基于通讯技术的节水农业自动化灌溉系统研究设计

基于通讯技术的节水农业自动化灌溉系统研究设计

水是生命之源，水是生命生长过程中不能代替的必要的基本要素，水资源是和谐社会发展的重要基础资源。我国是世界上贫水的国家之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。并且水的分布空间很不均匀，，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少；占国土面积50%以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。随着人口的不断增长、经济的迅速发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。

根据详细资料统计，全国现状中等干旱年缺水358亿立方米，更为严重的是农业灌溉缺水300亿立方米。20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达2000万公顷以上，全国660多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日益突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地区。由于地表水资源不足导致地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达8.2万平方公里。 而在发达国家中，农业的用水比例一般为总用水量的50%左右。目前，我国农业用水比重已从1980年的88%下降到目前的70%左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。北方地区水资源开发利用程度已经很高，开源的潜力不大。南方还有一些开发潜力，但主要集中在西南地区。

我国是农业大国，农业灌溉用水量大，还普遍存在问题，灌溉效率低下、用水浪费。目前全国灌溉水利用率约为43%，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70-80%、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”，具有重要的现实意义和深远的历史意义。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。 自动灌溉监控系统有如下优点：

1、将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。

2、通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。 3、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。 研制和推广节水灌溉控制新技术

是实现农业现代化的需要。

农业自动化灌溉系统结构示意图

GPRS农业自动化灌溉系统：

GPRS农业自动化灌溉系统主要由中心主控系统（主计算机）、GPRS采集控制终端、电磁阀、田间湿度传感器（可测土壤湿度绝对值）、气象观测站（可测量气温、风向、风速）等设备所组成。操作人员可坐在控制室里，对传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析，利用自动方式，足不出户的对整个小区进行灌溉。同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。

GPRS农业自动化灌溉系统网络结构分为三层，第一层为控制中心由电脑和以太网组成;第二层为GPRS 无线采集控制器，该层和第一层之间无需电缆连接;第三层为传感器采集与电磁阀，所有的传感器与电磁阀和GPRS 无线采集控制器只需要用一根电缆连接。下面详细介绍一下本方案。

首先我们可以将需要灌溉的区域分成若干个小区，划分的原则为阀门相对集中。每个小区内采用一个GPRS无线采集控制器GPRS RTU，通过它与中心控制室通讯;GPRS无线采集控制器再与电磁阀、土壤传感器等连接该套设备只需要很少的电力，可以使用太阳能来供电。这个小区的控制系统无需任何电缆与中心控制室连接。系统总体结构框图如图所示。 第一层控制中心：

中心采用通过GPRS/GSM 网路把室外传感器数据发送到中心计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，显示数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。

建立GPRS中心连接的两种方式：

a、中心控制站服务器采用固定IP地址，当监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求（适用监控点数在200个左右的）。

b、中心监控站服务器采用动态IP地址（可以申请花生壳软件采用域名的方式），当监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求（适合监控点数在几十个左右的）。

第二层GPRS 无线采集控制器： 1、简介：

集成采集、无线数据传输、远程控制于一体，将现场传感器的模拟量、开关量、继电器信号通过GPRS无线网络远传至监控中心，实现了由现场采集直达监控中心的一套完整解决方案。可以直接通过各类通用型工业组态软件与远端现场传感器进行数据交流，无须定制驱动。 2、产品功能：

◎ 采集传输控制一体化，提高了系统可靠性，降低了成本; ◎ 采用超低功耗高性能的嵌入式处理器，数据采样精度小于2‰; ◎ 内嵌看门狗，不死机，掉线自动恢复;

◎ 配备多种接口资源：包括模拟信号采集、开关量采集、脉冲信号输入、继电器控制输出等;

◎ 继电器可设置报警联动;

◎ 支持一路（只支持MODBUS协议）方式的用户数据接口，可接入电子式传感器、PLC等各种设备;

◎ 短信数据传输或GPRS实时在线传输方式; ◎ GPRS 远程在线设置和短信息远程设置功能; ◎ 支持终端远程进入休眠模式，并可用多种方式唤醒; ◎ 监控中心及手机远程控制现场设备; ◎ 可向用户设定的手机发送短信报警信息; ◎ 模拟量分时段报警;

◎ 用户可以编程的量程转换和报警上下限设定; ◎ 内设工业时钟，精确记时;

◎ 自动定时上报和事件触发上报功能;

◎ 内置大容量FLASH存储器，数据自动记录，支持历史数据检索; ◎ 板载工业级GSM/GPRS通信模块，方便用户选择GSM/GPRS组网方式; ◎ 提供用户设置软件，开放式接口，方便与组太软件及其他软件连接;3、作用

◎ 具有电压、电流值等直接模拟量输入监测土壤含水量等传感器; ◎ 具有485数字量输入监测EC（电导率）值和pH 值的等数字传感器; ◎ 具有开关量输入监测电磁阀状态; ◎ 具有继电器输出远程控制电磁阀; 优势：

1、 中心控制室可以控制远在千里之外的阀门。

2、 每个小区内只需使用一根电缆连接所有的阀门。大大节约成本。 3、 在电力无法到达的地方，我们可以采用太阳能供电。 4、 也可以通过手机短信来控制阀门。 5、 各种监测和控制信号的通讯传输;

6、 模拟量、开关量高低报警; 第三层传感器采集与电磁阀

每个控制单元控制着1—4 路电磁阀。通过传感器采集来的多路数据，经过A/D 转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，

然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉情况，据此确定灌溉与否和时间长短;配有EC（电导率）值和pH 值传感器，可对进出水进行EC 值和pH 值的检测，以便控制自动营养液的配给。

数据采集部分是实现自动灌溉的重要环节。土壤湿度传感器一般是采集土壤的水吸力大小信号，也叫土壤水分传感器。它把土壤水吸力的大小转化为标准的4-20mA 电流信号。将传感器埋入土壤中，放在植被的根部。多个传感器注意其安放位置应具有代表性，这样才能反映整块田地的平均含水量的情况。EC 传感器和pH 传感器检测灌溉用水的电导率和酸碱度，以确定需添加的肥料、养分多少。

结论：

GPRS农业自动化灌溉系统将传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。

托盘物联网简介

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、

食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。 1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。 3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。 4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。