農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)方案/特點

農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)也叫智能灌溉系統(tǒng)、農業(yè)灌溉系統(tǒng)，是托普物聯(lián)網為保證農業(yè)作物需水量的前提下，實現(xiàn)節(jié)約用水而提出的一整套農業(yè)智能灌溉解決方案。智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)簡單的說就是農業(yè)灌溉不需要人的控制，系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間；智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)可以自動開啟灌溉，也可以自動關閉灌溉；可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。

一、農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的功能設計
智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)要實現(xiàn)上述功能就要充分利用可編程控制器的控制作用。系統(tǒng)要實現(xiàn)自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳感器。要實現(xiàn)灌溉水量的多與少的調節(jié)，必須要有變頻器。在可編程控制器內預先設定50%—60%RH為標準濕度，傳感器采集的濕度模擬信號經A/D模塊轉換成數(shù)字信號。
針對灌溉水利用系數(shù)較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng)。依托無線傳感器網絡采集灌區(qū)作物需水信息,匯聚到網關節(jié)點發(fā)送給主控中心,中心主機根據(jù)信息確定灌溉狀態(tài)并計算灌水量,控制灌溉設備工作實現(xiàn)智能灌溉;依托Internet管理員有權對系統(tǒng)遠程管理,滿足了規(guī)模化灌溉的需求。根據(jù)示范區(qū)觀測,灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9。系統(tǒng)結合了無線傳感、計算和網絡通信技術,解決了精確農業(yè)亟待解決的關鍵技術問題。
智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)涉及到傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、無線通信技術等多種高新技術，這些新技術的應用使我國的農業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術密集型轉變奠定了重要的基礎。
智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的成本差不多，卻可節(jié)水16%到30%。加州出臺的新法案要求2012年起新公司必須使用智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)。

二、智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計背景
灌溉造成水資源大量浪費
美國每年浪費掉的水資源高達8,520億升，而若安裝一種智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)則可有效地控制水流量，達到節(jié)水目的。HydroPoint公司負責可持續(xù)領域業(yè)務的Chris Spain援引美國用水工程協(xié)會的報告稱，美國住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)的草坪、植物灌溉用水浪費了30%到300%。
水資源被浪費的原因是技術不行，美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統(tǒng)，它們在時間控制上還可以，但精準度不高。Spain稱，城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生產54.4萬噸溫室氣體。
在中國農業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決農業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)在這種背景下應運而生了。
不僅美國，英國也開始關注節(jié)水問題。英國節(jié)能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節(jié)約能源，使用熱水可能會超過取暖成為制造二氧化碳的主要途徑。

三、智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理
灌溉系統(tǒng)工作時，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉換，將標準的電流模擬信號轉換為濕度數(shù)字信號，輸入到可編程控制器。可編程控制器內預先設定50%-60%RH為標準濕度值，實際測得的濕度信號與50%-60%RH比較，可以分為：在這個范圍內，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況。
可編程控制器將控制信號傳給變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應的調節(jié)電動機的轉速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉角度自動旋轉。灌溉結束時電磁閥自動關閉。為了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側安裝一塊壓力表，保證個噴頭的水壓滿足設定的噴灌射程，避免發(fā)生因為水壓不足，噴頭射程減少的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調工作，實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。
綜上所述，要實現(xiàn)智能灌溉，系統(tǒng)需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網和噴頭等設備。
①可編程控制器：負責發(fā)出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。
②傳感器：由于本次設計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。
③A/D模塊：因為可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉換成數(shù)字信號。
④變頻器：通過改變電動機的轉速調節(jié)噴灌流量，達到節(jié)水的目的。
⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。
⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。
⑦噴頭：實現(xiàn)均勻噴灑，便于充分吸收。
⑧管網：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。

四、智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計特點
1、系統(tǒng)模塊化、層次化設計，以提高效率，增加可維護性，便于擴展；
2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設備，而不需要更換軟件；
3、人機界面友好，實現(xiàn)灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；
4、抗電磁干擾的能力強，保證系統(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行；
5、故障自動檢測功能，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設備的布局要求美觀。

五、智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的9大功能
為了節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能：
1、數(shù)據(jù)采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉變成數(shù)字信號（A/D轉換）。
2、控制功能：具有定時控制、循環(huán)控制的功能，用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。
①自動控制功能：可編程控制器通過程序將傳感器檢測的濕度信號與預先設定的標準濕度范圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設定濕度值，（低于設定值則調大電動機轉速，高于設定值則調小電動機轉速）則自動調節(jié)電動機轉速，進行灌溉操作。
②定時控制功能：系統(tǒng)可對電磁閥設定開、關時間，當灌溉的濕度值達到設定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。
③循環(huán)控制功能 ：用戶在可編程控制器內預先編好控制程序，分別設定起始時間、結束時間、灌溉時間、停止時間，系統(tǒng)按設定好的時間自動循環(huán)灌溉。
變速功能：當前所測的土壤濕度值與預先設定的適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分為大于、等于、小于三種結果，即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態(tài)。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個狀態(tài)自動調節(jié)電動機的轉速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉速度，分別對應高速，中速，低速三個指示燈。
4、自動轉停功能：控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌，控制電動機以所需的轉速轉動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉。
5.、電動機過載保護功能：當電動機過載時，電動機立即停止轉動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復運轉。
6、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現(xiàn)控制相關程序的功能。
7、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預先編制的程序依次打開各控制設備電源，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設備的使用壽命。
8、急停功能：當出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉，閥門關閉，噴頭停止灌溉。
9、故障自動檢測功能：當灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。

六、智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)的重要意義
智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)不僅可以提高源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。基于傳感器技術的智能農業(yè)灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展高效農業(yè)和精細農業(yè)的必由之路。