基于GPRS技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

周志遙

（湖南省桂陽縣農(nóng)業(yè)局，湖南 桂陽 424400）

我國多數(shù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，在農(nóng)業(yè)灌溉方面缺乏節(jié)水意識，農(nóng)田用水時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)有無序無介質(zhì)灌溉情況。當(dāng)前農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)必須要做好對有限水資源的高效、合理、科學(xué)利用。大量實(shí)踐研究表明，在農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠使農(nóng)田灌溉用水利用效率有明顯提高，減少水資源的浪費(fèi)，同時(shí)還能結(jié)合農(nóng)田用水實(shí)際需求，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪驼{(diào)節(jié)，使農(nóng)作物有良好生長環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。架設(shè)通信專線等方式雖然在技術(shù)層面可行，但是需要較高成本，投資大。GPRS技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)無人化調(diào)控管理，具有十分廣闊的發(fā)展前景，本文就此展開了研究分析。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前市場上所應(yīng)用的節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，自動控制功能的實(shí)現(xiàn)需要布線，信號傳輸以及控制質(zhì)量受到距離等因素影響，實(shí)際應(yīng)用效果不是十分理想。以GPRS技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要設(shè)備組成包含有主計(jì)算機(jī)、氣象觀測站、電磁閥、傳感器以及GPRS采集控制終端等。結(jié)合有傳感器技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)、無線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，利用計(jì)算機(jī)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對供水量、土壤水分、溫度、氣溫、農(nóng)作物生長狀況等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)采集、分析和遙控。農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還能夠在線采集節(jié)水灌溉、土壤特性分析、農(nóng)作物生理等方面信息，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水理論的高效發(fā)展進(jìn)步。

整個控制系統(tǒng)包含時(shí)間、水量和灌溉深度3個方面參數(shù)指標(biāo)，在管網(wǎng)布設(shè)方面，需要綜合交通運(yùn)輸、地形、水源等方面分析考慮，總干管網(wǎng)順主干道布設(shè)，支管選擇雙向控制模式，支管網(wǎng)控制面積需要與灌溉區(qū)域?qū)嶋H情況相結(jié)合，保證劃分的均勻性，實(shí)現(xiàn)對水資源的高效合理配置。管道的埋設(shè)深度控制在60～70cm，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，主干管道盡量選擇UPVC管道，支管選擇PVC管道。

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面劃分，GPRS農(nóng)田自動化灌溉系統(tǒng)可分3個不同層次：第1層是由電腦和以太網(wǎng)組成的控制中心，控制中心主要是進(jìn)行灌溉參數(shù)方面設(shè)置，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)灌溉方面情況并儲存在計(jì)算機(jī)中，通過圖表與數(shù)據(jù)等形式顯示，聯(lián)網(wǎng)獲取當(dāng)?shù)靥鞖庑畔ⅲ悄芄喔取RS中心連接的建立可選擇固定IP地址和動態(tài)IP地址2種不同方式，其中固定IP地址方式在實(shí)際應(yīng)用中增加監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量時(shí)不需要對中心控制站擴(kuò)容，能夠滿足200個左右監(jiān)控點(diǎn)需要，動態(tài)IP地址方式在實(shí)際應(yīng)用中增加監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量同樣不需要對控制中心擴(kuò)張，能夠滿足幾十個監(jiān)控點(diǎn)需要；第2層布置有GPRS采集控制終端，能夠與PLC、傳感器等相關(guān)設(shè)備通過用戶數(shù)據(jù)接口相連接，用戶接口方式有RS485及RS232等，以此建立通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠及時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)；第3層主要為傳感器和電磁閥，傳感器在采集到數(shù)據(jù)后通過GPRS無線傳輸發(fā)送至第3層，傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和處理后，能夠結(jié)合具體作物需要合理確定灌溉量，與中央管理計(jì)算機(jī)指令相結(jié)合，對信號輸出進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動化灌溉。GPRS無線采集控制器與控制中心之間的連接不需要通過電纜，電磁閥及傳感器只需要一條電纜就可以實(shí)現(xiàn)與GPRS無線采集控制器的高效連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)選擇“四遙”組態(tài)軟件，該軟件在我國供電、煤氣、環(huán)保等方面有非常廣泛的應(yīng)用，有著非常好的數(shù)據(jù)采集以及處理等功能，方便用戶的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)對各類應(yīng)急情況的有效處理。

2.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要是實(shí)現(xiàn)對設(shè)備、平臺以及運(yùn)行維護(hù)方面管理，具有非常重要作用，包含有較多功能子模塊，比如說網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫管理等。

2.2 調(diào)度控制及管理

調(diào)度控制和管理屬于系統(tǒng)控制命令輸送主要通道，有著調(diào)度和管理方面作用，能夠使操作員調(diào)度意圖以及控制原則更好的實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)自動調(diào)度過程中，還支持操作人員的人工干預(yù)。整個系統(tǒng)的自動控制包含有現(xiàn)地子站和遠(yuǎn)程監(jiān)控主站等，其中遠(yuǎn)程監(jiān)控主站遠(yuǎn)程傳輸主要利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，與田間灌溉網(wǎng)電磁閥相結(jié)合，能夠自動化控制灌溉管網(wǎng)的開度和角度。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，基站之間的距離需要控制在1000m以內(nèi)，結(jié)合農(nóng)作物生長參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控主站對采集的信息數(shù)據(jù)自動分析，制定農(nóng)作物需水量方面控制策略，經(jīng)過編碼、調(diào)制和放大處理后通過基站發(fā)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.3 系統(tǒng)通信

系統(tǒng)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與對外信息交互，不僅有信息交互和通信聯(lián)絡(luò)方面功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的篩選、過濾和分類處理，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，將系統(tǒng)劃分為不同輸出類型。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)水平直接關(guān)系到節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，在傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)過程中，需要對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控范圍和投資成本進(jìn)行充分全面分析考慮。

2.4 顯示屏控制和管理

顯示控制和管理主要包含有工況顯示和視頻圖像顯示方面功能，本系統(tǒng)所選擇的“四遙”組態(tài)軟件在實(shí)際應(yīng)用中有具有非常好的人機(jī)接口畫面，能夠?qū)崟r(shí)顯示圖形，使運(yùn)行人員對各現(xiàn)場終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有全面了解把握。另外，監(jiān)控系統(tǒng)還可以根據(jù)人員的具體職權(quán)，對操作權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)需要改變顯示內(nèi)容和方式，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。接受天線在接收到信號后，利用濾波電路消除噪音，編碼解調(diào)，之后形成對應(yīng)控制信號，控制電磁閥，進(jìn)而控制管網(wǎng)開度和角度，提高農(nóng)田節(jié)水灌溉控制準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對水資源的有效節(jié)約。

2.5 實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)采集

實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)采集同樣屬于一項(xiàng)主要功能模塊，結(jié)合現(xiàn)有的調(diào)度控制目標(biāo)，控制數(shù)據(jù)采集的對象、范圍以及間隔等參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)及時(shí)處理。采集模塊所輸出的數(shù)據(jù)主要有3個方面：實(shí)時(shí)工況信息、工況信息記錄、故障和異常報(bào)警信息。

3 對應(yīng)編程設(shè)計(jì)

選擇西門子PLC（S7-224XP CN），PLC與GPRS之間的通信通過COM1串口實(shí)現(xiàn)，GPRS DTU通電后可自動連接網(wǎng)絡(luò)登陸數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器返回確認(rèn)信號，GPRS DTU再將接收的信號發(fā)送至PLC，PLC接收到指令后表明網(wǎng)絡(luò)成功連接，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信。PLC與現(xiàn)場儀表方面的連接主要通過4～20mA模擬量連接等方式進(jìn)行，流量計(jì)在累積流量和瞬時(shí)流量的采集方面則通過串口通信方式進(jìn)行。

4 用戶平臺管理

整個遠(yuǎn)程監(jiān)控中心有至少1臺存在公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田現(xiàn)場參數(shù)以及土壤參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測管理，通過這種方式，在管理者與生產(chǎn)之間發(fā)揮出紐帶作用，為了更好的方便管理者對生產(chǎn)現(xiàn)場的管理，用戶平臺需要合理設(shè)置友好的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)顯示處理功能。本系統(tǒng)應(yīng)用“四遙”組態(tài)軟件，可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫操作，能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)提供給圖形畫面等形式顯示，同時(shí)還包含土壤溫度、濕度、閥門運(yùn)行狀態(tài)、指示燈方面顯示。

5 結(jié)束語

節(jié)水灌溉智能自動化控制技術(shù)對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有著非常重要的意義和作用。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)步，國民經(jīng)濟(jì)水平有明顯提高，我國在農(nóng)業(yè)方面的投入越來越大，節(jié)水灌溉信息化管理技術(shù)越來越受到農(nóng)業(yè)關(guān)林人員歡迎。基于GPRS技術(shù)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有卓越的操作性能，穩(wěn)定可靠，功耗和成本低，具備有友好的人機(jī)界面，不需要過多布線，能夠有效改善傳統(tǒng)灌溉監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題和不足，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在廣告控制領(lǐng)域的應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)，對于節(jié)水灌溉控制技術(shù)的發(fā)展有著非常重要的價(jià)值和意義。