花元濤,陳紀龍,喻彩麗,王興鵬
(1.塔里木大學信息工程學院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,新疆 阿拉爾 843300)
新疆地區(qū)豐富的光照資源為當?shù)孛藁ǖ母弋a(chǎn)、優(yōu)質提供了有利的天然條件,已發(fā)展成為我國最大的優(yōu)質棉生產(chǎn)基地[1]。據(jù)中國棉花信息網(wǎng)2014年統(tǒng)計,南疆四地州(地方)共種植棉花67余萬hm2總產(chǎn)量高達100多萬t。南疆棉田一般選擇滴灌模式進行節(jié)水灌溉,但南疆水資源,尤其灌溉可用水相當緊缺,因此合理、精準的灌溉,是新疆棉花增質、增產(chǎn)、降低水資源浪費的基本保證[2-4]。加之南疆棉花種植范圍廣、監(jiān)測點分散,人力控制麻煩[5]。因此研制一種易于操作、自動化程度高、性能可靠、精度高、適合我國國情的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng),將是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[6,7]。
本系統(tǒng)是以新疆阿拉爾市第一師十團試驗園區(qū)研究設計的,該試驗園占地7 hm2左右。全年平均氣溫10 ℃,降水量僅為50~70 mm,全年蒸發(fā)量1 400~1 700 mm,土壤質地為沙壤土,透氣性良好,土壤密度為1.34 g/cm3,田間持水率為25%,地下水埋深在3 m以下。
根據(jù)灌溉需求與園區(qū)環(huán)境特點,該灌溉系統(tǒng)總體設計如上圖1系統(tǒng)結構框圖所示。自動控制程序被寫進工控機,不僅可以實現(xiàn)讀取灌溉設備開關量狀態(tài)、流量計、傳感器示數(shù)等,還可以實現(xiàn)對電磁閥、變頻器等設備的開閉控制,并將該控制命令寫進數(shù)據(jù)庫,由控制程序實時檢測數(shù)據(jù)庫中沒有被執(zhí)行的命令,根據(jù)需求執(zhí)行相應操作。本系統(tǒng)上位機人機界面設計簡單明了,易學易用,農(nóng)戶可以通過界面實時對灌溉相關信息進行監(jiān)控、查詢與下發(fā)控制指令,非常適用農(nóng)戶需求。
圖1 系統(tǒng)結構框圖
工程、市政人員與一般用戶還可以通過服務器進行遠程操作,但不同的角色被賦予不同的操作權限。另外該系統(tǒng)還采用了變頻技術,利用變頻器與工控機相結合來調節(jié)水泵的轉速,以此實現(xiàn)恒壓灌溉的目的。
本系統(tǒng)的硬件分別由監(jiān)控系統(tǒng)通過RS-485、以太網(wǎng)、ZigBee等有線、無線通信方式對灌溉系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、控制,來實現(xiàn)節(jié)水智能灌溉的。系統(tǒng)采用了兩種通信方式——無線與有線通信,兩類通信方式各利弊,一般在實際應用中根據(jù)需求將兩類通信方式結合考慮更為適宜[8]。田中流量計、分井電磁閥分別是通過RS-485通信、以太網(wǎng)通信有線通信方式,主井電磁閥、土壤溫濕度傳感器、壓力傳感器則分別通過ZigBee無線通信方式,來實現(xiàn)與觸摸屏工控機進行通訊。壓力傳感器選擇的是20886P5E22CM4,不帶顯示、4~20 ma輸出模擬量、DC24V兩線制、最大量程為0~2.5 MPa、精度0.5%;土壤溫濕度傳感器選擇的JZH-0系列無線傳感器,通信距離≥800 m、測量精度:土壤溫度:±0.5 ℃、土壤水分:±3%;采集模塊為ADAM-6066 ,其具有六路數(shù)字量輸出、支持標準的通信需求Modbus協(xié)議、具有主機待機功能合看門狗定時器;變頻器為CV3100-4T0110M/4T0150FP,INPUT:AC、3PH、380 V、50/60 Hz,OUTPUT:3PH、0~380 V、0~400 Hz;電機、網(wǎng)管、電磁閥、流量計選擇的型號分別是Y160L-2、KL-H1100、DN80、AMF等;硬件選型完全滿足灌溉的需求。系統(tǒng)主要硬件選型清單如表1所示,系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖
硬件名稱型號變頻器CV3100-4T0110M/4T0150FP流量計AMF工控機PPC-3120采集模塊ADAM-6066電磁閥DN80鑄鐵壓力傳感器20886P5E22CM4土壤溫濕度傳感器JZH-0系列網(wǎng)關KL-H1100電機Y160L-2
本灌溉系統(tǒng)采用了恒壓變頻灌溉技術,系統(tǒng)將事先設定好的上、下限壓力作為基準值,壓力傳感器實時監(jiān)測管網(wǎng)壓力反饋到變頻器,將監(jiān)測到的壓力值與預先設定好的基準值經(jīng)PID進行比較運算,當管網(wǎng)壓力超過設定的壓力上限值時,變頻器將會調節(jié)其輸出電壓與頻率的大小,降低水泵電機的轉速,減小抽水速度,從而使管網(wǎng)壓力值減??;當管網(wǎng)壓力值降低到預先設定的壓力下限值時,變頻器使輸出頻率增大,提高電機轉速,增大抽水速度,使得管網(wǎng)壓力增大,最終實現(xiàn)恒壓灌溉。從而避免了管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定,灌溉精度不高的問題。
本系統(tǒng)選擇的變頻器為深圳易驅電氣有限公司生產(chǎn)的CV3100系列變頻器,具有先進的矢量控制算法,內置PID調節(jié)器和標準的RS-485通訊接口,可以實現(xiàn)對旋轉中電機無沖擊平滑啟動的功能。壓力傳感器的正極性端接到變頻器+24 V端子上,另一端子接到AI2端子上,AI2端可以選擇電壓或者電流信號輸入,由控制板上的三檔二位開關JP1的位置切換,由于壓力傳感20886P5E22CM4的輸出的為4~20 ma電流模擬信號,JP1上端兩個端子為電流信號輸出,下端兩個端子為電壓信號輸出,所以將跳線接到JP1上端的兩個端子上。恒壓供水電氣控制圖、實物圖、變頻器端子接線圖分別如圖3-5所示。
圖3 恒壓供水電氣控制圖
圖4 變頻器端子接線圖
圖5 恒壓供水電氣控制實物圖
土壤溫濕度的是影響作物生長、發(fā)育的關鍵因素,因此將土壤溫濕度控制在最佳的作物生長范圍內將顯得尤為重要[11,12],從而可以避免灌水過少或過多致使農(nóng)作物減產(chǎn)、減質以及水資源浪費的問題。土壤墑情采集部分的溫濕度傳感器采用的是JZH-0系列的溫濕度傳感器,其具有更高的測量準確度、組網(wǎng)能力強、采集儲輸一體化等功能;無線采集模塊選擇的是JZH-3系列無線模塊,它具有采用主從方式數(shù)據(jù)通訊、符合2.4 G ZigBee協(xié)議、多路多種信號輸入等功能。選用的網(wǎng)關是北京昆侖海岸傳感技術有限公司自主研發(fā)的KL-H1100。
本系統(tǒng)土壤墑情采集部分的設計思路是傳輸層與感知層之間以ZigBee無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳送,應用層與傳輸層利用以太網(wǎng)有線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸,無線傳感器部分作為感知層,應用層與傳輸層分別由上位機和網(wǎng)關充當。在灌溉時,工控機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)土壤溫濕度傳感器所感知的實時數(shù)據(jù)進行分析、處理,并按著需求下達灌溉指令,使土壤溫濕度保持在棉花適宜生長的范圍內。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)采集模塊整體架構
一個完整的系統(tǒng),不僅要有硬件結構作為支撐,軟件部分設計也非常關鍵。該系統(tǒng)軟件采用java語言編程人機界面,MYSQL數(shù)據(jù)庫存儲灌溉數(shù)據(jù),開發(fā)設計了認證子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、專家子系統(tǒng)、分析和展示子系統(tǒng)。其中認證子系統(tǒng)主要用于對系統(tǒng)用戶進行認證,通過認證的用戶及其應用系統(tǒng)可以向平臺提交數(shù)據(jù),使用平臺功能,其包括用戶管理和用戶認證;數(shù)據(jù)接口子系統(tǒng)用于定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準,在經(jīng)過認證的前提下,可對提交數(shù)據(jù)進行記錄,為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)支持;控制子系統(tǒng)控制系統(tǒng)集成管理主流設備和協(xié)議,是一個開放性的系統(tǒng),可以通過二次開發(fā),對系統(tǒng)添加設備和協(xié)議,使其能夠適應更多的設備;專家子系統(tǒng)主要包括作物設置模塊、智能策略模塊、知識庫模塊。用戶使用人機接口,通過作物設置模塊向系統(tǒng)提交灌溉方式、大田信息等數(shù)據(jù),專家子系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入、選擇的數(shù)據(jù),在知識庫中進行綜合條件查詢,并智能生成灌溉策略;分析和展示子系統(tǒng)主要是為了采集數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù),目的是為了分析數(shù)據(jù),得出結論,為農(nóng)業(yè)的科學生產(chǎn)提供理論和實踐相結合的指導依據(jù)。其上位機人機界面管理平臺功能結構如圖7所示。
圖7 上位機人機界面管理平臺功能結構圖
系統(tǒng)管理平臺定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和接口規(guī)范,經(jīng)過認證的應用可以通過接口子系統(tǒng)向系統(tǒng)提交大田灌溉數(shù)據(jù),系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集記錄、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示。借助底層應用,系統(tǒng)可通過土壤墑情采集設備定時獲取土壤墑情數(shù)據(jù),根據(jù)墑情信息和作物信息進行科學合理的灌溉。系統(tǒng)還可以通過讀取水表讀數(shù),記錄應用示范點實際灌溉用水情況。其上位機人機界面如圖8所示。
圖8 上位機人機界面
系統(tǒng)設定了自動灌溉、定時灌溉和手動灌溉3種灌溉模式。其中手動灌溉方式最為粗糙,是在人工干預的情況下進行灌溉的;定時灌溉方式是根據(jù)作物不同生長時期的需水量、灌水速度、田塊大小,通過合理的計算來確定灌溉時間,當需要灌溉時,工控機將下發(fā)灌溉命令,當灌溉結束時由工控機下發(fā)停止命令結束灌溉;自動灌溉模式是根據(jù)灌水時間T及棉田土壤濕度墑情情況為依據(jù),首先設定棉田土壤濕度下限值,如果土壤濕度低于下限值時由工控機下發(fā)電磁閥開啟命令開始灌溉,當灌溉達到需求后再由工控機下發(fā)電磁閥關閉命令停止灌溉,克服了以往灌溉基本靠經(jīng)驗的模式,達到了節(jié)能、節(jié)水、自動灌溉的目的。其自動灌溉流程如圖9所示。
圖9 自動灌溉流程圖
系統(tǒng)通過上位機控制變頻器、電磁閥等器件開閉,讀取流量計、溫濕度傳感器等信號信息。通信與控制均采用ModBus-RTU協(xié)議。上位機運行時首先對數(shù)據(jù)庫中所有設備信息進行讀取,將設備依照串口信息與田塊信息進行分類,打開相應的串口,并對串口下的所有設備初始化。打開相應串口線程后,兩個定時器被打開,用以生成查詢與控制指令,并將指令加入相應的串口線程隊列中,系統(tǒng)主進程流程圖如圖10所示。
圖10 系統(tǒng)主進程流程
上位機通過串口向下位機發(fā)送查詢命令,創(chuàng)建生命周期為T的監(jiān)聽,若在時間周期T內收到數(shù)據(jù),則對數(shù)據(jù)進行相應的處理,并把本條命令對應未收到命令的次數(shù)清零,如果在T時間內未收到回復,則結束監(jiān)聽,將該條查詢命令對應的未收到命令次數(shù)進行加一。然后判斷未收到命令次數(shù)是否等于三,如果判斷為真時將設備報警信息更新到數(shù)據(jù)庫,若判斷為假則結束,串口設備流程如圖11所示。
圖11 串口設備流程圖
打開串口線程后,分別創(chuàng)建查詢與控制兩個隊列,并將控制隊列優(yōu)先級設為高,每次打開串口線程后將進入循環(huán),然后再判斷控制隊列是否為空,如果不為空時則執(zhí)行隊列中的控制命令,若控制隊列為空時則進行判斷查詢隊列是否為空,若該隊列不為空時則執(zhí)行查詢隊列里的相應命令。若查詢隊列為空繼續(xù)循環(huán),查詢控制隊列,串口設備流程如圖12所示。
圖12 串口設備流程圖
經(jīng)過反復的測試和bug修復,目前大田節(jié)水灌溉智能管理
系統(tǒng)平臺已具有較高的穩(wěn)定性,網(wǎng)絡正常情況下,系統(tǒng)訪問速度較快,運行良好,控制部分控制靈敏,操作簡單。
系統(tǒng)設計以用戶為出發(fā)點,界面效果較好,美觀性較強,各功能模塊操作流程設計符合邏輯,且操作簡單,不管是在視覺上,還是操作上,都能夠讓用戶擁有一種操作便捷的體驗。
本系統(tǒng)管路首部基礎實施得到提高,增加了水壓監(jiān)測和變頻器等設備,更進一步地保證了園區(qū)灌溉的科學性和合理性,提高灌溉的精度、水資源得到了高效利用、能效顯著;克服了園區(qū)在大田灌溉方面主要依照人工操作灌溉方式,采用智能、遠程化管理灌溉,灌溉設施自動化程度得到提高,降低了勞動成本;改變了以往注水量基本靠經(jīng)驗的方法,利用土壤溫濕度等進行實時在線監(jiān)測,結合農(nóng)作物生長特點,精準把握灌溉時間和灌溉量,實現(xiàn)灌溉策略科學化。
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