南疆棉田節水灌溉智能控制系統的研究與設計

花元濤，陳紀龍，喻彩麗，王興鵬

(1.塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

新疆地區豐富的光照資源為當地棉花的高產、優質提供了有利的天然條件，已發展成為我國最大的優質棉生產基地[1]。據中國棉花信息網2014年統計，南疆四地州(地方)共種植棉花67余萬hm2總產量高達100多萬t。南疆棉田一般選擇滴灌模式進行節水灌溉，但南疆水資源，尤其灌溉可用水相當緊缺，因此合理、精準的灌溉，是新疆棉花增質、增產、降低水資源浪費的基本保證[2-4]。加之南疆棉花種植范圍廣、監測點分散，人力控制麻煩[5]。因此研制一種易于操作、自動化程度高、性能可靠、精度高、適合我國國情的節水灌溉智能控制系統，將是現代化農業發展的必然趨勢[6,7]。

本系統是以新疆阿拉爾市第一師十團試驗園區研究設計的，該試驗園占地7 hm2左右。全年平均氣溫10 ℃，降水量僅為50～70 mm，全年蒸發量1 400～1 700 mm，土壤質地為沙壤土，透氣性良好，土壤密度為1.34 g/cm3，田間持水率為25%，地下水埋深在3 m以下。

1 系統總體結構

根據灌溉需求與園區環境特點，該灌溉系統總體設計如上圖1系統結構框圖所示。自動控制程序被寫進工控機，不僅可以實現讀取灌溉設備開關量狀態、流量計、傳感器示數等，還可以實現對電磁閥、變頻器等設備的開閉控制，并將該控制命令寫進數據庫，由控制程序實時檢測數據庫中沒有被執行的命令，根據需求執行相應操作。本系統上位機人機界面設計簡單明了，易學易用，農戶可以通過界面實時對灌溉相關信息進行監控、查詢與下發控制指令，非常適用農戶需求。

圖1 系統結構框圖

工程、市政人員與一般用戶還可以通過服務器進行遠程操作，但不同的角色被賦予不同的操作權限。另外該系統還采用了變頻技術，利用變頻器與工控機相結合來調節水泵的轉速，以此實現恒壓灌溉的目的。

2 系統硬件設計

本系統的硬件分別由監控系統通過RS-485、以太網、ZigBee等有線、無線通信方式對灌溉系統進行實時監測、數據采集、控制，來實現節水智能灌溉的。系統采用了兩種通信方式——無線與有線通信，兩類通信方式各利弊，一般在實際應用中根據需求將兩類通信方式結合考慮更為適宜[8]。田中流量計、分井電磁閥分別是通過RS-485通信、以太網通信有線通信方式，主井電磁閥、土壤溫濕度傳感器、壓力傳感器則分別通過ZigBee無線通信方式，來實現與觸摸屏工控機進行通訊。壓力傳感器選擇的是20886P5E22CM4，不帶顯示、4～20 ma輸出模擬量、DC24V兩線制、最大量程為0～2.5 MPa、精度0.5%；土壤溫濕度傳感器選擇的JZH-0系列無線傳感器，通信距離≥800 m、測量精度：土壤溫度：±0.5 ℃、土壤水分：±3%；采集模塊為ADAM-6066 ，其具有六路數字量輸出、支持標準的通信需求Modbus協議、具有主機待機功能合看門狗定時器；變頻器為CV3100-4T0110M/4T0150FP，INPUT：AC、3PH、380 V、50/60 Hz，OUTPUT：3PH、0～380 V、0～400 Hz；電機、網管、電磁閥、流量計選擇的型號分別是Y160L-2、KL-H1100、DN80、AMF等；硬件選型完全滿足灌溉的需求。系統主要硬件選型清單如表1所示，系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

硬件名稱型號變頻器CV3100-4T0110M/4T0150FP流量計AMF工控機PPC-3120采集模塊ADAM-6066電磁閥DN80鑄鐵壓力傳感器20886P5E22CM4土壤溫濕度傳感器JZH-0系列網關KL-H1100電機Y160L-2

2.1 恒壓供水硬件實現[9,10]

本灌溉系統采用了恒壓變頻灌溉技術，系統將事先設定好的上、下限壓力作為基準值，壓力傳感器實時監測管網壓力反饋到變頻器，將監測到的壓力值與預先設定好的基準值經PID進行比較運算，當管網壓力超過設定的壓力上限值時，變頻器將會調節其輸出電壓與頻率的大小，降低水泵電機的轉速，減小抽水速度，從而使管網壓力值減小；當管網壓力值降低到預先設定的壓力下限值時，變頻器使輸出頻率增大，提高電機轉速，增大抽水速度，使得管網壓力增大，最終實現恒壓灌溉。從而避免了管網壓力不穩定，灌溉精度不高的問題。

本系統選擇的變頻器為深圳易驅電氣有限公司生產的CV3100系列變頻器，具有先進的矢量控制算法，內置PID調節器和標準的RS-485通訊接口，可以實現對旋轉中電機無沖擊平滑啟動的功能。壓力傳感器的正極性端接到變頻器+24 V端子上，另一端子接到AI2端子上，AI2端可以選擇電壓或者電流信號輸入，由控制板上的三檔二位開關JP1的位置切換，由于壓力傳感20886P5E22CM4的輸出的為4～20 ma電流模擬信號，JP1上端兩個端子為電流信號輸出，下端兩個端子為電壓信號輸出，所以將跳線接到JP1上端的兩個端子上。恒壓供水電氣控制圖、實物圖、變頻器端子接線圖分別如圖3-5所示。

圖3 恒壓供水電氣控制圖

圖4 變頻器端子接線圖

圖5 恒壓供水電氣控制實物圖

2.2 土壤墑情采集整體架構設計

土壤溫濕度的是影響作物生長、發育的關鍵因素，因此將土壤溫濕度控制在最佳的作物生長范圍內將顯得尤為重要[11,12]，從而可以避免灌水過少或過多致使農作物減產、減質以及水資源浪費的問題。土壤墑情采集部分的溫濕度傳感器采用的是JZH-0系列的溫濕度傳感器，其具有更高的測量準確度、組網能力強、采集儲輸一體化等功能；無線采集模塊選擇的是JZH-3系列無線模塊，它具有采用主從方式數據通訊、符合2.4 G ZigBee協議、多路多種信號輸入等功能。選用的網關是北京昆侖海岸傳感技術有限公司自主研發的KL-H1100。

本系統土壤墑情采集部分的設計思路是傳輸層與感知層之間以ZigBee無線通信方式進行數據傳送，應用層與傳輸層利用以太網有線通信方式進行數據傳輸，無線傳感器部分作為感知層，應用層與傳輸層分別由上位機和網關充當。在灌溉時，工控機監控系統根據土壤溫濕度傳感器所感知的實時數據進行分析、處理，并按著需求下達灌溉指令，使土壤溫濕度保持在棉花適宜生長的范圍內。其數據采集系統整體架構如圖6所示。

圖6 數據采集模塊整體架構

3 系統軟件設計

一個完整的系統，不僅要有硬件結構作為支撐，軟件部分設計也非常關鍵。該系統軟件采用java語言編程人機界面，MYSQL數據庫存儲灌溉數據，開發設計了認證子系統、接口子系統、控制子系統、專家子系統、分析和展示子系統。其中認證子系統主要用于對系統用戶進行認證，通過認證的用戶及其應用系統可以向平臺提交數據，使用平臺功能，其包括用戶管理和用戶認證；數據接口子系統用于定義統一的數據接口標準，在經過認證的前提下，可對提交數據進行記錄，為數據中心系統提供基礎數據支持；控制子系統控制系統集成管理主流設備和協議，是一個開放性的系統，可以通過二次開發，對系統添加設備和協議，使其能夠適應更多的設備；專家子系統主要包括作物設置模塊、智能策略模塊、知識庫模塊。用戶使用人機接口，通過作物設置模塊向系統提交灌溉方式、大田信息等數據，專家子系統根據用戶輸入、選擇的數據，在知識庫中進行綜合條件查詢，并智能生成灌溉策略；分析和展示子系統主要是為了采集數據并記錄數據，目的是為了分析數據，得出結論，為農業的科學生產提供理論和實踐相結合的指導依據。其上位機人機界面管理平臺功能結構如圖7所示。

圖7 上位機人機界面管理平臺功能結構圖

系統管理平臺定義統一的數據和接口規范，經過認證的應用可以通過接口子系統向系統提交大田灌溉數據，系統進行數據采集記錄、數據分析和數據展示。借助底層應用，系統可通過土壤墑情采集設備定時獲取土壤墑情數據，根據墑情信息和作物信息進行科學合理的灌溉。系統還可以通過讀取水表讀數，記錄應用示范點實際灌溉用水情況。其上位機人機界面如圖8所示。

圖8 上位機人機界面

3.1 系統自動灌溉控制原理

系統設定了自動灌溉、定時灌溉和手動灌溉3種灌溉模式。其中手動灌溉方式最為粗糙，是在人工干預的情況下進行灌溉的；定時灌溉方式是根據作物不同生長時期的需水量、灌水速度、田塊大小，通過合理的計算來確定灌溉時間，當需要灌溉時，工控機將下發灌溉命令，當灌溉結束時由工控機下發停止命令結束灌溉；自動灌溉模式是根據灌水時間T及棉田土壤濕度墑情情況為依據，首先設定棉田土壤濕度下限值，如果土壤濕度低于下限值時由工控機下發電磁閥開啟命令開始灌溉，當灌溉達到需求后再由工控機下發電磁閥關閉命令停止灌溉，克服了以往灌溉基本靠經驗的模式，達到了節能、節水、自動灌溉的目的。其自動灌溉流程如圖9所示。

圖9 自動灌溉流程圖

3.2 節水灌溉的主程序設計

系統通過上位機控制變頻器、電磁閥等器件開閉，讀取流量計、溫濕度傳感器等信號信息。通信與控制均采用ModBus-RTU協議。上位機運行時首先對數據庫中所有設備信息進行讀取，將設備依照串口信息與田塊信息進行分類，打開相應的串口，并對串口下的所有設備初始化。打開相應串口線程后，兩個定時器被打開，用以生成查詢與控制指令，并將指令加入相應的串口線程隊列中，系統主進程流程圖如圖10所示。

圖10 系統主進程流程

3.3 設備查詢指令執行子程序

上位機通過串口向下位機發送查詢命令，創建生命周期為T的監聽，若在時間周期T內收到數據，則對數據進行相應的處理，并把本條命令對應未收到命令的次數清零，如果在T時間內未收到回復，則結束監聽，將該條查詢命令對應的未收到命令次數進行加一。然后判斷未收到命令次數是否等于三，如果判斷為真時將設備報警信息更新到數據庫，若判斷為假則結束，串口設備流程如圖11所示。

圖11 串口設備流程圖

3.4 串口控制子模塊設計

打開串口線程后，分別創建查詢與控制兩個隊列，并將控制隊列優先級設為高，每次打開串口線程后將進入循環，然后再判斷控制隊列是否為空，如果不為空時則執行隊列中的控制命令，若控制隊列為空時則進行判斷查詢隊列是否為空，若該隊列不為空時則執行查詢隊列里的相應命令。若查詢隊列為空繼續循環，查詢控制隊列，串口設備流程如圖12所示。

圖12 串口設備流程圖

4 系統測試

經過反復的測試和bug修復，目前大田節水灌溉智能管理

系統平臺已具有較高的穩定性，網絡正常情況下，系統訪問速度較快，運行良好，控制部分控制靈敏，操作簡單。

系統設計以用戶為出發點，界面效果較好，美觀性較強，各功能模塊操作流程設計符合邏輯，且操作簡單，不管是在視覺上，還是操作上，都能夠讓用戶擁有一種操作便捷的體驗。

5 結 論

本系統管路首部基礎實施得到提高，增加了水壓監測和變頻器等設備，更進一步地保證了園區灌溉的科學性和合理性，提高灌溉的精度、水資源得到了高效利用、能效顯著；克服了園區在大田灌溉方面主要依照人工操作灌溉方式，采用智能、遠程化管理灌溉，灌溉設施自動化程度得到提高，降低了勞動成本；改變了以往注水量基本靠經驗的方法，利用土壤溫濕度等進行實時在線監測，結合農作物生長特點，精準把握灌溉時間和灌溉量，實現灌溉策略科學化。

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