自動(dòng)化智能滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案陜西頤信網(wǎng)絡(luò)科技有限責(zé)任公司西安天匯遠(yuǎn)通水利信息技術(shù)有限責(zé)任公司目 錄一. 系統(tǒng)概述- 3 -二. 系統(tǒng)組成- 4 -三. 通信網(wǎng)絡(luò)- 5 -四. 功能設(shè)計(jì)- 6 -4.1. 監(jiān)測中心級設(shè)計(jì)- 6 -4.2. 首部控制級設(shè)計(jì)- 6 -4.3.1. 設(shè)計(jì)原則- 7 -4.3.2. 主要功能- 8 -4.3.3. 硬件設(shè)計(jì)- 8 -4.3.4. 軟件設(shè)計(jì)- 10 -4.3. 田間控制級設(shè)計(jì)- 13 -4.3.1. 田間控制器主要功能- 14 -4.3.2. 田間控制器性能指標(biāo)- 14 -4.3.3. 田間路由器節(jié)點(diǎn)主要功能- 15 -4.3.4. 田間路由器節(jié)點(diǎn)性能參

2、數(shù)- 15 -4.3.5. 供電方式- 15 -五. 系統(tǒng)特性- 16 -六. 設(shè)計(jì)研究意義- 16 -1. 系統(tǒng)概述全球用于灌溉土地的水幾乎占人類可獲得水量的大半，由于灌溉設(shè)施和方法落后，其中大部分被浪費(fèi)掉了。相對于發(fā)達(dá)國家我國灌溉用水浪費(fèi)更為嚴(yán)重，用水效率還非常低下，不及發(fā)達(dá)國家的一半。上世紀(jì)50年代，我國便開始引進(jìn)并推行節(jié)水灌溉技術(shù)，到現(xiàn)在滴灌、噴灌、低壓管道輸水灌溉等節(jié)水技術(shù)已經(jīng)在全國多個(gè)地方得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。然而當(dāng)前大多數(shù)滴灌工程還停留在由人工現(xiàn)場開關(guān)閥門來控制灌溉的水平，難于實(shí)現(xiàn)精確控制，更為關(guān)鍵的是極大地制約了節(jié)灌的潛力，影響了滴灌效益的發(fā)揮。因此，想要真正提高滴灌系

3、統(tǒng)運(yùn)行的水平，保證農(nóng)作物有效增產(chǎn)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，就必須采用現(xiàn)代科技手段，提高滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)化管理程度，發(fā)展田間自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)。圖1-1 自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)模型2. 系統(tǒng)組成自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)由灌溉監(jiān)測中心站、首部控制器、田間控制器等組成：監(jiān)測中心站：監(jiān)測中心站總攬整個(gè)系統(tǒng)的全局運(yùn)行情況，對田間各個(gè)首部控制器的運(yùn)行狀態(tài)、田間控制器的運(yùn)行狀態(tài)、田間要素信息能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，同時(shí)可遠(yuǎn)程指揮首部控制器對其泵房電機(jī)進(jìn)行啟?？刂萍八须`屬于該首部控制器管轄范圍內(nèi)的田間電磁閥進(jìn)行開閉控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化灌溉以及輪灌計(jì)劃執(zhí)行。首部控制器：首部控制器是具有ZigBee無線短傳及GPRS遠(yuǎn)

4、傳功能的中間控制器，主要負(fù)責(zé)泵房電機(jī)的啟閉控制、取用水量的監(jiān)測、主樞紐管道的壓力監(jiān)測等，通過ZigBee無線自組網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域內(nèi)田間控制器進(jìn)行交互，向田間控制器下發(fā)電磁閥控制命令或索取電磁閥當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息；同時(shí)首部控制器還需通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，并按照預(yù)先配置好的上傳機(jī)制向監(jiān)測中心站上傳本區(qū)域內(nèi)所有田間控制器的工作狀態(tài)；田間控制器：田間控制器是程網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布在農(nóng)田區(qū)域內(nèi)，開機(jī)后與首部控制器自動(dòng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。田間控制器直接與電磁閥門、電磁閥狀態(tài)反饋器及田間要素監(jiān)測傳感器相連，通過解析來自首部控制器發(fā)送的指令來控制電磁閥的開關(guān)，同時(shí)上傳監(jiān)測農(nóng)田區(qū)域內(nèi)降雨、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、土

5、壤PH等影響農(nóng)作物生長的自然要素信息至首部控制器。圖2-1 自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3. 通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信分為首部控制器與監(jiān)測中心站間的通信以及田間控制器與首部控制器間的通信，其中首部控制器與監(jiān)測中心距離較遠(yuǎn)數(shù)據(jù)傳輸量大故選用GPRS網(wǎng)絡(luò)通信；而田間控制器與首部控制器間的距離適中數(shù)據(jù)通信量小，故選用ZigBee自組網(wǎng)通信，同時(shí)ZigBee無線通信具備低功耗、無通信費(fèi)用、投資較低、可適應(yīng)各種野外環(huán)境等優(yōu)勢。圖3-1 自動(dòng)化智能滴灌控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D4. 功能設(shè)計(jì)4.1. 監(jiān)測中心級設(shè)計(jì)4.2. 首部控制級設(shè)計(jì)在首部控制級布設(shè)首部控制器，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

6、與田間控制器連接，實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)所有電磁閥的控制與監(jiān)控，同時(shí)首部控制器通過GPRS移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)測中心進(jìn)行數(shù)據(jù)同步與信息上傳。首部控制器在軟件功能設(shè)計(jì)上應(yīng)具備農(nóng)戶信息管理模塊、操作權(quán)限管理模塊、自動(dòng)輪灌計(jì)劃管理模塊、田間控制器管理模塊、用水量實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、終端故障報(bào)警模塊等功能模塊，當(dāng)首部控制器接收到來自田間控制器上報(bào)非計(jì)劃用水報(bào)警信息后應(yīng)立即向監(jiān)測中心發(fā)出報(bào)警信息通知管理員進(jìn)行人工干預(yù)，以更好的協(xié)調(diào)監(jiān)測中心對整個(gè)灌區(qū)進(jìn)行合理化的灌溉調(diào)度。圖4-1 首部控制器功能示意圖4.3. 設(shè)計(jì)原則首部控制器應(yīng)同時(shí)具備GPRS移動(dòng)通信功能和ZigBee自組網(wǎng)通信功能，由于所有田間控制器和監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)交換

7、都要通過首部控制器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，這就要求首部控制器必須具備高可靠、高速率以及極佳的穩(wěn)定性。同時(shí)首部控制器應(yīng)提供繼電器回路控制方式或通過數(shù)字通信接口與泵房電機(jī)控制系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對泵房電機(jī)進(jìn)行啟閉控制。此外首部控制器還應(yīng)提供人機(jī)交互接口，操作方便靈活，易于農(nóng)戶使用。4.3. 主要功能v 控制泵房電機(jī)的啟閉v 監(jiān)測單井出水量v 監(jiān)測主樞紐管道壓力v 具備用戶權(quán)限管理功能v 具備田間控制器與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能v 具備與監(jiān)測中心實(shí)時(shí)同步輪灌計(jì)劃功能v 具備IC卡刷卡添加輪灌計(jì)劃的功能v 具備非計(jì)劃用水報(bào)警功能v 具備終端異常報(bào)警功能v 具備運(yùn)行日志導(dǎo)出及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能4.3. 硬件設(shè)計(jì)4.2.3.1. 首

8、部控制器性能參數(shù)序號項(xiàng)目性能指標(biāo)備注1顯示器尺寸7寸帶觸摸2CPUSAMSUNG S3C2440-403內(nèi)存64MB SDRAM4存儲空間128MB NAND Flash5外擴(kuò)存儲U盤/SDCard6通信接口2路RS232、1路RS485、1USB-HOST、1USB-DEVICE7操作系統(tǒng)WINCE5.08供電12VDC，130mA380mA圖4-2 首部控制器主機(jī)示意圖4.2.3.2. GPRS模塊性能參數(shù)序號項(xiàng)目性能指標(biāo)備注1工作頻段EGSM900/GSM1800MHz2通信接口RS2323供電524VDC圖4-3 首部控制器GPRS模塊示意圖4.2.3.3. ZigBee無線通信模塊性

9、能參數(shù)序號項(xiàng)目性能指標(biāo)備注1通信頻段2405.02480.0MHz2發(fā)射功率>6dbm1.5V3接收靈敏度>-97dbm1.5V4功耗TxMax<200mA,RxMax<220mA5通信距離1.5Km6丟包率<2%圖4-4 首部控制器ZigBee無線通信模塊示意圖4.3. 軟件設(shè)計(jì)首部控制器在軟件功能設(shè)計(jì)上應(yīng)具備農(nóng)戶信息管理模塊、操作權(quán)限管理模塊、自動(dòng)輪灌計(jì)劃管理模塊、田間控制器管理模塊、用水量實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、終端故障報(bào)警模塊等功能模塊:4.2.4.1. 農(nóng)戶信息管理模塊農(nóng)戶信息管理模塊應(yīng)包含對農(nóng)戶的名稱、家庭住址、耕地面積、灌區(qū)農(nóng)田編號、農(nóng)戶土地關(guān)系等資料的收集存

10、儲，并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能等：² 添加農(nóng)戶信息² 修改農(nóng)戶信息² 注銷農(nóng)戶信息² 批量導(dǎo)入導(dǎo)出農(nóng)戶信息4.2.4.2. 操作權(quán)限管理模塊操作權(quán)限管理模塊是一個(gè)比較復(fù)雜的事情，但對系統(tǒng)運(yùn)行的安全性有著很大的幫助。為了更加便于農(nóng)戶操作，操作權(quán)限的識別可通過非接觸式IC射頻卡或用戶名密碼的驗(yàn)證方式獲得首部控制器的操作權(quán)限。對于農(nóng)戶權(quán)限的分配可通過監(jiān)測中心遠(yuǎn)程控制。對于權(quán)限的分配采用分級制度，一般農(nóng)戶僅僅具備農(nóng)戶名下農(nóng)田操作的權(quán)限；灌區(qū)管理員具備所管轄灌區(qū)所有農(nóng)田的操作權(quán)限，并具備農(nóng)戶信息管理操作權(quán)限；監(jiān)測中心管理員則具備最高的管理權(quán)限，同時(shí)管理農(nóng)戶和灌區(qū)管理員

11、的一切權(quán)限操作。圖4-5 操作權(quán)限管理模塊示意圖4.2.4.3. 自動(dòng)輪灌計(jì)劃管理模塊自動(dòng)輪灌計(jì)劃管理模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)農(nóng)戶或灌區(qū)管理員設(shè)定的輪灌計(jì)劃以及監(jiān)測中心下發(fā)的灌溉計(jì)劃逐一的進(jìn)行輪灌計(jì)劃中的任務(wù)，對田間控制器進(jìn)行命令操作電磁閥。其操作流程如下：圖4-6 自動(dòng)灌溉計(jì)劃管理模塊示意圖自動(dòng)輪灌計(jì)劃管理模塊主要功能：l 配置輪灌計(jì)劃：支持輪灌計(jì)劃增加移除功能，可對輪灌計(jì)劃進(jìn)行分組管理；l 執(zhí)行輪灌計(jì)劃：按照用戶或灌區(qū)管理員配置的輪灌計(jì)劃對田間控制器進(jìn)行命令操作；l 輪灌計(jì)劃記錄：查看輪灌計(jì)劃的執(zhí)行進(jìn)度及統(tǒng)計(jì)輪灌計(jì)劃執(zhí)行日志；4.2.4.4. 田間控制器管理模塊田間控制器管理模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的監(jiān)測田間

12、控制器的運(yùn)行狀態(tài)，如監(jiān)測電磁閥的工作狀態(tài)，支管壓力、田間要素信息采集，主要功能如下：l 電磁閥狀態(tài)監(jiān)控；l 支管壓力監(jiān)測；l 田間控制器狀態(tài)信息監(jiān)控；l 田間要素信息采集；l 田間控制器異常報(bào)警監(jiān)測；4.2.4.5. 用水量實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊用水量實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)單井出水量的監(jiān)測，當(dāng)單井出水量超過預(yù)設(shè)的限定閾值時(shí)，向中心站上傳水量開采超限信息，由監(jiān)測中心來決策是否繼續(xù)開采。4.2.4.6. 終端故障報(bào)警模塊終端故障報(bào)警模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控首部控制器的運(yùn)行狀態(tài)的檢測，當(dāng)檢測到首部控制器出現(xiàn)運(yùn)行配置異常或電源電壓達(dá)到電壓下限是向監(jiān)測中心上傳故障信息并進(jìn)行本地事件記錄。4.3. 田間控制級設(shè)計(jì)田間控制級包

13、括無線田間路由器以及分布在田間的無線控制終端。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的信息、數(shù)據(jù)上傳到路由器節(jié)點(diǎn)。首部控制點(diǎn)作為路由器節(jié)點(diǎn)，大部分田間控制器作為終端節(jié)點(diǎn)，少數(shù)作為其它的路由器節(jié)點(diǎn)。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖4-7 田間控制級結(jié)構(gòu)示意圖4.3. 田間控制器主要功能l 控制連接到本閥門控制器的電磁閥。l 向所屬的路由節(jié)點(diǎn)反饋本閥門控制器的狀態(tài)信息，如信號強(qiáng)度、電池電量、節(jié)點(diǎn)路由信息等。l 檢測電磁閥的開關(guān)狀況。l 檢測連接到本閥門控制器的多種外圍設(shè)備，如水壓、墑情、溫度、光照強(qiáng)度等傳感器。l 接收自己所屬遠(yuǎn)程控制終端發(fā)來的開閥、關(guān)閥命令，進(jìn)行開閥、關(guān)閥操作。l 接收自己連接的電磁閥反饋的開關(guān)

14、狀態(tài)信息，如有違規(guī)手動(dòng)開閥則向遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送警報(bào)信息，并上報(bào)首部控制點(diǎn)。4.3. 田間控制器性能指標(biāo)l 系統(tǒng)功耗：最大發(fā)射電流<60mA，最大接收電流<66mA，待機(jī)電流<20mA，休眠電流<100uA。l 每個(gè)無線閥門控制器可控制多個(gè)電磁閥。l 電磁閥狀態(tài)反饋：有。l 閥門控制器自身電量反饋：有。l 系統(tǒng)控制可靠性>99.99%4.3. 田間路由器節(jié)點(diǎn)主要功能l 向所屬的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，接收所屬終端節(jié)點(diǎn)的反饋數(shù)據(jù)。l 向所屬的首部控制點(diǎn)發(fā)送反饋信息，接收首部控制點(diǎn)的控制命令。4.3. 田間路由器節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)l 系統(tǒng)功耗：最大發(fā)射電流<200mA，最

15、大接收電流<220mA。l 通信距離：1.5km至2.0km。l 控制時(shí)延<10sl 系統(tǒng)控制可靠性>99.99%4.3. 供電方式田間滴灌控制系統(tǒng)工作于野外，應(yīng)該避免采用電纜供電，而應(yīng)該采用電池供電。因此系統(tǒng)的供電方式和休眠方案需精心設(shè)計(jì)以滿足功耗的要求。田間的路由器節(jié)點(diǎn)由太陽能電池供電并且也不能進(jìn)入休眠模式，它將負(fù)責(zé)保存控制中心發(fā)送給其子節(jié)點(diǎn)的命令，當(dāng)其子節(jié)點(diǎn)喚醒后把命令轉(zhuǎn)發(fā)給它們。終端節(jié)點(diǎn)由原電池供電。在沒有需要自身處理的命令時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，由定時(shí)器喚醒，并主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，詢問是否有屬于自己的命令，有則執(zhí)行無則再次進(jìn)入休眠模式節(jié)省電量。為保證系統(tǒng)控制

16、延時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，將休眠時(shí)長設(shè)置為2至10秒，并且不計(jì)算電磁閥開關(guān)以及水壓采集所需要的時(shí)間（因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)在一天內(nèi)只執(zhí)行幾次這樣的命令），保證工作與休眠時(shí)間之比大于1：10，便能夠使用干電池讓終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作數(shù)月之久。5. 系統(tǒng)特性具備可視化滴灌系統(tǒng)操縱界面，提供人機(jī)交互接口，方便農(nóng)戶操作；采用ZigBee無線自組網(wǎng)解決方案，極大的減少系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信費(fèi)用；具備權(quán)限操作管理模式，能夠根據(jù)不同權(quán)限適配不同等級的操作；采用工業(yè)級產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所有電路元器件可長期穩(wěn)定的適應(yīng)野外環(huán)境工作；首部控制器采用工業(yè)級winCE工控機(jī)進(jìn)行平臺軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，高效穩(wěn)定；田間控制器采用低功耗設(shè)計(jì)方案，可采用干電池保證連續(xù)無間斷工作10個(gè)月以上；系統(tǒng)各級均具備運(yùn)行日志記錄功能，對系統(tǒng)的后期