基于GPRS DTU的農(nóng)業(yè)灌溉施肥智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

安進(jìn)強(qiáng)，魏穎瓊，安昭先，魏學(xué)桃

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)；2.蘭州天霖節(jié)水灌溉科技發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730000）

在農(nóng)業(yè)的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，一直都存在著線路鋪設(shè)成本很高并且無(wú)法大面積管理等諸多不方便的問(wèn)題。GPRS遠(yuǎn)程測(cè)控技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。這種技術(shù)為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了非常大的幫助。在灌溉以及施肥的過(guò)程當(dāng)中，可以根據(jù)作物的需要對(duì)其進(jìn)行精確控制。雖然這種技術(shù)可以解決農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的一些問(wèn)題，但是目前將其成熟的應(yīng)用起來(lái)還是比較少。不合理的灌溉和施肥，目前仍然存在于農(nóng)業(yè)的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中。這樣不僅容易導(dǎo)致水肥的利用率比較低，而且還容易加劇資源的浪費(fèi)，對(duì)于周圍環(huán)境的污染也比較嚴(yán)重。本文介紹了一個(gè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在灌溉和施肥過(guò)程中收集作物信息。根據(jù)收集到的信息，對(duì)農(nóng)作物施肥配方進(jìn)行指導(dǎo)性的灌溉。中國(guó)的水資源一直短缺，過(guò)度施肥也可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。在這方面，有必要建立精確灌溉和施肥的智能控制系統(tǒng)，以促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。

1 系統(tǒng)的組成

整個(gè)智能化的控制系統(tǒng)主要是由管理方控制級(jí)，遠(yuǎn)程Web頁(yè)面控制級(jí)，灌溉區(qū)現(xiàn)場(chǎng)控制以及手機(jī)短信控制等幾部分共同構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)作的過(guò)程當(dāng)中，主要是由灌溉區(qū)將現(xiàn)場(chǎng)的灌溉情況，如農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境以及土壤的養(yǎng)分信息，通過(guò)DTU模塊發(fā)到管理級(jí)當(dāng)中。決策階段由監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行決策，然后來(lái)決定是否根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況打開(kāi)灌水閥以及施肥閥。讓我們?cè)诠喔纫约笆┓实倪^(guò)程當(dāng)中，就可以根據(jù)農(nóng)作物的具體需求來(lái)對(duì)其進(jìn)行灌溉以及施肥，不需要大水漫灌。不僅如此，系統(tǒng)還可以對(duì)管道的流量進(jìn)行自動(dòng)化的計(jì)算，這樣方便技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行分析。水泵房的管理還可以根據(jù)灌溉區(qū)的水位高低來(lái)決定是否要啟動(dòng)和停止水泵，也可以通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力，也可以靈活的去配置時(shí)間，灌溉量、閥門(mén)組以及施肥配方等，這樣就可以將其應(yīng)用在多種農(nóng)作物的灌溉以及施肥過(guò)程當(dāng)中。

2 主要部分的選型和配置

2.1 系統(tǒng)的編程軟件

HORNER公司自主研制出來(lái)的測(cè)控軟件裝在PC機(jī)上，然后可以對(duì)xlt控制器進(jìn)行邏輯上的編程。這個(gè)公司自主研發(fā)出來(lái)的測(cè)控軟件是可以對(duì)所有的xlt控制器進(jìn)行編程的。除此之外，對(duì)控制器進(jìn)行監(jiān)控以及在線調(diào)試，測(cè)控中心的軟件可以跟xlt建立通訊，主要是因?yàn)槠淇梢赃M(jìn)行模塊的轉(zhuǎn)換，比如將rs485模塊轉(zhuǎn)換成rs232模塊。xlt控制器的通訊方式還有很多，如它可以通過(guò)以太網(wǎng)、can總線或者是USB口來(lái)進(jìn)行通訊。所以配置的輸出方式有許多種，如數(shù)字量輸出，模擬量輸出以及高數(shù)計(jì)數(shù)器輸出等等，對(duì)于用戶的二次開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)非常的有幫助。測(cè)控中心軟件以及組態(tài)軟件的通信主要是利用串口這樣的方式來(lái)進(jìn)行的。我們?nèi)绻谝慌_(tái)電腦上同時(shí)安裝了測(cè)控中心軟件以及組態(tài)軟件的話，那么就需要該臺(tái)電腦上必須有兩個(gè)硬件串口，或者說(shuō)也可以是兩個(gè)虛擬串口。測(cè)控中心軟件和組態(tài)軟件需要各用一個(gè)串口來(lái)進(jìn)行通訊。需要在同一臺(tái)電腦上建立兩個(gè)虛擬串口的話，則會(huì)使用虛擬串口的軟件，增加一對(duì)可以互相通訊的虛擬串口，COM2和COM3。

2.2 控制器的選擇

控制器以觸摸式的OCS XLT102為例，由于自身性能，它應(yīng)用在熱電偶當(dāng)中是比較方便的，可以完成一個(gè)信號(hào)的高精度輸入的過(guò)程，工作的時(shí)候電壓選擇在12V?？偟膩?lái)說(shuō)是具有非常多的優(yōu)點(diǎn)的。1)它擁有非常高質(zhì)量的圖形LCD或者是比較高清的觸摸屏顯示。這樣就可以更好的顯示出整個(gè)灌溉的生產(chǎn)過(guò)程以及設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，它的運(yùn)行狀態(tài)。2)這樣的控制器可以顯示非常復(fù)雜的圖形。包括比較復(fù)雜的趨勢(shì)圖，儀表顯示以及動(dòng)畫(huà)等等。3)控制能力比較強(qiáng)，支持很多操作，如高級(jí)數(shù)學(xué)的運(yùn)算，字符串操作等等。4)儲(chǔ)存的能量非常大，最大的儲(chǔ)存量可以高達(dá)2G左右，可以儲(chǔ)存程序，也可以儲(chǔ)存歷史記錄或者是屏幕截圖。5)設(shè)備具有兩個(gè)內(nèi)置串口，這樣是比較方便的，因?yàn)檫@樣控制器就可以和其他的PLC或者是其他的一些設(shè)備進(jìn)行通訊。

2.3 變頻器的選型

在灌溉的時(shí)候，水泵的流速和轉(zhuǎn)速是成正比的，揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速的三次方也是成正比的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電源的頻率是成正比的。所以，只要我們?nèi)ジ淖冸妱?dòng)機(jī)的電源頻率，水泵的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之改變。這樣就可以去調(diào)節(jié)給水的流量以及水泵的揚(yáng)程。我們將系統(tǒng)設(shè)定為五千瓦，變頻器選擇的是Goodrive200，dsp控制系統(tǒng)是變頻器運(yùn)作的平臺(tái)。利用矢量化的控制技術(shù)，并且配合多種的保護(hù)模式。這樣可以將其應(yīng)用于異步電機(jī)當(dāng)中，它的性能也會(huì)更加好。能夠更好的穩(wěn)定電壓，控制好電流，能夠減少變頻器出現(xiàn)故障的概率，并且也能夠減少它的維護(hù)次數(shù)。

3 測(cè)控中心軟件與GPRS DTU通信

3.1 通信協(xié)議簡(jiǎn)介

GPRS的優(yōu)點(diǎn)非常多，它的通信速度非常快，使用的費(fèi)用也比較低，組網(wǎng)相對(duì)比較的靈活，GPRS DTU具有協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能，它不需要客戶去提供TCP的支持。只要通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。即便是終端設(shè)備不具備TCP協(xié)議，也可以使用GPRS功能，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的電腦上面的測(cè)控中心軟件當(dāng)中。測(cè)控中心軟件就會(huì)把數(shù)據(jù)整理好相應(yīng)的格式，然后再通過(guò)串口發(fā)給組態(tài)軟件。

本通信協(xié)議是符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的，其中組態(tài)軟件是作為主站，負(fù)責(zé)去發(fā)送讀或者是寫(xiě)的命令，測(cè)控中心是作為從站來(lái)使用的，用來(lái)發(fā)送應(yīng)答幀。測(cè)控中心的軟件不止可以連接一臺(tái)終端，它是可以連接許多臺(tái)終端的。并且每一臺(tái)GPRS的終端它的rs485接口也可以連接多臺(tái)的對(duì)外設(shè)備。因此，測(cè)控中心和GPRS的終端是一對(duì)多的關(guān)系。GPRS的終端和外接設(shè)備也屬于一對(duì)多的關(guān)系，通過(guò)對(duì)地址碼的分段就可以確定我們操作的是終端的設(shè)備還是終端外的設(shè)備。

3.2 端口映射

DTU模塊只是數(shù)據(jù)中心的一個(gè)信息服務(wù)器相互通信的模塊，在用戶的信息數(shù)據(jù)服務(wù)當(dāng)中，主要是通過(guò)路由器和公網(wǎng)IP相連接后完成的，用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)器是在局域網(wǎng)中的?？梢院凸W(wǎng)當(dāng)中的DTU模塊進(jìn)行直接的聯(lián)系。二者想要進(jìn)行通信的話，必須通過(guò)端口映射技術(shù)來(lái)完成。

當(dāng)中主要介紹的是用路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)端口映射。其中路由器的IP為60.212.57.124。數(shù)據(jù)中心的局域網(wǎng)IP是192.168.3.11。路由器具有其特定的特點(diǎn)以及轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，所以我們?cè)谕瓿啥丝谟成涞臅r(shí)候使用虛擬的服務(wù)器。利用路由器做好端口映射，也就意味著廣域網(wǎng)服務(wù)端和局域網(wǎng)服務(wù)器之間出現(xiàn)了映射關(guān)系。在廣域網(wǎng)服務(wù)端上面所訪問(wèn)到的信息都會(huì)被重新定義到局域網(wǎng)的服務(wù)器當(dāng)中。也就是說(shuō)，當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的8080端口當(dāng)中的所有數(shù)據(jù)都會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器192.168.3.11上面。同樣的監(jiān)控中心的服務(wù)器192.168.3.11的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)送到計(jì)算機(jī)60.212.57.124上面。

4 智能系統(tǒng)應(yīng)用

（1）管理員會(huì)根據(jù)農(nóng)作物在生長(zhǎng)和發(fā)育的過(guò)程當(dāng)中所需要的水量以及肥量來(lái)制定好相應(yīng)的施肥配方，會(huì)將其編制到系統(tǒng)當(dāng)中，這樣系統(tǒng)就可以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的過(guò)程當(dāng)中，有針對(duì)性的去進(jìn)行灌溉和施肥。實(shí)現(xiàn)智能化的管理，能夠有效地避免大水漫灌，大水漫灌有時(shí)并不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，因?yàn)檗r(nóng)作物和農(nóng)作物之間的生長(zhǎng)條件和狀況都是不同的，并且土壤的營(yíng)養(yǎng)成分也是不同的。有針對(duì)性的智能化控制要比過(guò)去的傳統(tǒng)的灌溉和施肥更加有利，通過(guò)智能化就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉以及精量施肥。并且對(duì)于灌溉區(qū)的農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況的查看也是比較方便的，可以通過(guò)人工來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)Web進(jìn)行遠(yuǎn)程的管理，包括手機(jī)短信，因此管理的途徑是非常的多樣的。對(duì)于農(nóng)民來(lái)說(shuō)，能夠有效地解放生產(chǎn)力，方便了農(nóng)業(yè)的管理。整個(gè)系統(tǒng)是非常完善的，運(yùn)行起來(lái)也非常的穩(wěn)定。包含了許多的功能，包括增加數(shù)據(jù)，刪除數(shù)據(jù)，修改數(shù)據(jù)以及保存和打印等功能。

（2）整個(gè)智能化灌溉系統(tǒng)以GPRS作為數(shù)據(jù)的傳輸方式。通過(guò)控制可以實(shí)現(xiàn)不受地域控制的目標(biāo)。突破了地域的限制，也就代表著我們可以降低在農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程當(dāng)中的勞動(dòng)成本。使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)也可以有效的簡(jiǎn)化智能控制的成本，在很大程度上節(jié)約勞動(dòng)力。整個(gè)傳輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)比較容易，操作起來(lái)也非常的簡(jiǎn)單。

5 結(jié)語(yǔ)

將智能化和灌溉施肥有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，無(wú)論是在節(jié)水還是節(jié)肥方面都有非常大的發(fā)展，能夠滿足現(xiàn)實(shí)的農(nóng)業(yè)的水肥管理，也為日后發(fā)展奠定了更好的基礎(chǔ)，所以說(shuō)具有非常大的推廣價(jià)值。