農(nóng)田節(jié)水灌溉及信息管理系統(tǒng)

1、農(nóng)田節(jié)水灌溉及信息管理系統(tǒng)1、背景介紹智能農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)十二五規(guī)劃重點(diǎn)領(lǐng)域之一，大量的科技創(chuàng)新技術(shù)將應(yīng)用在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，其中包括通信技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)，等等。通信技術(shù)是指通過(guò)各種有線、無(wú)線、長(zhǎng)距離、短距離的通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物品與物品之間，機(jī)器與機(jī)器之間，機(jī)器與人之間的信息與數(shù)據(jù)的交換，這就形成了當(dāng)今科技領(lǐng)域最為關(guān)注的領(lǐng)域之一物聯(lián)網(wǎng)其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，它擔(dān)負(fù)著極其重要的信息傳遞、交換和傳輸?shù)闹厝?。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前是通信、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等領(lǐng)域一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，它能夠可靠地、實(shí)時(shí)地采集覆蓋區(qū)中的各種信息并進(jìn)行處理，處理后的信息可通過(guò)有線或無(wú)線方式發(fā)送給遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)消

2、費(fèi)系統(tǒng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以在設(shè)定的條件下與遠(yuǎn)端接收器通信，按照系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行開、關(guān)等操作，還可以按照復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)靈活的操作控制，另外，動(dòng)態(tài)信息采集分析技術(shù)也是重點(diǎn)應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)是用水大戶，農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%,而水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%80%,因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的，也是節(jié)水潛力最大的領(lǐng)域。目前，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的困難在于農(nóng)田分布范圍廣泛，各種農(nóng)作物的用水需求也不相同。使用大面積的溝渠灌溉技術(shù)，不僅浪費(fèi)水資源，而且在農(nóng)田

3、利用上也造成很大的浪費(fèi)。采用自動(dòng)化控制的滴灌技術(shù)，可以根據(jù)各種農(nóng)作物對(duì)水量的要求，以及土壤的水情合理配置各個(gè)供水設(shè)備運(yùn)行情況。另外，通過(guò)自動(dòng)化控制，可以將整個(gè)農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)中的各種資源使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使相關(guān)人員及時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)資源信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行合理使用，從而達(dá)到省水節(jié)能、省工省地的效果，以及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的目的。在農(nóng)田智能灌溉領(lǐng)域的應(yīng)用主要是通過(guò)無(wú)線傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間同步等特點(diǎn)，使灌區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以不受限制，因此可以靈活增減輪灌

4、組。加上節(jié)點(diǎn)具有土壤、植物、氣象等測(cè)量采集裝置，利用通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與GPS技術(shù)結(jié)合，形成灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息采集分析技術(shù)，配合作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等，可構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)。2、農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)一般負(fù)責(zé)的區(qū)域比較大，如一個(gè)鄉(xiāng)、一個(gè)縣、一個(gè)市等。這樣大的區(qū)域，對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，采集能力和通信能力都不可能實(shí)現(xiàn)，為了將這么大的區(qū)域中的相關(guān)信息進(jìn)行收集，需要將這些大的區(qū)域劃分為多個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，每個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域再劃分出更小的控制單位，從而能達(dá)到一個(gè)自動(dòng)化控制單元所能控制的范圍。因此，

5、農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成：集中監(jiān)控中心、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站。各部分分工明確、協(xié)同合作，使管控一體化的功能在農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理中得到了充分應(yīng)用。下圖為基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。電Wi現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站作為整個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水及信息管理系統(tǒng)中的最小單元，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的最底層控制系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上層集中監(jiān)控中心的任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站一般控制和采集的設(shè)備包括：使用無(wú)線ZIGBEE協(xié)議的閥門、RTU設(shè)備、各種氣象、埔情采集傳感器等，有些先進(jìn)的監(jiān)控站還配置視頻采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集控制區(qū)域內(nèi)的視頻信息?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站一般使用具有通用組態(tài)功能的組態(tài)軟件完成現(xiàn)場(chǎng)各種

6、設(shè)備的數(shù)據(jù)的集成，以及數(shù)據(jù)的傳輸功能。集中監(jiān)控中心集中監(jiān)控中心根據(jù)其所管轄區(qū)域大小，將區(qū)域內(nèi)所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的信息進(jìn)行集中采集、展示、存儲(chǔ)、分析等。同時(shí)，通過(guò)組態(tài)軟件的WEB發(fā)布功能，將所采集的信息發(fā)布到INTERNET上，供相關(guān)部門查看分析。集中監(jiān)控中心通常與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站之間通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)GPRS、3G或者WIFI等無(wú)線通信方式進(jìn)行連接，這種方式可以大大節(jié)省硬件成本，同時(shí)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也能保證。集中監(jiān)控中心作為整個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水和信息管理系統(tǒng)的中心層，不直接參與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，而是通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站相關(guān)數(shù)據(jù)的分析以及歷史數(shù)據(jù)的分析，形成先關(guān)的節(jié)水灌溉方案，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)分析所得的方案進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)

7、控制。2.2 系統(tǒng)功能2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站一般設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)控制區(qū)域的泵房中，其中配置監(jiān)控計(jì)算機(jī)一臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制區(qū)域設(shè)備的信息采集和控制，安裝組態(tài)軟件，每一個(gè)泵房設(shè)置一套。農(nóng)田節(jié)水和信息管理系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站主要使用對(duì)象為非專業(yè)人士，因此，該系統(tǒng)的功能界面主要以簡(jiǎn)潔、明了、易于了解和經(jīng)濟(jì)適用為主。監(jiān)控站GPRSGSM無(wú)線廨絡(luò)jiI!；I27GHz免禱無(wú)線自組窗LAN該系統(tǒng)的功能主要有：1、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視功能現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站中由于各種管線與閥門鋪設(shè)的距離比較遠(yuǎn)，使用有線數(shù)據(jù)采集的方式在監(jiān)控成本和控制線纜鋪設(shè)上都不現(xiàn)實(shí)，因此，使用Zigbee無(wú)線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。它是一種短距離的無(wú)線通信方

8、式，對(duì)于在農(nóng)田這種開闊地帶使用比較有優(yōu)勢(shì)，它與RTU控制單元結(jié)合使用，采集泵房管理系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)閥門與水泵的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水泵和閥門的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)還采集相關(guān)的模擬量數(shù)據(jù)，如蓄水池水位、管道流量、過(guò)濾器前后水壓、電機(jī)電流、電壓、埔情、氣象等數(shù)據(jù)。2、畫面監(jiān)控畫面監(jiān)控主要包括設(shè)備監(jiān)控畫面、系統(tǒng)管理界面以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析畫面。A、設(shè)備監(jiān)控界面按照現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站滴灌系統(tǒng)管道鋪設(shè)管線繪制田間滴灌分布圖，在圖上直觀顯示相關(guān)電磁閥的位置、狀態(tài)、是否啟用輪灌，正在灌溉的組別，灌溉持續(xù)時(shí)間、當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間顯示等信息。該界面可以對(duì)電磁閥的狀態(tài)統(tǒng)一實(shí)時(shí)查詢；輪灌啟動(dòng)、界面鎖定；電磁閥的單獨(dú)開啟關(guān)閉、狀態(tài)查詢。界面鎖定以后（

9、安全模式），整個(gè)界面上操作人員不能有任何操作動(dòng)作（不能控制設(shè)備，只能瀏覽查詢信息），只有通過(guò)密碼實(shí)現(xiàn)解鎖才能進(jìn)行控制操作。泵房參數(shù)A相電壓：*V盤相電流：AB相電壓：#VB相電流r#AC相電壓：#VC相電流：#A水源水位；料甲m進(jìn)水壓力：瞬時(shí)施重：榔#mVh出水壓.力：#MPayyy77累計(jì)iMSL棚*e壓差工的第MPaB、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析畫面包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示兩部分內(nèi)容，顯示的數(shù)據(jù)有電機(jī)電壓、電流、蓄水池水位、過(guò)濾器前后水壓、出水口流量、土壤水分以及氣象站、設(shè)備電池電壓等。C、系統(tǒng)管理界面包括系統(tǒng)通訊診斷、系統(tǒng)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、設(shè)備地址、時(shí)鐘、工作參數(shù)配置界面、設(shè)備列表、輪灌編輯界面、

10、用戶管理界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)置、調(diào)閱、導(dǎo)出界面、設(shè)備通訊狀態(tài)、設(shè)備電池電壓，首部電壓電流、水位、水壓等錯(cuò)誤或者數(shù)據(jù)超常報(bào)警設(shè)置等。3、設(shè)備控制功能設(shè)備控制功能包括田間各個(gè)電磁閥與水泵的單獨(dú)控制以及電磁閥的輪灌控制。單獨(dú)控制時(shí)，農(nóng)民可以在監(jiān)控畫面上對(duì)每一個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的打開或關(guān)閉操作，當(dāng)操作沒(méi)有反饋或反饋信息錯(cuò)誤時(shí)能進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。輪灌控制需要根據(jù)系統(tǒng)管理界面中對(duì)于輪灌功能的配置，系統(tǒng)自動(dòng)完成所有電磁閥的打開與關(guān)閉控制以及打開的時(shí)間等。4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄功能系統(tǒng)中采集的各種模擬量數(shù)據(jù)，如首部電壓、電流、水位、水壓、流量、土壤水分等都進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)記錄使用定時(shí)記錄的功能，每半小時(shí)記錄一次相關(guān)數(shù)據(jù)（記錄數(shù)

11、據(jù)時(shí)間可設(shè)定），數(shù)據(jù)保留時(shí)間為1年，數(shù)據(jù)記錄使用易控自帶的SQLexpress數(shù)據(jù)庫(kù)完成。同時(shí)，在畫面上可以通過(guò)報(bào)表、曲線的方式進(jìn)行歷史記錄數(shù)據(jù)的查看。5、報(bào)警功能報(bào)警功能主要針對(duì)重要的操作和模擬量超限進(jìn)行。報(bào)警的方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)的條件可以有聲光和短信兩種方式，需要泵房監(jiān)控系統(tǒng)中配置相應(yīng)的音箱及短信發(fā)送模塊。重要的報(bào)警能記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行歷史報(bào)警的查詢功能。6、用戶管理功能田間泵房管理系統(tǒng)的用戶主要包括系統(tǒng)操作的農(nóng)民和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的維護(hù)人員。不同用戶通過(guò)用戶名和密碼登陸獲取不同的權(quán)限。農(nóng)民主要權(quán)限為設(shè)備的單獨(dú)操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查看。系統(tǒng)維護(hù)人員具有所有功能操作的權(quán)限（由于維護(hù)人員不是長(zhǎng)期駐守在

12、泵房，所以參數(shù)維護(hù)由監(jiān)控中心維護(hù)人員統(tǒng)一進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)）。7、數(shù)據(jù)上傳功能現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站只是整個(gè)系統(tǒng)的最底層監(jiān)控系統(tǒng)，它是最底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)于上層管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它還包括數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站與上層集中監(jiān)控中心的通信方式有兩種GPRS和超短波電臺(tái)的方式。因此,數(shù)據(jù)上傳功能使用易控IO通信中的modbus主站方式將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS或者超短波電臺(tái)發(fā)送到監(jiān)控中心。2.2.2集中監(jiān)控中心集中監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將所管轄的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的所有信息進(jìn)行集中管理，集中監(jiān)控中心設(shè)置在相應(yīng)的上級(jí)管理中心，設(shè)置一臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)控服務(wù)器作為集中數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史記錄和WEB發(fā)布服務(wù)器使用。監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)的功

13、能主要有：1、數(shù)據(jù)采集功能集中監(jiān)控中心與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的距離較遠(yuǎn)，使用有線傳輸?shù)姆绞匠杀咎?，因此，選用無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸方式，根據(jù)各個(gè)泵房配置的無(wú)線模塊的不同，主要包括GPRS網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（電臺(tái)）。2、監(jiān)控畫面監(jiān)控中心是下轄的所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站信息的匯總，它的監(jiān)控畫面主要包括：A、用戶登錄界面：監(jiān)控中心集中了中所有監(jiān)控系統(tǒng)，不同用戶可以按照權(quán)限顯示不同的項(xiàng)目點(diǎn)分布界面。B、監(jiān)控信息管理畫面監(jiān)控信息管理根據(jù)不同用戶的權(quán)限，顯示不同的內(nèi)容，打開相應(yīng)的監(jiān)控地圖，在地圖中可以選取不同的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站，點(diǎn)擊后就可以直接顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。對(duì)于更高級(jí)用戶，登錄后可以在不同信息管理中切換顯示畫面。3、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分

14、析功能數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)功能是指對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站數(shù)據(jù)進(jìn)行集中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、曲線棒圖的對(duì)比分析、報(bào)表文件的查看等功能。A、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：將系統(tǒng)采集到的相關(guān)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中歷史記錄，使用SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)，歷史記錄的時(shí)間間隔為30分鐘，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)周期為2到3年，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中。B、曲線棒圖功能：在監(jiān)控畫面中能將各個(gè)歷史記錄數(shù)據(jù)通過(guò)歷史曲線，棒圖的形式進(jìn)行展示，主要包括用水量曲線、流量曲線等。歷史曲線可以通過(guò)時(shí)間查詢不同時(shí)間段的曲線情況。C、報(bào)表功能：通過(guò)歷史記錄數(shù)據(jù)，可以形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，包括日、月、年等報(bào)表，操作人員可以通過(guò)時(shí)間查詢相關(guān)時(shí)間段的數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)報(bào)表還具有

15、數(shù)據(jù)查詢、打印、導(dǎo)出為EXCEL等功能。4、報(bào)警功能報(bào)警功能主要包括系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)到的一些設(shè)備報(bào)警以及模擬量的越限報(bào)警，對(duì)于不重要報(bào)警信息可以通過(guò)聲光方式在監(jiān)控室顯示，對(duì)于重要報(bào)警信息可以通過(guò)手機(jī)短信的方式在報(bào)警的第一時(shí)間發(fā)送到相關(guān)人員。5、用戶管理功能用戶管理功能配置系統(tǒng)中不同登錄用戶的操作權(quán)限，以及用戶登錄、注銷等功能。6、WEB發(fā)布功能將監(jiān)控中心中相關(guān)的數(shù)據(jù)畫面通過(guò)易控的WEB發(fā)布功能發(fā)布到INTERNET上，相關(guān)人員只需要通過(guò)各自電腦的IE瀏覽器就可以直接查看各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的運(yùn)行情況。3、結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了自動(dòng)化組態(tài)、移動(dòng)通信、廣域網(wǎng)無(wú)線通信、ZIGBEE局域網(wǎng)無(wú)線通信等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田定點(diǎn)采集、移動(dòng)采集與傳輸功能。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、設(shè)計(jì)成本低、使用性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示實(shí)時(shí)上傳和可重復(fù)性好等顯著特點(diǎn)。與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有類似產(chǎn)品比較，有以下特點(diǎn)：(1)、系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)。系統(tǒng)子站采用無(wú)源干電池技術(shù)，為了極大提高子站使用壽命，通過(guò)合理的通信技術(shù)，降低子站通信耗能，節(jié)省了能源，提高了效率，節(jié)省了成本。(2)作物本身是決定是否需要灌溉的最佳指示物，只有他們才能把控制作物水分平衡的土壤因子整合起來(lái)。現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)采集影響作物生長(zhǎng)的環(huán)