《水利信息化技術(shù)》課件-第九章 農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用案例

水利信息化技術(shù)第九章

農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用案例9.1農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用解決水資源危機的出路：一是開源，二是節(jié)流，就我國的發(fā)展階段和水平而言，節(jié)流是首要途徑。農(nóng)業(yè)用水約占全國用水總量的62%，部分地區(qū)高達90%以上，農(nóng)業(yè)為我國第一用水大戶，所以大力發(fā)展農(nóng)業(yè)智能高效節(jié)水灌溉，自然就成為我國緩解水資源供需矛盾的必然選擇。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的高速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整等因素，節(jié)水灌溉自動化的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。從長遠利益考慮，新的智能化技術(shù)、傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入、應(yīng)用和普及，將會有智能化程度更高、功能更強、性能更趨于穩(wěn)定和可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。案例導入農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用我國是個農(nóng)業(yè)大國，同時也意味著是用水大國，中國水資源極為短缺，水資源危機已成為制約經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要的因素。農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時，農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象卻非常嚴重。主要表現(xiàn)在：一是水的利用率低，我國灌溉系統(tǒng)對水資源的利用率目前只能達到0.3～0.4,而發(fā)達國家可達到0.8以上；二是農(nóng)業(yè)水生產(chǎn)率低，灌溉農(nóng)業(yè)糧食作物的水生產(chǎn)率不足1kg/m3,旱地農(nóng)業(yè)面積占60%左右，降水的生產(chǎn)率只有0.3～0.4kg/m3。一、我國農(nóng)業(yè)用水表現(xiàn)農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用智能節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律而進行的適時灌溉，利用盡可能少的水取得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式。節(jié)水灌溉技術(shù)能大幅提高水資源的利用率，在水資源不變的情況下提高作物產(chǎn)量，能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。二、智能節(jié)水灌溉的定義農(nóng)田智能灌溉信息化系統(tǒng)應(yīng)用國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面還處于研制、試用階段，真正能投入實際應(yīng)用且應(yīng)用較廣的灌溉控制器還是很少的。在開發(fā)的產(chǎn)品中有著代表性的如中國農(nóng)業(yè)機械化研究院聯(lián)合多家單位研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)。國外一些先進國家，如美國、以色列和加拿大等，運用先進的電子技術(shù)、計算機和控制技術(shù)，在節(jié)水灌溉方面起步較早，并已經(jīng)日趨成熟。三、國內(nèi)外研究狀況節(jié)水灌溉技術(shù)能大幅提高水資源的利用率，在水資源不變的情況下提高作物產(chǎn)量，能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。課程小結(jié)什么是智能節(jié)水灌溉技術(shù)？思考題?9.2智慧灌溉信息感知系統(tǒng)設(shè)計本案例的智慧灌溉信息感知系統(tǒng)的模型框架圖如圖所示，主要包括主控制臺、無線土壤水分傳感器節(jié)點、土壤情況及氣象監(jiān)測站、灌溉設(shè)備與管道等。案例導入相關(guān)傳感器元器件選取本設(shè)計中主控制器選擇意法半導體公司的STM32F103RCT6芯片，該芯片內(nèi)部有基于ARM32位Cortex-M3的CPU,內(nèi)核頻率高達72MHz,外設(shè)有CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等中串口輸出方式，且外設(shè)有12通道DMA,3個12位AD,11路Timer,51個I/O口，256KB的程序存儲器容量，48KB的SRAM。該芯片相比于單片機資源更加豐富，性能更加穩(wěn)定，且成本較低。（一）主控制器相關(guān)傳感器元器件選取該項目采用了大連哲勤科技的MS-10土壤溫濕度傳感器，其可應(yīng)用于多種土壤環(huán)境，檢測速度快，性能穩(wěn)定，其主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。（二）土壤溫濕度傳感器相關(guān)傳感器元器件選取表1

MS-10參數(shù)參數(shù)類型產(chǎn)品參數(shù)信號輸出類型電壓輸出0～2V,輸出阻抗<1kQ電源范圍5～30VDC最大功耗40mA@24VDC測量參數(shù)土壤容積含水率土壤水分測量區(qū)域以中央探針為中心，直徑為20cm、高為17cm的圓柱體相應(yīng)時間小于1s土壤水分測量量程0～100%容積含水率土壤水分測量精度0～53%范圍內(nèi)為±3%;53%～100%范圍內(nèi)為±5%土壤溫度測量量程-40～80℃土壤溫度測量精度±0.5℃防護等級IP68運行環(huán)境-40～85℃存儲環(huán)境-40～85℃探針材料食品級不銹鋼密封材料黑色阻燃環(huán)氧樹脂安裝方式全部埋入或探針全部插入被測介質(zhì)相關(guān)傳感器元器件選取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器參數(shù)見表2所示。（三）DHT11數(shù)字溫濕度傳感器表2

DHT11參數(shù)參數(shù)類型產(chǎn)品參數(shù)信號輸出類型單總線數(shù)字信號電源范圍3.3～5.5VDC水分測量范圍20%～90%RH土壤水分測量精度±5%RH土壤溫度測量量程0～50℃土壤溫度測量精度±2℃分辨率濕度1%RH,溫度1℃長期穩(wěn)定性<±1%RH/年互換性可完全互換相關(guān)傳感器元器件選取繼電器是一種電子控制元件，它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計采用了一個220V、10A的繼電器模塊，用于單片機對水泵的控制。（四）繼電器模塊相關(guān)傳感器元器件選取Wi-Fi模塊主要用于數(shù)據(jù)的無線傳輸以及遠程控制，對后期的大數(shù)據(jù)平臺的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸也起到非常重要的作用。（五）ESP8266串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊本設(shè)計能在農(nóng)田、溫棚、園林、人工草地等處實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水智能灌溉。采用STM32單片機為核心控制單元，通過太陽能電池板收集電能，提供給主控制器。以分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集空氣、土壤、水的溫度信號，采集到的電平信號通過單片機的AD模塊采樣并轉(zhuǎn)換成單片機能識別的信號后，再由Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點送入核心控制單元，核心控制單元通過適當?shù)乃惴▽π盘栠M行處理后，實時對噴灌設(shè)備進行控制，調(diào)整噴灌時間、噴灌水量及溫度上下限報警，以達到節(jié)水節(jié)能的目的。主要設(shè)計流程主要設(shè)計流程本設(shè)計使節(jié)能與智能化結(jié)合，應(yīng)用與實際情況相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)區(qū)、人工草地、園林等地的智能化節(jié)能化灌溉。對于一些特殊場合，如稻田等對水量需求較大的場合，我們采用攝像頭監(jiān)測水位的變化，根據(jù)水位的高低進行適當?shù)乃垦a給。監(jiān)測系統(tǒng)也可通過外部Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)設(shè)置遠程控制服務(wù)器，主要完成Web服務(wù)器功能，同時用于環(huán)境數(shù)據(jù)的承載，用戶終端通過Web登錄遠程控制服務(wù)器以實現(xiàn)對智能灌溉系統(tǒng)的遠程信息監(jiān)測和控制。主要設(shè)計流程優(yōu)點本講以實際案例講解了智慧灌溉信息感知系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括主控制臺、無線土壤水分傳感器節(jié)點、土壤情況及氣象監(jiān)測站、灌溉設(shè)備與管道等,在農(nóng)田、溫棚、園林、人工草地等處可實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水智能灌溉。課程小結(jié)請同學們設(shè)計一個簡單的田間灌溉信息感知系統(tǒng)的模型框架圖。思考題?9.3水情自動測報系統(tǒng)的通信方式水情自動測報系統(tǒng)是集通信、遙測和計算機等先進技術(shù)于一體，用來實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理和預(yù)報的現(xiàn)代化自動實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。案例導入常用通信方式短波是指波長在10～100m,頻率在3～30MHz的無線電波。（一）短波通信通過電離層反射的天波傳播模式，水情自動測報系統(tǒng)一般位于多山或需要長距離通信的地區(qū)，一般選擇天波模式。1沿地面?zhèn)鞑サ牡夭Ｊ?，地波信號隨著傳輸距離增長衰減很快，只適合通信距離短、中間障礙物少的地形。2分類：超短波是指波長在1～10m,頻率在30～300MHz的無線電波。超短波通信方式是在水情自動測報系統(tǒng)中運用最為廣泛的一種通信方式，技術(shù)成熟、故障處理簡單、運行成本低。全國有90%以上的水情自動測報系統(tǒng)采用超短波方式,適用于流域面積不大、流域地形較好的地區(qū)。（二）超短波通信常用通信方式目前采用有線通信方式組網(wǎng)的水情自動測報系統(tǒng)，基本上是利用電信部門提供的公用電話網(wǎng)(PSTN)。例如：三峽水利樞紐水情自動測報共81個遙測站，其中56個遙測站選用PSTN作為系統(tǒng)主要通信方式，實現(xiàn)PSTN/Inmarsat雙信道。平時正常工作采用PSTN方式傳輸數(shù)據(jù)，在PSTN無法傳遞數(shù)據(jù)時，測站自動啟動海事衛(wèi)星(Inmarsat)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。（三）有線通信常用通信方式衛(wèi)星通信是20世紀90年代后期開始廣泛使用在水情自動測報系統(tǒng)中的一種通信方式，頻率范圍在300～300GHz。衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地面站之間進行的通信。（四）衛(wèi)星通信常用通信方式1.VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)，是20世紀80年代興起的，我國主要是采用亞洲2號通信衛(wèi)星收集水情信息。在我國使用得并不多。分類：常用通信方式分類：2.Inmarsat系統(tǒng)，也叫海事衛(wèi)星，屬于全球性系統(tǒng)，建設(shè)初期主要服務(wù)目的是海事遇難救險。隨著Inmarsat—C投入使用后，水利部門也開始逐步采用該衛(wèi)星提供的服務(wù)。Inmarsat—C系統(tǒng)由4顆工作衛(wèi)星和7顆備用衛(wèi)星組成，可靠性非常高。目前許多已建的或?qū)⒔ǖ南到y(tǒng)基本上都采用Inmarsat—C衛(wèi)星。3.我國自行研制的北斗通信衛(wèi)星，是我國自行研制、自主經(jīng)營、專為我國服務(wù)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由2顆工作衛(wèi)星和1顆備用衛(wèi)星組成，屬于區(qū)域性系統(tǒng)，2002年1月開始運行。1.短信息方式(SMS)短信息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)為用戶提供的一種使用手機或GSM模塊接收和發(fā)送文本消息的服務(wù)。每條短信息最多包含160字母或70個漢字。（五）移動通信常用通信方式2.GPRS方式GPRS是GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中以分組技術(shù)為基礎(chǔ)的傳輸系統(tǒng)，它能為用戶提供高達160kbit/s的數(shù)據(jù)速率，目前基于GPRS的水情自動測報系統(tǒng)并不多，但是應(yīng)用前景比較好。國家地下水監(jiān)測工程(水利部分)數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL651-2014)。報文基本單元為字節(jié)，每個字節(jié)包括1個起始位“0”、一個停止位“1”和8個數(shù)據(jù)位，無校驗。地下水監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議應(yīng)采用表1規(guī)定的報文幀結(jié)構(gòu)，傳輸順序為高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后。（一）傳輸規(guī)約地下水監(jiān)測工程數(shù)據(jù)通信報文規(guī)定表1

地下水監(jiān)測站上行報文幀結(jié)構(gòu)序號名稱編碼說明1報頭幀起始符7E7EH

2

中心站地址范圍為1～255。指以省(或流域機構(gòu))為單元，為縣、市級以上分中心分配的中心站地址

3

遙測站地址遙測站地址編碼由5字節(jié)BCD碼構(gòu)成，首字節(jié)為00,后4字節(jié)編碼方式按照SL502-2010執(zhí)行。遙測站地址編制部門應(yīng)保證遙測站地址的唯一性

4

密碼密碼為2字節(jié)HEX碼，由中心站生成。遙測終端應(yīng)設(shè)定初始密碼，入網(wǎng)后應(yīng)及時更改

5

功能碼按報文功能選擇功能碼，詳見SL651-2014附錄B《表B.1功能碼定義》6

報頭

報文上下行標識及長度用2字節(jié)HEX編碼。高4位用作上下行標識(0000表示上行，1000表示下行);其余12位表示報文正文長度，表示報文起始符之后、報文結(jié)束符之前的報文字節(jié)數(shù)，允許長度為0001～40957

報文起始符STX(02H)/SYN(16H)8

包總數(shù)及序列號報文起始符為SYN時編入該組，其他情況下省略9報文正文

10報文結(jié)束符ETB(17H)/ETX(03H)11

校驗碼校驗碼前所有字節(jié)的CRC校驗，生成多項式：X16+X15+X2+1,高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后地下水監(jiān)測通信報文，分別有以下三類：（二）通信報文地下水監(jiān)測工程數(shù)據(jù)通信報文規(guī)定1.自報報文：地下水監(jiān)測采用自報式工作方式，每日6次采集1次報送方式，采集時間確定為12:00、16:00、20:00、00:00、4:00、8:00,報送數(shù)據(jù)時間為每天8:00。2.遠程數(shù)據(jù)下載報文(中心站查詢遙測站時段數(shù)據(jù)，為雙向報文):當中心站收到某個測站時段自報數(shù)據(jù)時，若中心站需查詢該站某時段數(shù)據(jù)，則中心站立即下發(fā)數(shù)據(jù)下載命令報文，監(jiān)測站收到該命令報文后，實時根據(jù)命令要求上傳相關(guān)時段數(shù)據(jù).上行幀報文結(jié)束符為ETB/ETX;下行幀為ENQ/EOT。3.實時數(shù)據(jù)查詢報文(中心站查詢監(jiān)測站實時數(shù)據(jù)，為雙向報文):地下水監(jiān)測站檢測時應(yīng)保持在線，中心站按需下發(fā)實時數(shù)據(jù)查詢命令，監(jiān)測站收到該命令報文后，同時上報埋深、水溫和監(jiān)測站電源電壓(工作狀態(tài)信息)實時數(shù)據(jù)。（三）備用信道地下水監(jiān)測工程數(shù)據(jù)通信報文規(guī)定公網(wǎng)短信信道(GSM-SMSCDMA-SMS)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)腍EX/BCD編碼的字節(jié)長度限定小于70個字節(jié)。1沿北斗衛(wèi)星信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)長度限定小于98字節(jié)/4G卡、76字節(jié)/3G卡和45字節(jié)/普卡；并且，發(fā)送頻次限定為1次/分鐘2水情自動測報系統(tǒng)可用的通信方式較多，每一種通信方式各有其優(yōu)缺點，在工程實際運用時，應(yīng)充分利用各通信方式的優(yōu)勢，揚長避短。對于中小型系統(tǒng)，可根據(jù)流域特點、地形條件，對上述各種通信方式進行綜合比較后選擇確定。課程小結(jié)自報報文的采集時間為12:00、16:00、20:00、00:00、4:00、8:00,報送數(shù)據(jù)時間為每天（）。A.12:00B.16:00C.20:00D.8:00答案：D思考題?9.4農(nóng)田智能灌溉可視化系統(tǒng)設(shè)計可視化(Visualization)就是利用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。案例導入農(nóng)田智能灌溉可視化系統(tǒng)設(shè)計在最近的這些年里，計算機圖形學的發(fā)展讓三維表現(xiàn)技術(shù)得以形成，這些三維表現(xiàn)技術(shù)使我們能夠再現(xiàn)三維世界中的物體，能夠用三維形體來表示復雜的信息，這種技術(shù)就是可視化技術(shù)。目前正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是以圖形圖像的可視化技術(shù)為依托的。一、可視化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域可視化技術(shù)多應(yīng)用于計算機科學中，并且在計算機科學領(lǐng)域形成了一個重要的分支——科學計算可視化。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將一種復雜和抽象的數(shù)據(jù)以非量化的、直觀的形式呈現(xiàn)給用戶，使用戶以最自然的方式實現(xiàn)與用戶的交互技術(shù)，復雜場景的可視化仿真是虛擬現(xiàn)實的重要領(lǐng)域，其目的在于場景的實時生成并顯示。可視化仿真系統(tǒng)，交互形式豐富、具有仿真效果好、開發(fā)流程快、用戶真實感強易于掌握等優(yōu)點。在場站設(shè)計、官網(wǎng)改造、教育培訓、宣傳展示等時機應(yīng)用中發(fā)揮著顯著作用。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR技術(shù)）農(nóng)田智能灌溉可視化系統(tǒng)設(shè)計可視化編程即可視化程序設(shè)計：以“所見即所得”的編程思想為原則，力圖實現(xiàn)編程工作的可視化，即隨時可以看到結(jié)果，程序與結(jié)果的調(diào)整同步?？梢暬幊陶Z言