淺談自動化控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用

淺談自動化控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用

中國是一個水資源匱乏、經(jīng)常發(fā)生水旱災害的國家。水資源總量在世界上為第六，人均占水面的25.4%，世界人均水量的1.4%，排在世界前。被聯(lián)合國列為13個貧困國家之一。與此同時，中國的資源分布非常不均勻。在北方，一些地區(qū)人均占水面的9003%低于國際公認的10003%。在一些地區(qū)，人均占有量低于世界上最貧水的國家之一埃及和以色列的水平。中國的農(nóng)業(yè)供水占總供水總量的80%，而農(nóng)業(yè)灌溉供水利用率普遍較低。在全國范圍內(nèi)，水利用率僅為45%，高水資源利用率為70%80%。因此，建立灌溉水自動控制和提高灌溉水利用率對緩解水資源短缺非常重要。1灌溉系統(tǒng)的線性控制有線控制就是通過線路將控制信息傳輸出去,同時也可將各種信息返回到控制中心.下面以沙地節(jié)水滲灌自動控制系統(tǒng)為例闡述有線控制的原理.1.1設置滲無檢測設施此控制系統(tǒng)主要有:(a)土壤水份監(jiān)測儀;(b)滲壇水位指示器;(c)灌溉自動控制儀;(d)灌水閥門;(e)灌水指示燈.各部分連接如圖1所示.1.2控制儀.設計a.土壤水份自動監(jiān)測儀.通過接收土壤水份感應器(感應探頭)感測土壤水份信息,并予以處理、記錄和存儲.同時,將處理后的土壤水份信息傳輸給灌溉自動控制儀.b.滲壇水位指示器.感測滲壇中儲水水位是否達到上限臨界點(若達到上限臨界點,表示滲壇水已注滿),并將滲壇中的儲水信息傳輸給灌溉自動控制儀.c.灌溉自動控制儀.接收土壤水份監(jiān)測儀提供的土壤儲水信息、滲壇水位指示器提供的滲壇儲水信息和植物需水信息,予以處理,并將處理后的供水信息傳輸給灌水閥門,控制灌水閥門的開啟和關閉,同時開啟和關閉供水信息指示燈.各種信息是這樣處理的:土壤儲水信息Ai=1,0(1表示土壤儲水不足,0表示儲水充足);滲壇儲水信息Bi=1,0(1表示滲壇儲水不足,0表示儲水充足);植物需水信息Ci=1,0(1表示植物水份供應不足,0表示水份供應充足);供水信息Gi=Ai×Bi×Ci=1,0(1表示開始供水,0表示停止供水).通過線路傳輸控制信息,能夠保證信息準確可靠地傳送,其自動化的程度也是比較高的.但由于農(nóng)業(yè)灌溉的特殊性,有線控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用有一定的局限性,尤其是長距離的架設線路,需要很大的投資,因而長距離的有線控制在農(nóng)業(yè)灌溉中很難實施.有線控制一般適宜在小范圍的區(qū)域中應用.采取無線遙控可以省去線路的架設,因而在農(nóng)業(yè)灌溉中有著廣泛的應用前景.2灌溉系統(tǒng)的無線控制2.1農(nóng)田灌溉系統(tǒng)方案設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過設在中心站的無線發(fā)射機和各子站點的接收機來完成.由于傳輸系統(tǒng)為單向無線傳輸方式,其子站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)街醒肟刂剖?需要人工干預,因此,其自動化程度較低.但目前我國灌區(qū)由于受管理水平和管理條件所限,采用此種方式再加上管理人員的巡視,還是可行的.尤其是這種通信方式既操作簡單、易于管理又十分經(jīng)濟.因為農(nóng)業(yè)耕種的需要和其它客觀條件的限制,我國有許多地區(qū)無法將電力線路架到灌溉區(qū)域.針對這樣的情況,筆者設計了一種方案,通過控制輸水管道中閥門的開啟和關閉來達到對農(nóng)田灌溉的控制.在子站只需要2節(jié)干電池便能提供能源.其系統(tǒng)方案如圖2所示.其中子站可以有若干個.2.1.1子站數(shù)控機構成系統(tǒng)由主站(中央控制室)和子站組成.控制方式為主站向子站單向傳輸命令,主站給子站下發(fā)信號由電臺完成,子站現(xiàn)場獨立與閥門構成閉環(huán)控制.其構成如下:a.主站是自動化控制系統(tǒng)的核心,它主要包括486工控微機1臺、多功能接口板1塊、電臺1部、UPS后備電源及打印機等.主站構成如圖3所示.b.子站為現(xiàn)場控制和測量設備,由8051單片機、無線接收機、流量傳感器、自控閥門及控制電路等部分組成.子站構成如圖4所示.2.2.2不同閥口的流量控制a.系統(tǒng)工作原理.系統(tǒng)的拓撲結(jié)構為星形分布結(jié)構.主站為星形結(jié)構的中心結(jié)點,設在灌區(qū)的中央,星形的外結(jié)點為各子站,分布在灌區(qū)的四周.在主站操作486工控微機,選中所需發(fā)送信號的子站地址,發(fā)送控制閥門運行的信號.如要改變運行狀態(tài),可重新發(fā)送數(shù)據(jù).閥門的控制由系統(tǒng)軟件和寫入單片機的程序來實現(xiàn).不同的地區(qū)可根據(jù)本地區(qū)灌溉的實際需要來編寫單片機的應用程序.一般情況下需要控制的是閥門開啟的時間和通過閥門的流量.對時間的控制可分為兩種情況:(a)每天的定時開、關,開啟一定時間后自動關閉;(b)任意時間的開、關,開啟一定時間后自動關閉;同樣對流量的控制也分為兩種情況:(a)當通過閥門的總流量達到一定值時,閥門自動關閉;(b)每次開啟后,當通過閥門的流量達到一定值時,閥門自動關閉.同時對流量的控制為灌溉用水量進行計費提供數(shù)據(jù),也可了解灌區(qū)的每次灌溉的水量.主站發(fā)送的數(shù)據(jù)存入磁盤中的數(shù)據(jù)庫文件,以便今后查詢,打印等需要.子站接收機的接收頻率與發(fā)射機頻率一致,并且解碼是固定的,通過主站對發(fā)射機進行編碼,當發(fā)射機編碼和接收機解碼一致時,收發(fā)建立聯(lián)系,此時主站所發(fā)信息只有本子站能夠接收到,其它子站由于解碼不一致,因而數(shù)據(jù)無法接收.單片機根據(jù)接收到的中央控制室的不同命令去調(diào)用相應的子程序,就可以控制閥門的開啟時間和通過閥門的流量.子站既可以通過主站發(fā)出的信號進行監(jiān)控,也可以手動實現(xiàn)獨立運行.由于系統(tǒng)中使用的自控閥門僅靠電池提供微小的功率,因而必須借助流體本身所攜帶的動能使其實現(xiàn)開閉.自控閥門由先導閥和主閥兩部分組成,先導閥控制一個小孔的開閉,小孔的開閉引起主閥的開閉.降低閥門開閉所需功率的關鍵是減小小孔的孔徑,而小孔的孔徑又影響主閥開閉的性能.此方案中使用的自控閥門在保證主閥的開閉的情況下,不換電池可使用10萬次以上.為保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性,所有的芯片(如:CPU處理器、并行接口、數(shù)碼顯示等)及無線接收機全部集成于一塊線路板上,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.通過編程處理和優(yōu)化芯片的制造工藝,以保證系統(tǒng)運行可靠.由于子站的運行情況不能夠自動返回到主站的中央控制室,因而主站和子站無法實現(xiàn)閉環(huán)控制.隨著社會的發(fā)展,人們對自動化控制的要求越來越高,在農(nóng)業(yè)灌溉中實現(xiàn)雙向無線傳輸?shù)淖詣踊刂剖潜厝坏陌l(fā)展趨勢.2.2子站式數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成雙向無線傳輸控制模式既有集中管理,又有分散控制,符合控制系統(tǒng)的運行模式,其自動化程度比較高.當然,其投資也是很高的,如圖5所示.中央控制室將所需數(shù)據(jù)通過傳輸設備把信號傳送出去.信號傳輸設備有調(diào)制解調(diào)器和無線電臺,由微機串口發(fā)出的二進制信號,通過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制,再由無線電臺發(fā)射出去.子站系統(tǒng)一般由無線電臺,調(diào)制解調(diào)器,控制器組成.控制器可采用PLC或單片機,由無線電臺接收到的信號經(jīng)調(diào)制解調(diào)器得到一組數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)送控制器.控制器