南疆棉田節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的研究與設計

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(zhì)提供了有利的天然條件，已發(fā)展成為我國最大的優(yōu)質(zhì)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(zhì)、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(zhì)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。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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?qū)崟r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(jié)構(gòu)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(quán)限。另外該系統(tǒng)還采用了變頻技術(shù)，利用變頻器與工控機相結(jié)合來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)恒壓灌溉的目的。

2 系統(tǒng)硬件設計

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(jié)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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

2.1 恒壓供水硬件實現(xiàn)[9,10]

本灌溉系統(tǒng)采用了恒壓變頻灌溉技術(shù)，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(diào)節(jié)其輸出電壓與頻率的大小，降低水泵電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(nèi)置PID調(diào)節(jié)器和標準的RS-485通訊接口，可以實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)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

2.2 土壤墑情采集整體架構(gòu)設計

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(nèi)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(zhì)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(shù)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(nèi)。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊整體架構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設計

一個完整的系統(tǒng)，不僅要有硬件結(jié)構(gòu)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(jié)論，為農(nóng)業(yè)的科學生產(chǎn)提供理論和實踐相結(jié)合的指導依據(jù)。其上位機人機界面管理平臺功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 上位機人機界面管理平臺功能結(jié)構(gòu)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

3.1 系統(tǒng)自動灌溉控制原理

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(jié)束時由工控機下發(fā)停止命令結(jié)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

3.2 節(jié)水灌溉的主程序設計

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

3.3 設備查詢指令執(zhí)行子程序

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(nèi)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(nèi)未收到回復，則結(jié)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(jié)束，串口設備流程如圖11所示。

圖11 串口設備流程圖

3.4 串口控制子模塊設計

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

4 系統(tǒng)測試

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。

5 結(jié) 論

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(jié)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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