基于智能控制的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)解決方案.doc

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基于智能控制的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)解決方案 前言 我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏，水旱災(zāi)害頻繁的國家。雖然水資源的總量居世 界第6 位，但是按人均水資源量計(jì)算，人均占有量只有 2500 立方米，約為世界人均水量的 1/4，在世界排 110 位，已被聯(lián)合國列為 13 個(gè)貧水國家之一。另一方面，我國水資源的分布很不平衡。北方有些地區(qū)水資源的占有量僅為 900 立方米，低于國際公認(rèn)的 1000 立方米的水資源下限。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國家埃及和以色列的水平。我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的 80% 左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國范圍而言，水的利用率 僅為 45 % ，而水資源利用率高的國家已達(dá) 70% 一 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。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 高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進(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)測預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng) 態(tài)管理。采用傳感器來監(jiān)測土壤的墑情和農(nóng)作物的生長，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。 高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高 效，僅憑單項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)是不可能解決的。必須將水源開發(fā)、輸配水、灌水技 術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤墑情和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降雨、灌溉 水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。 1、自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)的工作原理 托普物聯(lián)網(wǎng)指出所謂的自動(dòng)化控制灌溉即利用田間布設(shè)的相關(guān)設(shè)備采集或監(jiān)測土壤信息、 田間信息和作物生長信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到首部控制中心，在相應(yīng)系統(tǒng)軟件分析決策下，對(duì)終端發(fā)出相應(yīng)灌溉管理指令。 托普物聯(lián)網(wǎng)研制的農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工作原理為:通過土壤、氣象、作物等類傳感器及監(jiān)測設(shè)備將土壤、作物、氣象狀況等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過墑情信息采集站，傳到計(jì)算機(jī)中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)中的各類軟件將匯集的數(shù)值進(jìn)行分析， 比如將含水量與灌溉飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)比較后確定是否應(yīng)該灌溉或停止灌水， 然后將開啟或關(guān)閉閥門的信號(hào)通過中央控制系統(tǒng)傳輸?shù)介y門控制系統(tǒng)， 再由閥門控制系統(tǒng)實(shí)施某輪灌區(qū)的閥門開啟或關(guān)閉， 以此來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化控制。 與國際水平相比， 我國的農(nóng)業(yè)傳感器生產(chǎn)水平相對(duì)落后， 而土壤水分傳感器生產(chǎn)水平已達(dá)到了國際同類水平。 2、自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)備的組成 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)備主要有中央控制器、田間工作站、RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)、電磁閥及田間信息采集或監(jiān)測設(shè)備 5 個(gè)部分組成。 中央控制器 中央控制器(主站):主要有微機(jī)等設(shè)備及控制系統(tǒng)軟件組成。 微機(jī)設(shè)備與目前辦公設(shè)備類似，由電源控制箱、主控計(jì)算機(jī)、中央控制器和激光打印機(jī)等設(shè)備組成。 控制系統(tǒng)軟件是安裝于微機(jī)設(shè)備上的， 其內(nèi)容有信息采集與處理模塊、 信息數(shù)據(jù)顯示模塊、信息記錄與報(bào)警模塊、閥門狀態(tài)監(jiān)控模塊和首部控制模塊等組成。 現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)測、 控制系統(tǒng)除了具有預(yù)測預(yù)報(bào)等功能外， 還在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)如下功能:過程監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理和過程控制等。并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過程智能決策，達(dá)到完全自動(dòng)控制。 田間工作站(中繼站) 田間工作站的設(shè)計(jì)根據(jù)地形及設(shè)備信號(hào)接收的限制來確定布設(shè)位置及個(gè)數(shù)。 在實(shí)際操作中若地形平坦，無遮擋物，信號(hào)傳輸效果好。則相應(yīng)一個(gè)田間工作站可控制面積較大，反之，則田間工作站布設(shè)較多。 田間工作站是中央控制器與 RTU 或解碼器及田間信息采集監(jiān)測設(shè)備的中轉(zhuǎn)站。采集的信息需要通過中間站輸送到中央控制器， 而中央控制器發(fā)送的指令則需通過田間工作站傳達(dá)到各個(gè) RTU 或解碼器。 RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器) RTU(遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端單位)或解碼器(閥門控制器)是接收由田間工作站傳來的指令并實(shí)施指令的下端。 解碼器(閥門控制器)直接與管網(wǎng)布置的電磁閥相連接，接收到田間工作站的指令后對(duì)電磁閥的開閉進(jìn)行控制，同時(shí)也能夠采集田間信息，并上傳信息至田間工作站。一個(gè)閥門控制器可控制多個(gè)電磁閥。 電磁閥 電磁閥是控制田間灌溉的閥門。 電磁閥由田間節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)輪灌組的劃分來確定安裝位置及個(gè)數(shù)。 墑情信息采集站及田間信息采集、監(jiān)測設(shè)備田間信息采集及監(jiān)測設(shè)備是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的最根本。 田間信息采集主要依賴于傳感設(shè)備。 傳感設(shè)備就是能夠感受規(guī)定的被測量物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可能輸出信號(hào)的器件或裝置。自動(dòng)化灌溉可能設(shè)計(jì)的傳感器主要分為:土壤類、 作物類、 氣象類及系統(tǒng)類傳感器。 主要測量土壤水分、 養(yǎng)分、 溫度、 作物水分、養(yǎng)分、長勢(shì)、氣象類的光照、蒸發(fā)、風(fēng)速、雨量及系統(tǒng)類的水壓、閥門狀態(tài)、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)資料。 經(jīng)由墑情信息采集站將信息傳輸至中央控制器， 通過中央控制器安裝的各類自動(dòng)化監(jiān)測軟件系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析， 再以數(shù)值和曲線形式顯示歷史與實(shí)的時(shí)參數(shù)值和變化曲線，并進(jìn)行信息實(shí)時(shí)報(bào)警與記錄。 3、自動(dòng)化控制系統(tǒng)子系統(tǒng)的配置 自動(dòng)化控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶不同層次的實(shí)際需求， 由灌溉自動(dòng)控制子系統(tǒng)、 農(nóng)田墑情監(jiān)測子系統(tǒng)、作物生長圖像采集子系統(tǒng)、水肥智能決策子系統(tǒng)、作物網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)等多個(gè)子系統(tǒng)配置，能為用戶提供多種管理選擇方式。依據(jù)工程基礎(chǔ)條件、管理水平、項(xiàng)目投資等因素來確定項(xiàng)目子系統(tǒng)類型的配置及灌溉方式的選擇。 4、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的灌溉方式選取 根據(jù)現(xiàn)在節(jié)水灌溉模式及管理水平目前已實(shí)現(xiàn)的控制灌溉方式主要分為 3類，在實(shí)際操作中可根據(jù)具體情況選取適合自己的控制灌溉方式: 自動(dòng)化控制灌溉方式 由于實(shí)際情況中存在墑情采集及分析水平不足的因素， 在現(xiàn)狀自動(dòng)化控制中主要還是依據(jù)節(jié)水工程設(shè)計(jì)中規(guī)定的耗水定額、 灌溉時(shí)間及作物的需肥等數(shù)據(jù)來作為自動(dòng)化控制發(fā)出命令的依據(jù)。 根據(jù)節(jié)水設(shè)計(jì)可進(jìn)行閥門編組輪灌，可供選擇的輪灌方式有:①灌水時(shí)間設(shè)定輪灌:根據(jù)設(shè)定時(shí)間編組輪灌;②灌溉量設(shè)定輪灌:根據(jù)墑情及土壤的監(jiān)測結(jié)果預(yù)設(shè)灌溉制度進(jìn)行輪灌并施加肥料;③隨機(jī)設(shè)定輪灌:根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意閥門編組輪灌，包括補(bǔ)灌。 人工參與控制灌溉方式 系統(tǒng)以土壤濕度臨界值主參數(shù)(可包括氣象信息、作物視頻診斷等)進(jìn)行人工參與智能化控制灌溉;用戶也可根據(jù)墑情監(jiān)測結(jié)果，通過 G 網(wǎng)用手機(jī)隨時(shí)進(jìn)行智能化控制。 手動(dòng)控制灌溉方式 在系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況下，可人工手動(dòng)進(jìn)行電磁閥開啟。以保證連續(xù)灌溉不會(huì)中斷，不誤農(nóng)時(shí)。 5、自動(dòng)灌溉監(jiān)控優(yōu)點(diǎn)： 將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益。 通過自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量。 將使灌溉更加科學(xué)，方便、提高管理水平。 研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要。 附錄—托普物聯(lián)網(wǎng)簡介 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)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、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、食品安全溯源解決方案、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、溫室大棚智能控制解決方案等。 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)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(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)（終端智能控制平臺(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)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(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)測的功能。 2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。 3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，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)生長狀況。 4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。 5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對(duì)作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對(duì)各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。 6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對(duì)整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。