物視頻診斷等)進行人工參與智能化控制灌溉;用戶也可根據(jù)墑情監(jiān)測結(jié)果，通過 G 網(wǎng)用手機隨時進行智能化控制。手動控制灌溉方式在系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況下，可人工手動進行電磁閥開啟。以保證連續(xù)灌溉不會中斷，不誤農(nóng)時。5、自動灌溉監(jiān)控優(yōu)點： 將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益。 通過自動控制技

10、術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量。 將使灌溉更加科學，方便、提高管理水平。 研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)

11、養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠程控制異地園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風機，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作