1.概述
1.1目的和意義
我國是一個水資源嚴(yán)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(rèn)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國家已達(dá)70%～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(jìn)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(jìn)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(xì)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。
自動灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點：
1、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。
2、通過自動控制技術(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。
3、將使灌溉更加科學(xué)，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。
1.2相關(guān)研究綜述
自動灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國家，特別是有大面積種植或缺水地區(qū)。按灌溉方式分為地面灌、噴灌和微灌等等。而微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌。灌溉系統(tǒng)自動化是世界先進(jìn)國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國目前的灌溉系統(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(jìn)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(jìn)行監(jiān)測預(yù)報，實行動態(tài)管理。
2.自動灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計
2.1功能設(shè)計
灌溉自控系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)、電磁閥、田間濕度傳感器、氣象觀測站等設(shè)備所組成。
操作人員可坐在控制室里，對傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶的對整個小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)由多個控制單元組成，每個控制單元管理一片區(qū)域。利用GPRS/GSM網(wǎng)路，由中央計算機(jī)統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結(jié)果送入計算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機(jī)上存儲，顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進(jìn)行特殊操作。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見性地實施灌溉。
2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計
如上圖所示，我們的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為控制中心，有電腦和以太網(wǎng)組成;第二層為GPRS無線控制器，該層和第一層之間無需電纜連接;第三層為閥門控制器，所有的閥門控制器和GPRS無線控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細(xì)介紹一下本方案。
首先我們可以將需要灌溉的區(qū)域分成若干個小區(qū)，劃分的原則為閥門相對集中。每個小區(qū)內(nèi)采用一個無線數(shù)傳設(shè)備GPRSDTU，通過它與中心控制室通訊;在GPRSDTU上可以連接一個手動控制器，用來手動控制該區(qū)域內(nèi)的閥門開關(guān);再用一跟電纜連接到各個閥門，在閥門的位置需要接一個控制器，一個控制器可以控制1～4個閥門
該套設(shè)備只需要很少的電力，可以使用太陽能來供電。這個小區(qū)的控制系統(tǒng)無需任何電纜與中心控制室連接。
我們對各個小區(qū)實現(xiàn)同樣的控制方法，然后再通過無線連成一套系統(tǒng)。
這樣的控制方式的主要優(yōu)點有：
1、中心控制室可以控制遠(yuǎn)在千里之外的閥門。
2、每個小區(qū)內(nèi)只需使用一根電纜連接所有的閥門。大大節(jié)約成本。
3、在電力無法到達(dá)的地方，我們可以采用太陽能供電。
4、也可以通過就地的手動控制器來控制閥門。
5、也可以通過手機(jī)短信來控制閥門。
3.控制器的設(shè)計
3.1控制器的主要功能
1)土壤含水量的監(jiān)測;
2)EC值和pH值的監(jiān)測;
3)電磁閥狀態(tài)的監(jiān)測;
4)電磁閥狀態(tài)的控制;
5)各種監(jiān)測和控制信號的通訊傳輸;
6)低電壓報警;
3.2工作原理
每個控制單元控制著1—4路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，信號處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號輸出，結(jié)合中央管理計算機(jī)的指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實現(xiàn)自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉情況，據(jù)此確定灌溉與否和時間長短;配有EC值和pH值傳感器，可對進(jìn)出水進(jìn)行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養(yǎng)液的配給。
3.3數(shù)據(jù)采集部分
數(shù)據(jù)采集部分是實現(xiàn)自動灌溉的重要環(huán)節(jié)。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號，也叫土壤水分傳感器。本系統(tǒng)選用AQUA-TEL公司的專業(yè)土壤水分傳感器，它把土壤水吸力的大小轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個傳感器注意其安放位置應(yīng)具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC傳感器和pH傳感器檢測灌溉用水的電導(dǎo)率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養(yǎng)分多少。
