一種智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

劉政權(quán)

摘要：智能灌溉控制系統(tǒng)是集自動(dòng)控制技術(shù)傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體的灌溉管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向農(nóng)田，園林，設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的日常灌溉控制和管理而設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段，達(dá)到降低人力成本，提高自動(dòng)化生產(chǎn)效率，節(jié)約水資源的目的。智能自動(dòng)化控制灌溉能夠提高灌溉管理水平，改變?nèi)藶椴僮鞯碾S意性，同時(shí)智能控制灌溉能夠減少灌溉用工，降低管理成本，顯著提高效益。本系統(tǒng)通過運(yùn)用反饋控制進(jìn)行調(diào)控，即收集農(nóng)田溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，然后通過執(zhí)行器控制灌溉噴頭閥門以及轉(zhuǎn)速以達(dá)到所需目的。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè);灌溉系統(tǒng);反饋控制

引言

世界上每年都會(huì)因?yàn)楣喔仍斐伤Y源大量浪費(fèi)，比如美國(guó)每年浪費(fèi)掉的水資源高達(dá)8，520億升，而若安裝一種智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)則可有效地控制水流量，達(dá)到節(jié)水目的。在中國(guó)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)灌溉用水的問題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生了。

1、?智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)工作原理

灌溉系統(tǒng)工作時(shí)，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號(hào)，檢測(cè)到的濕度信號(hào)通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)的電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號(hào)，輸入到可編程控制器。可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)濕度值，實(shí)際測(cè)得的濕度信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)值比較，可以分為：在這個(gè)范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，小于這個(gè)范圍三種情況。

可編程控制器將控制信號(hào)傳給變頻器，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從水源抽水，需要灌溉時(shí)，電磁閥就自動(dòng)開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉(zhuǎn)角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時(shí)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。為了避免離水源遠(yuǎn)的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側(cè)安裝一塊壓力表，保證個(gè)噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程，避免發(fā)生因?yàn)樗畨翰蛔悖瑖婎^射程減少的現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)草坪灌溉的智能控制。

原理如圖：

1.1?設(shè)備說明與選取

①可編程控制器：負(fù)責(zé)發(fā)出和接收各種運(yùn)行程序指令，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞部分。

②傳感器：土壤溫度與含水傳感器。大棚土壤內(nèi)部買入熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的測(cè)量;利用土壤溫度通過熱土壤介電常數(shù)測(cè)量土壤含水率。根據(jù)上述傳感器測(cè)得土壤參數(shù)數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)土壤缺水，系統(tǒng)控制噴灌裝置進(jìn)行噴灑作業(yè)。

③A/D模塊：因?yàn)榭删幊炭刂破鞑荒芙邮漳M信號(hào)，所以需將傳感器的電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

④變頻器：通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量，達(dá)到節(jié)水的目的。

⑤電動(dòng)機(jī)、水泵：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從水源抽水，為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。

⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。

⑦噴頭：實(shí)現(xiàn)均勻噴灑，便于充分吸收。

⑧管網(wǎng)：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。

2?系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

2.1系統(tǒng)自動(dòng)控制功能介紹

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖所示：

閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，把被控量如土壤溫度、濕度等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再反饋到控制器中，控制器將此測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律（如PID控制規(guī)律）產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對(duì)象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號(hào)傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)把控制器用控制計(jì)算機(jī)即微型計(jì)算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計(jì)算機(jī)采用的是數(shù)字信號(hào)傳遞，而一次儀表多采用模擬信號(hào)傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模?擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號(hào)，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號(hào)。

3?總結(jié)

在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動(dòng)化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理。采用傳感器來監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。

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