GPRS節(jié)水灌溉自動化系統(tǒng)

概述：

水是一切生命過程中不可替代的基本要素，水資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。我國是世界上13個貧水國之一，人均水資源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。而且時空分布很不均勻，南多北少，東多西少；夏秋多，冬春少；占國土面積50％以上的華北、西北、東北地區(qū)的水資源量僅占全國總量的20％左右。近年來，隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)干旱缺水和水資源短缺已成為我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要制約因素，而且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。

按現(xiàn)狀用水量統(tǒng)計，全國中等干旱年缺水358億立方米，其中農(nóng)業(yè)灌溉缺水300億立方米。20世紀(jì)90年代以來，我國農(nóng)業(yè)年均受旱面積達(dá)2000萬公頃以上，全國660多個城市中有一半以上發(fā)生水危機(jī)，北方河流斷流的問題日益突出，缺水已從北方蔓延到南方的許多地區(qū)。由于地表水資源不足導(dǎo)致地下水超采，全國區(qū)域性地下水降落漏斗面積已達(dá)8.2萬平方公里。

發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)用水比重一般為總用水量的50％左右。目前，我國農(nóng)業(yè)用水比重已從1980年的88％下降到目前的70％左右，今后還會繼續(xù)下降，農(nóng)業(yè)干旱缺水的局面不可逆轉(zhuǎn)。北方地區(qū)水資源開發(fā)利用程度已經(jīng)很高，開源的潛力不大。南方還有一些開發(fā)潛力，但主要集中在西南地區(qū)。

我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問題普遍存在。目前全國灌溉水利用率約為43％，單方水糧食生產(chǎn)率只有10公斤左右，大大低于發(fā)達(dá)國家灌溉水利用率70-80%、單方水糧食生產(chǎn)率2.0公斤以上的水平。通過采用

現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)改造傳統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)適時適量的“精細(xì)灌溉”，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。在灌溉系統(tǒng)合理地推廣自動化控制，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。

自動灌溉監(jiān)控系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、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。

2、通過自動控制技術(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。

3、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。

GPRS農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)：

GPRS農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)（主計算機(jī)）、GPRS采集控制終端、電磁閥、田間濕度傳感器（可測土壤濕度絕對值）、氣象觀測站（可測量氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速）等設(shè)備所組成。操作人員可坐在控制室里，對傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用自動方式，足不出戶的對整個小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。

GPRS農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為控制中心由電腦和以太網(wǎng)組成；第二層為GPRS無線采集控制器（YN4112 GPRS RTU），該層和第一層之間無需電纜連接；第三層為傳感器采集與電磁閥，所有的傳感器與電磁閥和GPRS無線采集控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細(xì)介紹一下本方案：

首先我們可以將需要灌溉的區(qū)域分成若干個小區(qū)，劃分的原則為閥門相對集中。每個小區(qū)內(nèi)采用一個GPRS無線采集控制器GPRS RTU，通過它與中心控制室通訊；GPRS無線采集控制器再與電磁閥、土壤傳感器等連接該套設(shè)備只需要很少的電力，可以使用太陽能來供電。這個小區(qū)的控制系統(tǒng)無需任何電纜與中心控制室連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

系統(tǒng)拓?fù)鋱D

第一層控制中心：

中心采用通過GPRS/GSM 網(wǎng)路把室外傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機(jī)上存儲，顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進(jìn)行特殊操作。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見性地實(shí)施灌溉。

建立GPRS中心連接的兩種方式：

a、中心控制站服務(wù)器采用固定IP地址，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求（適用監(jiān)控點(diǎn)數(shù)在200個左右的）。

b、中心監(jiān)控站服務(wù)器采用動態(tài)IP地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求（適合監(jiān)控點(diǎn)數(shù)在幾十個左右的）。

第二層GPRS 無線采集控制器：

1、宇能YN4112產(chǎn)品簡介：

集成采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制于一體，將現(xiàn)場傳感器的模擬量、開關(guān)量、繼電器信號通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了由現(xiàn)場采集直達(dá)監(jiān)控中心的一套完整解決方案。可以直接通過各類通用型工業(yè)組態(tài)軟件與遠(yuǎn)端現(xiàn)場傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，無須定制驅(qū)動。

2、產(chǎn)品功能：

◎ 采集傳輸控制一體化，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本；

◎ 采用超低功耗高性能的嵌入式處理器，數(shù)據(jù)采樣精度小于2‰；

◎ 內(nèi)嵌看門狗，不死機(jī)，掉線自動恢復(fù)；

◎ 配備多種接口資源：包括模擬信號采集、開關(guān)量采集、脈沖信號輸入、繼電器控制輸出等；

◎ 繼電器可設(shè)置報警聯(lián)動；

◎ 支持一路RS232/RS485（只支持MODBUS協(xié)議）方式的用戶數(shù)據(jù)接口，可接入電子式傳感器、PLC等各種設(shè)備；

◎ 短信數(shù)據(jù)傳輸或GPRS實(shí)時在線傳輸方式；

◎ GPRS 遠(yuǎn)程在線設(shè)置和短信息遠(yuǎn)程設(shè)置功能；

◎ 支持終端遠(yuǎn)程進(jìn)入休眠模式，并可用多種方式喚醒；

◎ 監(jiān)控中心及手機(jī)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備；

◎ 可向用戶設(shè)定的手機(jī)發(fā)送短信報警信息；

◎ 模擬量分時段報警；

◎ 用戶可以編程的量程轉(zhuǎn)換和報警上下限設(shè)定；

◎ 內(nèi)設(shè)工業(yè)時鐘，精確記時；

◎ 自動定時上報和事件觸發(fā)上報功能；

◎ 內(nèi)置大容量FLASH存儲器，數(shù)據(jù)自動記錄，支持歷史數(shù)據(jù)檢索；

◎ 板載工業(yè)級GSM/GPRS通信模塊，方便用戶選擇GSM/GPRS組網(wǎng)方式；

◎ 提供用戶設(shè)置軟件，開放式接口，方便與組態(tài)軟件及其他軟件連接；

作用：

◎ 具有電壓、電流值等直接模擬量輸入監(jiān)測土壤含水量等傳感器；

◎ 具有485數(shù)字量輸入監(jiān)測EC（電導(dǎo)率）值和pH 值的等數(shù)字傳感器；

◎ 具有開關(guān)量輸入監(jiān)測電磁閥狀態(tài)；

◎ 具有繼電器輸出遠(yuǎn)程控制電磁閥；

宇能YN4112在本系統(tǒng)運(yùn)用中的優(yōu)勢：

1、 中心控制室可以控制遠(yuǎn)在千里之外的閥門；

2、 每個小區(qū)內(nèi)只需使用一根電纜連接所有的閥門。大大節(jié)約成本；

3、 在電力無法到達(dá)的地方，我們可以采用太陽能供電；

4、 也可以通過手機(jī)短信來控制閥門；

5、 各種監(jiān)測和控制信號的通訊傳輸；

6、 模擬量、開關(guān)量高低報警。

YN4112產(chǎn)品拓?fù)鋱D

第三層傳感器采集與電磁閥

每個控制單元控制著1—4 路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，信號處理，在微處理器中，根據(jù)不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號輸出，結(jié)合中央管理計算機(jī)的指令，控制電磁閥的開關(guān)，即可以實(shí)現(xiàn)自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實(shí)灌溉情況，據(jù)

此確定灌溉與否和時間長短；配有EC（電導(dǎo)率）值和pH 值傳感器，可對進(jìn)出水進(jìn)行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養(yǎng)液的配給。

數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)自動灌溉的重要環(huán)節(jié)。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號，也叫土壤水分傳感器。它把土壤水吸力的大小轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA 電流信號。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個傳感器注意其安放位置應(yīng)具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC 傳感器和pH 傳感器檢測灌溉用水的電導(dǎo)率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養(yǎng)分多少。

結(jié)論：

GPRS農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)將傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報，實(shí)際動態(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、按量自動供水。