1．概述

1.1 目的和意义

我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁的国家。虽然水资源的总量居世界第6 位，但是按人均水资源量计算，人均占有量只有2500 立方米，约为世界人均水量的1/4，在世界排110 位，已被联合国列为13 个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分布很不平衡。北方有些地区水资源的占有量仅为900 立方米，低于国际公认的1000 立方米的水资源下限。有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。

在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。

自动灌溉监控系统有如下优点：

1、将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。

2、通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。

3、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。

研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。

1.2 相关研究综述

自动灌溉技术在发达国家，特别是有大面积种植或缺水地区。按灌溉方式分为地面灌、喷灌（喷洒灌溉）和微灌等等。而微灌又分为滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌。灌溉系统自动化是世界先进国家发展高效农业的重要手段，而我国目前的灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理。

2．自动灌溉系统的总体设计

2.1 功能设计

灌溉自控系统主要由中心主控系统（主计算机、控制柜）、电磁阀、田间湿度传感器（可测土壤湿度绝对值）、气象观测站（可测量气温、风向、风速）等设备所组成。

操作人员可坐在控制室里，对传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析，利用手动或自动方式，足不出户的对整个小区进行灌溉。同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。

本系统由多个控制单元组成，每个控制单元管理一片区域。利用GPRS/GSM 网路，由中央计算机统一管理。室外的空气温湿度传感器把结果送入计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，显示数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。系统总体结构框图如图1 所示。

图1 系统总体结构框图

2.2 网络结构设计

如上图所示，我们的网络结构分为三层，第一层为控制中心，有电脑和以太网组成；第二层为GPRS 无线控制器，该层和第一层之间无需电缆连接；第三层为阀门控制器，所有的阀门控制器和GPRS 无线控制器只需要用一根电缆连接。下面详细介绍一下本方案。

首先我们可以将需要灌溉的区域分成若干个小区，划分的原则为阀门相对集中。每个小区内采用一个无线数传设备GPRS DTU，通过它与中心控制室通讯；在GPRS DTU 上可以连接一个手动控制器，用来手动控制该区域内的阀门开关；再用一跟电缆连接到各个阀门，在阀门的位置需要接一个控制器，一个控制器可以控制1～4 个阀门，如下图所示：

该套设备只需要很少的电力，可以使用太阳能来供电。这个小区的控制系统无需任何电缆与中心控制室连接。

我们对各个小区实现同样的控制方法，然后再通过无线连成一套系统。如下图所示：

这样的控制方式的主要优点有：

1、 中心控制室可以控制远在千里之外的阀门。

2、 每个小区内只需使用一根电缆连接所有的阀门。大大节约成本。

3、 在电力无法到达的地方，我们可以采用太阳能供电。

4、 也可以通过就地的手动控制器来控制阀门。

5、 也可以通过手机短信来控制阀门。

3． 控制器的设计

3.1 控制器的主要功能

1) 土壤含水量的监测；

2) EC（电导率）值和pH 值的监测（可选）；

3) 电磁阀状态的监测；

4) 电磁阀状态的控制；

5) 各种监测和控制信号的通讯传输；

6) 低电压报警；

3.2 工作原理

每个控制单元控制着1—4 路电磁阀。通过传感器采集来的多路数据，经过A/D 转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉情况，据此确定灌溉与否和时间长短；配有EC（电导率）值和pH 值传感器，可对进出水进行EC 值和pH 值的检测，以便控制自动营养液的配给。其主要工作原理框图如图2所示。

图2 控制单元硬件原理图

3.3 数据采集部分

数据采集部分是实现自动灌溉的重要环节。土壤湿度传感器一般是采集土壤的水吸力大小信号，也叫土壤水分传感器。本系统选用AQUA-TEL 公司的专业土壤水分传感器，它把土壤水吸力的大小转化为标准的4-20mA 电流信号。将传感器埋入土壤中，放在植被的根部。多个传感器注意其安放位置应具有代表性，这样才能反映整块田地的平均含水量的情况。EC 传感器和pH 传感器检测灌溉用水的电导率和酸碱度，以确定需添加的肥料、养分多少。

1) AQUA-TEL 土壤水分传感器（美国）

特点：

• 可长期埋设

• 长度可增加，提高测量的准确性

• 容易携带，使用简单

• 能耗低

• 最经济的TDR 原理水分探头

技术参数

• 测量土壤水分范围：0-100%Vol

• 重复性误差：小于1%

• 温度范围：-60 to 85℃ 精度：±2℃

• 电源：12VDC±20%

• 输出：4-20 mA 或 0-5V

• 全部尺寸：直径 19mm

• 长度：635mm

• 预热时间：1 秒

2) 直流电池闭锁电磁阀

 

                     

直流闭锁电磁阀采用的工作电流是一种快速脉冲电流。这种电磁阀一般使用6伏，9伏和12伏电压。由于当一个快速脉冲电流作用在线圈上不会产生电流，因此柱塞在一个电流脉冲信号作用下改变位置后如果保持不动则不再需要电流，即在直流闭锁电磁阀中没有持续电流。这样，直流闭锁电磁阀在一小块电池或太阳能电源控制装置的作用下即可长时间的工作。

要开启阀门时，线圈收到一个直流脉冲信号，使得柱塞堵住端口P，连同端口A 与端口R。控制腔排放，阀门开启。

要关闭阀门时，线圈收到一个直流脉冲信号，柱塞向相反方向移动，端口A 和端口P连通，而端口R 堵住。这样压力水流从阀门进口（上游）充满控制腔，关闭阀门。脉冲对柱塞产生一个反向的磁力使得柱塞沿与开启阀门时相反的方向移动。

3) 传感器信号的输入

在大田中埋设多个传感器，然后把传感器和多路开关相连，多路传感器的输出经.A/D转换后送入单片机，CPU将不断读I/O口，并把采集到的信号存放在数据存储器中，然后进行模糊化处理，根据模糊决策的结果，决定是否灌溉以及灌溉的时间。

4） 主控部分

以微控制器为核心，通过接收服务器发送来的系统时间，起始工作时间，每次放水时间，停水时间和阀工况选择等。微控制器是CMOS 器件，功耗很低。

3.2 数据处理及软件编制

传感来的信号送入多路开关CD4051，分时把采集来的信号送到A/D 转换器进行转换。本系统选用单片机作为微处理器，A/D 转换器采用精度高，速度快的AD574。该A/D 转换器的分辨率为12 位，转换时间为25us，并在转换前对信号用LF398 作了采样保持处理。

软件是控制系统的灵魂，需要与硬件配合，将实时采集的数据与相应的灌溉需求量专家系统的设定值进行比较判断，来控制电磁阀开启和延续时间长短，实现智能控制。控制程序采用C 编写。

3.3 输出通道及总线设计

输出通道包括继电器和输出接口。单片机的I/O 口可作为输出口控制固态继电器的开合，并由续流二极管与继电器并接以保护继电器。固态继电器不仅可以实现小信号对大功率负载的开关控制，而且还具有隔离功能。

输出接口还涉及到与上位机的通信。RS-232 属单端信号传送，且不能用于长距离的通信。在要求通信距离几十米到上千米时，广泛采用RS-485 收发器。RS-485 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV 的电压，帮传输信号能在千米以外得到恢复。

所以，本设计使用RS-485 总线来进行信号传输，用一对双绞线实现多站联网构成分布式系统。单个控制单元把信号通过RS-485 接口送至GPRS DTU 上，以传送给远方的中央监控计算机。

4．管理系统的设计

从控制单元通过GPRS 送到中央监控计算机。在中央监控计算机的总管理软件上，我们可以设置相关灌溉的参数，并传送到各个控制单元。另外，它还可以接收室外实时的天气温湿度情况，及通过Internet 获取近期的天气情况，以作预先性处理。

4．1 设计要求

1) 数据传输通讯稳定；

2) 数据存储安全；

3) 操作界面美观；

4) 整个系统人性化；

5) 系统整体稳定；

6) 整个系统的高速运行；

7) 系统容错性强；

8) 操作帮助功能要求强大；

9) 要考虑后续工作的接口；

4.2 监控管理软件的主要功能

1) 操作人员的权限管理；

2) 图形化动态显示各种参数；

3) 人工编制套灌溉方案；

4) 自动记录各个站点传来的数据；

5) 自动分析各站点传来的数据；

6) 可随时干预控制各站点的灌溉状态；

7) 可根据实地情况随意组合站点，分区；

8) 对所分的区进行各种参数设置；

9) 随时记录操作员的信息；

10) 随时记录操作信息；

11) 能随时显示各站点的状态；

12) 能随时查询数据库中记录的各种信息；

13) 能对管理员有档案管理；

14) 历史记录的随时打印；

15) 自动生成灌溉记录报表；

16) 根据参数随时报警提示或直接分析处理；