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智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)_節(jié)水農(nóng)業(yè)解決方案

更新時間:2019-04-30      點擊次數(shù):1577

    智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以稱其為智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng),該系統(tǒng)是托普云農(nóng)物聯(lián)網(wǎng)為保證農(nóng)業(yè)作物需水量的前提下,實現(xiàn)節(jié)約用水而提出的一整套解決方案。智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)簡單的說就是農(nóng)業(yè)灌溉不需要人的控制,系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉,灌溉多長時間;智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以自動開啟灌溉,也可以自動關(guān)閉灌溉;可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量,太濕時減少噴灌量。
     一、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的功能設(shè)計
    智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)要實現(xiàn)上述功能就要充分利用可編程控制器的控制作用。系統(tǒng)要實現(xiàn)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(xiàn)灌溉水量的多與少的調(diào)節(jié),必須要有變頻器。在可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標準濕度,傳感器采集的濕度模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
    針對灌溉水利用系數(shù)較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng)。依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集灌區(qū)作物需水信息,匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給主控中心,中心主機根據(jù)信息確定灌溉狀態(tài)并計算灌水量,控制灌溉設(shè)備工作實現(xiàn)智能灌溉;依托Internet管理員有權(quán)對系統(tǒng)遠程管理,滿足了規(guī)?;喔鹊男枨蟆8鶕?jù)示范區(qū)觀測,灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9。系統(tǒng)結(jié)合了無線傳感、計算和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),解決了農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
    智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù),這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ)。
    智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)植物和土壤種類,光照數(shù)量來優(yōu)化用水量,還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度。有研究現(xiàn)實,和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比,智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的成本差不多,卻可節(jié)水16%到30%。加州出臺的新法案要求2012年起新公司必須使用智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。
    二、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)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,而若安裝一種智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)則可有效地控制水流量,達到節(jié)水目的。HydroPoint公司負責可持續(xù)領(lǐng)域業(yè)務(wù)的Chris Spain援引美國用水工程協(xié)會的報告稱,美國住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)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(shù)不行,美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統(tǒng),們在時間控制上還可以,但度不高。Spain稱,城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的58%,這些被浪費的水資源每年生產(chǎn)54.4萬噸溫室氣體。
    在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右,由于農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)灌溉用水的問題,對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我們的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運而生了。
    不僅美國,英國也開始關(guān)注節(jié)水問題。英國節(jié)能信托基金會和能源部警告,隨著越來越多的家庭開始節(jié)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、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)工作原理
    灌溉系統(tǒng)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(zhuǎn)換,將標準的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號,輸入到可編程控制器??删幊炭刂破鲀?nèi)預(yù)先設(shè)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(nèi),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(jù)濕度值,相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度自動旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時電磁閥自動關(guān)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(cè)安裝一塊壓力表,保證個噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程,避免發(fā)生因為水壓不足,噴頭射程減少的現(xiàn)象。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。
    綜上所述,要實現(xiàn)智能灌溉,系統(tǒng)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(wǎng)和噴頭等設(shè)備。
    可編程控制器:負責發(fā)出和接收各種運行程序指令,是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。
    傳感器:由于本次設(shè)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。
A/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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
    變頻器:通過改變電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量,達到節(jié)水的目的。
    電動機、水泵:由電動機帶動水泵從水源抽水,為噴灌系統(tǒng)提供一定的壓力。
    電磁閥:控制噴頭的噴灌與否。
    噴頭:實現(xiàn)均勻噴灑,便于充分吸收。
    管網(wǎng):灌溉系統(tǒng)輸送水的管路。
    四、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計特點
    1、系統(tǒng)模塊化、層次化設(shè)計,以提率,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(shè)備,而不需要更換軟件;
    3、人機界面友好,實現(xiàn)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(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行;
    5、故障自動檢測功能,提高系統(tǒng)的健壯性,各種設(shè)備的布局要求美觀。
    五、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的9大功能
    為了大限度地節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制,灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能:
    1、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)變成數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)。
    2、控制功能:具有定時控制、循環(huán)控制的功能,用戶可根據(jù)需要靈活選用控制方式。
自動控制功能:可編程控制器通過程序?qū)鞲衅鳈z測的濕度信號與預(yù)先設(shè)定的標準濕度范圍值相比較,如果檢測的濕度值超出了設(shè)定濕度值,(低于設(shè)定值則調(diào)大電動機轉(zhuǎn)速,高于設(shè)定值則調(diào)小電動機轉(zhuǎn)速)則自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速,進行灌溉操作。
    定時控制功能:系統(tǒng)可對電磁閥設(shè)定開、關(guān)時間,當灌溉的濕度值達到設(shè)定的濕度值時,電動機自動停止灌溉。
    循環(huán)控制功能:用戶在可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好控制程序,分別設(shè)定起始時間、結(jié)束時間、灌溉時間、停止時間,系統(tǒng)按設(shè)定好的時間自動循環(huán)灌溉。
     變速功能:當前所測的土壤濕度值與預(yù)先設(shè)定的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(jié)果,即可將濕度分為高濕度、中濕度、低濕度三種狀態(tài)。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個狀態(tài)自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,電動機設(shè)有高速,中速,低速3種旋轉(zhuǎn)速度,分別對應(yīng)高速,中速,低速三個指示燈。
    4、自動轉(zhuǎn)停功能:控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌,控制電動機以所需的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,噴頭噴灌5分鐘,停2分鐘,再噴5分鐘后自動停轉(zhuǎn)。
    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(zhuǎn)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(fù)運轉(zhuǎn)。
    6、陰雨天自動停止:利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個可編程控制器的輸入信號,實現(xiàn)控制相關(guān)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(nèi),由定時器接通可編程控制器的電源,可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源,并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)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(tǒng)耗費的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。
    8、急停功能:當出現(xiàn)緊急意外事故時,按下急停按鈕,電動機立即停止運轉(zhuǎn),閥門關(guān)閉,噴頭停止灌溉。
    9、故障自動檢測功能:當灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)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(guān)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、智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要意義
    智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)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(nóng)作物的產(chǎn)量,降低農(nóng)產(chǎn)品的成本?;趥鞲衅骷夹g(shù)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展農(nóng)業(yè)和精細農(nóng)業(yè)的必由之路。

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