基于自動(dòng)化控制技術(shù)的智能化灌溉系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化限制技術(shù)的智能化澆灌系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)1引言澆灌是彌補(bǔ)自然降水在數(shù)量上的不足與時(shí)空上的不均，保證適時(shí)適量地滿(mǎn)意作物生長(zhǎng)所須要水分的重要措施。以往的農(nóng)田澆灌，許多沒(méi)有配套完整的澆灌系統(tǒng)，灌水時(shí)只能采納大水漫灌或人工灑水。不但造成水的奢侈，而且往往由于不能剛好灌水、過(guò)量灌水或灌水不足，難以限制水勻稱(chēng)度，對(duì)植物的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。我國(guó)是一個(gè)水資源短缺，水旱災(zāi)難常見(jiàn)的國(guó)家。雖然水資源的總量居世界第六位，但是人均占有量約為世界人均水量的1/4，排在世界110位，已被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧水國(guó)家之一，同時(shí)，我國(guó)水資源的分布很不勻稱(chēng)，有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國(guó)家埃及和以色列的水平。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約為總用水量的80%，農(nóng)業(yè)澆灌用水的利用率普遍低下，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%。建立農(nóng)田節(jié)水澆灌的自動(dòng)化系統(tǒng)，采納高效的灌水方式已勢(shì)在必行。一方面可以集中管理，加強(qiáng)限制;一方面可以按時(shí)按需定量供水，嚴(yán)格限制澆灌用水量，達(dá)到節(jié)水用水目的，另一方面，可以通過(guò)自動(dòng)量測(cè)設(shè)備，實(shí)施精確計(jì)量，為按方收費(fèi)供應(yīng)依據(jù)，促進(jìn)用水觀念更新，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)利益。筆者利用組態(tài)軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)的農(nóng)田節(jié)水澆灌自動(dòng)限制系統(tǒng)，已在江蘇省泰興市農(nóng)業(yè)科學(xué)探討所節(jié)水澆灌示范區(qū)得到應(yīng)用。2節(jié)水澆灌自動(dòng)化限制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)農(nóng)科所節(jié)水澆灌示范區(qū)的130畝土地，主要由固定噴灌區(qū)，大蓬滴灌區(qū)，露地微灌區(qū)，草坪噴灌區(qū)，低壓管道輸水澆灌區(qū)等部分組成，主要采納滴灌、噴灌、微噴灌和低壓管道輸水澆灌四種澆灌方式。整個(gè)灌區(qū)采納自動(dòng)限制系統(tǒng)，在分干管的放水孔口設(shè)置電磁閥和信號(hào)收發(fā)設(shè)備，通過(guò)電纜傳輸?shù)奖梅績(jī)?nèi)的限制中心，限制中心依據(jù)需水的孔口數(shù)量確定打開(kāi)電磁閥的個(gè)數(shù)，自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)機(jī)澆灌。由泵站出水口沿澆灌區(qū)設(shè)主干管，主干管沿線再設(shè)分干管，分干管上共設(shè)有36個(gè)給水口，由電磁閥限制后連接支管，每個(gè)給水口設(shè)置用戶(hù)給水信號(hào)開(kāi)關(guān)一只，當(dāng)用戶(hù)須要供水時(shí)，按動(dòng)信號(hào)開(kāi)關(guān)，限制中心就會(huì)有相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，限制中心可以遠(yuǎn)程限制水泵和相應(yīng)的電磁閥，實(shí)現(xiàn)供水，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆灌量水量時(shí)，可以自動(dòng)停泵或關(guān)閉電磁閥。限制系統(tǒng)主要是利用PC機(jī)遠(yuǎn)程限制一臺(tái)水泵、四臺(tái)加壓泵以及36個(gè)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)各種澆灌方式。整個(gè)限制系統(tǒng)由3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)限制單元，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)限制單元由繼電器輸出模塊，數(shù)字量輸入模塊，開(kāi)關(guān)電源，限制電源等組成，依據(jù)系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)采納每十六個(gè)限制量由一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)限制單元限制。節(jié)水澆灌自動(dòng)化限制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。3自動(dòng)化限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個(gè)自動(dòng)化限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采納總線型結(jié)構(gòu)，全部的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)公共物理通道（總線）。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)不封閉，很簡(jiǎn)潔加擴(kuò)新的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)總線干脆通信，速度較快;當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的工作，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。但總線式結(jié)構(gòu)對(duì)硬件的實(shí)現(xiàn)要求相對(duì)較高，因?yàn)榭偩€式網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是掛在一條總線上的，總線的負(fù)載很重。由于考慮到本系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對(duì)較小，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)容性，故采納了總線式結(jié)構(gòu)。一條485總線上掛接了17個(gè)模塊（11個(gè)繼電器輸出模塊，6個(gè)數(shù)字量輸入模塊），限制一臺(tái)水泵、四臺(tái)加壓泵和36個(gè)電磁閥等設(shè)備。由于每個(gè)繼電器輸出模塊能輸出4路信號(hào)，而每個(gè)數(shù)字量輸入模塊能接收8路信號(hào)，在本系統(tǒng)中，共采納了11個(gè)繼電器輸出模塊、6個(gè)數(shù)字量輸入模塊。系統(tǒng)由數(shù)字量輸入模塊采集輸入數(shù)字量信號(hào)以獲得供水懇求信息;電磁閥由繼電器輸出模塊輸出開(kāi)關(guān)限制信號(hào)限制，水泵和加壓泵由繼電器輸出模塊輸出開(kāi)關(guān)限制信號(hào)并通過(guò)限制中間繼電器和交接觸器來(lái)進(jìn)行限制，電磁閥、水泵和加壓泵均可手動(dòng)限制。自動(dòng)化限制系統(tǒng)如圖2所示.4通信介質(zhì)的選擇傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要組成部分，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)牢靠、快速、精確傳輸?shù)闹匾ＷC，所以選擇合理的傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的重要部分。依據(jù)本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通訊的特點(diǎn)，采納有線傳輸介質(zhì)。雙絞線（TP）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最常用的一種傳輸介質(zhì)，其特點(diǎn)是連接簡(jiǎn)潔，走線便利，價(jià)格便宜。雙絞線又分為非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）兩種。國(guó)際電氣工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）為雙絞線定義了5種不同規(guī)格。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜合布線通常運(yùn)用3、4、5類(lèi)。3類(lèi)雙絞線最高傳輸速率為10Mbit/s;4類(lèi)為20Mbit/s;5類(lèi)為100Mbit/s。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，雙絞線的傳輸性能不斷提高。現(xiàn)已廣泛運(yùn)用的超5類(lèi)非屏蔽雙絞線比一般雙絞線在衰減、干擾等性能方面得到了顯著提高。在100M的頻率下，可供應(yīng)8dB近端串?dāng)_余量，用戶(hù)的設(shè)備受到的干擾只有一般5類(lèi)的1/4，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的獨(dú)立性和牢靠性?？紤]到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量相對(duì)較少，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，采納屏蔽雙絞線作為系統(tǒng)的通信介質(zhì)。5軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件采納了托普物聯(lián)網(wǎng)的多線程、COM組件等技術(shù)、實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)的處理。運(yùn)行期間，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通訊程序和前臺(tái)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，即保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，也使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個(gè)較大的規(guī)模。系統(tǒng)程序原理框圖如圖3所示。5.1前臺(tái)限制軟件前臺(tái)限制軟件由三部分組成：動(dòng)畫(huà)顯示限制界面、報(bào)警顯示界面、按鍵互鎖。整個(gè)限制畫(huà)面采納動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，用動(dòng)畫(huà)的方式顯示整個(gè)系統(tǒng)的流程，便利直觀。報(bào)警顯示界面上標(biāo)有36個(gè)電磁閥及水泵和4個(gè)加壓泵。如有報(bào)警信號(hào)（供水懇求信號(hào)）產(chǎn)生，則產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警，提示操作員。假如系統(tǒng)是運(yùn)行在全自動(dòng)方式下，則系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出限制信號(hào)打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備，起先（停止）澆灌，同時(shí)把設(shè)備打開(kāi)（關(guān)閉）信息自動(dòng)記入數(shù)據(jù)庫(kù)。if（Bit（輸入模塊_46,1）&&確認(rèn)按鈕1&&（電磁閥9==0））｛PlaySound（"F:\sound1\Virus.wav",2）;//需水發(fā)聲報(bào)警｝

軟件部分同時(shí)設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，按鍵互鎖。假如要打開(kāi)某個(gè)電磁閥，則相應(yīng)的加壓泵、水泵自動(dòng)打開(kāi)。反之，假如某個(gè)加壓泵或水泵轄下的電磁閥已全部關(guān)閉了，則該加壓泵或水泵也將自動(dòng)關(guān)閉。5.2歷史記錄數(shù)據(jù)庫(kù)本系統(tǒng)采納微軟的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用微軟的ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。全部對(duì)設(shè)備的操作都自動(dòng)記入數(shù)據(jù)庫(kù)，并自動(dòng)形成澆灌報(bào)表。SQLConnect（DeviceID,"dsn=kxg;uid=;pwd=＊＊＊＊"）;//打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLCreateTable（DeviceID,"電磁閥_9","table1"）;//創(chuàng)建表格“電磁閥_9”數(shù)據(jù)庫(kù)電磁閥狀態(tài)=電磁閥9;//記錄電磁閥狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)電磁閥序號(hào)=9;//記錄電磁閥序號(hào)SQLInsert（DeviceID,"電磁閥9","bind2"）;//依據(jù)“bind2”數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)記錄下每個(gè)電磁閥的狀態(tài)變更時(shí)間、日期，操作員姓名以及電磁閥的序號(hào)，為以后科學(xué)分析、科學(xué)澆灌供應(yīng)依據(jù)。6結(jié)束語(yǔ)由于信號(hào)在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續(xù)的狀況，會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象使信號(hào)扭曲，從而影響信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送，必需采納電阻匹配的方法來(lái)消退反射，雙絞線的特性阻抗一般為110～130Ω，為此本系統(tǒng)在傳輸線末端并接了120Ω的電阻，進(jìn)行阻抗匹配，提高了系統(tǒng)的牢靠性，本系具有統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定、便于維護(hù)、限制精確等特點(diǎn)。附錄—托普物聯(lián)網(wǎng)托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶(hù)需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠(chéng)為傳統(tǒng)行業(yè)供應(yīng)信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品平安溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能限制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延長(zhǎng)，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能限制平臺(tái)。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它依據(jù)各類(lèi)傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能。2、終端模塊：即終端智能限制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程限制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)澆灌、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽(yáng)，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開(kāi)窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類(lèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)限制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長(zhǎng)信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)。可以通過(guò)聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品平安溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植打算階段、種植和培育階段、生