智能農業灌溉系統

智能農業灌溉系統也叫智能農業物聯網精細農業自控系統，是托普物聯網為保證農業作物需水量的前提下，實現節約用水而提出的一整套解決方案。簡單的說，該方案就是農業灌溉不需要人的控制，系統能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間；并且可以自動開啟灌溉，也可以自動關閉灌溉；可以實現土壤太干時增大噴灌量，太濕時減少噴灌量。
一、功能設計
智能農業灌溉系統要實現上述功能就要充分利用可編程控制器的控制作用。系統要實現自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳感器。要實現灌溉水量的多與少的調節，必須要有變頻器。在可編程控制器內預先設定50%—60%RH為標準濕度，傳感器采集的濕度模擬信號經A/D模塊轉換成數字信號。
針對灌溉水利用系數較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統。依托無線傳感器網絡采集灌區作物需水信息,匯聚到網關節點發送給主控中心,中心主機根據信息確定灌溉狀態并計算灌水量,控制灌溉設備工作實現智能灌溉;依托Internet管理員有權對系統遠程管理,滿足了規模化灌溉的需求。根據示范區觀測,灌溉水利用系數由原來的0.6提高到0.9。系統結合了無線傳感、計算和網絡通信技術,解決了精確農業亟待解決的關鍵技術問題。
系統涉及到傳感器技術、自動控制技術、計算機技術、無線通信技術等多種高新技術，這些新技術的應用使我國的農業由傳統的勞動密集型向技術密集型轉變奠定了重要的基礎。
可以根據植物和土壤種類，光照數量來優化用水量，還可以在雨後監控土壤的濕度。有研究現實，和傳統灌溉系統相比，這套系統系統的成本差不多，卻可節水16%到30%。
二、設計背景
灌溉造成水資源大量浪費
美國每年浪費掉的水資源高達8,520億升，而若安裝一種則可有效地控制水流量，達到節水目的。HydroPoint公司負責可持續領域業務的Chris Spain援引美國用水工程協會的報告稱，美國住宅區和商業區的草坪、植物灌溉用水浪費了30%到300%。
水資源被浪費的原因是技術不行，美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統，它們在時間控制上還可以，但精準度不高。Spain稱，城市灌溉系統占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生產54.4萬噸溫室氣體。
在中國農業用水量約占總用水量的80%左右，由于農業灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決農業灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的在這種背景下應運而生了。
不僅美國，英國也開始關注節水問題。英國節能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節約能源，使用熱水可能會超過取暖成為制造二氧化碳的主要途徑。
三、工作原理
灌溉系統工作時，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉換，將標準的電流模擬信號轉換為濕度數字信號，輸入到可編程控制器。可編程控制器內預先設定50%-60%RH為標準濕度值，實際測得的濕度信號與50%-60%RH比較，可以分為：在這個范圍內，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況。
可編程控制器將控制信號傳給變頻器，變頻器根據濕度值，相應的調節電動機的轉速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟，通過主管道和支管道為噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉角度自動旋轉。灌溉結束時電磁閥自動關閉。為了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側安裝一塊壓力表，保證個噴頭的水壓滿足設定的噴灌射程，避免發生因為水壓不足，噴頭射程減少的現象。整個系統協調工作，實現對草坪灌溉的智能控制。
綜上所述，要實現智能灌溉，系統需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網和噴頭等設備。
①可編程控制器：負責發出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統的中樞部分。
②傳感器：由于本次設計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。
③A/D模塊：因為可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉換成數字信號。
④變頻器：通過改變電動機的轉速調節噴灌流量，達到節水的目的。
⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統提供一定的壓力。
⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。
⑦噴頭：實現均勻噴灑，便于充分吸收。
⑧管網：灌溉系統輸送水的管路。
四、設計特點
1、系統模塊化、層次化設計，以提高效率，增加可維護性，便于擴展；
2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設備，而不需要更換軟件；
3、人機界面友好，實現灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；
4、抗電磁干擾的能力強，保證系統在野外強電磁干擾的惡劣環境下能可靠地運行；
5、故障自動檢測功能，提高系統的健壯性，各種設備的布局要求美觀。
五、9大功能
為了zui大限度地節約噴灌用水和實現智能控制，灌溉系統必須具備以下功能：
1、數據采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉變成數字信號（A/D轉換）。
2、控制功能：具有定時控制、循環控制的功能，用戶可根據需要靈活選用控制方式。
①自動控制功能：可編程控制器通過程序將傳感器檢測的濕度信號與預先設定的標準濕度范圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設定濕度值，（低于設定值則調大電動機轉速，高于設定值則調小電動機轉速）則自動調節電動機轉速，進行灌溉操作。
②定時控制功能：系統可對電磁閥設定開、關時間，當灌溉的濕度值達到設定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。
③循環控制功能 ：用戶在可編程控制器內預先編好控制程序，分別設定起始時間、結束時間、灌溉時間、停止時間，系統按設定好的時間自動循環灌溉。
變速功能：當前所測的土壤濕度值與預先設定的zui適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分為大于、等于、小于三種結果，即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態。在控制面板上表現為高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據土壤濕度的三個狀態自動調節電動機的轉速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉速度，分別對應高速，中速，低速三個指示燈。
4、自動轉停功能：控制系統根據土壤的干濕度情況自動啟動噴灌，控制電動機以所需的轉速轉動，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘，再噴5分鐘后自動停轉。
5.、電動機過載保護功能：當電動機過載時，電動機立即停止轉動，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警，過載消除后自動恢復運轉。
6、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關量作為一個可編程控制器的輸入信號，實現控制相關程序的功能。
7、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作為可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預先編制的程序依次打開各控制設備電源，并根據輸入信號的變化隨時調整程序的執行。在非系統工作時間里，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統耗費的電能又延長了設備的使用壽命。
8、急停功能：當出現緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉，閥門關閉，噴頭停止灌溉。
9、故障自動檢測功能：當灌溉系統出現故障，如水管破裂（水壓為零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。
六、重要意義
該系統不僅可以提高源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。基于傳感器技術的是中國發展高效農業和精細農業的必由之路。