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智能网络滴灌控制系统设计与实现
智能网络滴灌控制系统设计与实现
摘要:该文介绍了一个低成本的智能化滴灌网络控制系统。为了解决滴灌系统长期依赖进口的现状,该设计通过模块化设计,建立分层管理结构,以满足不同的应用需求。它可以通过无线传感器网络监测土壤湿度,空气温度和光强度的变化,在广州农业机械公司基地试验通过。
关键词:滴灌;无线传感网络;分层管理结构
中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2013)23-5328-03
作为节水效果最好的灌溉技术之一,滴灌在我国引起重视并得到了前所未有的推广与应用,特别是最近10年,其发展速度之快雄居世界前列。目前我国的滴管应用主要集中在新疆农业产区,而其他省市的应用却并不尽如人意。主要原因在于其他省市多为小田管理,机械化水平不高。此外,高科技的滴灌控制系统基本依赖进口,价格高昂,为了节省投资,只能简化设备环节,从而导致滴灌控制系统不完善,成本较高,加上缺乏必要的科技软件管理,滴灌效应没有得到充分发挥。
因此,高智能化滴灌控制系统的自主研发是解决我国滴灌技术推广障碍的关键。该文的智能滴灌网络控制系统实现了模块化设计,不仅仅适用于大田,还适用于小田,一方面可以大大降低农业成本,另外一方面节水节电,使高科技真正服务于农业生产。
1 系统设计的目标
1)系统采用模块化的设计,可以根据不同的农业规模自由组合成大小不同的滴管网络,大大降低了成本。
2)系统采用廉价稳定的无线通信网络,适合于全国范围,不需要建造大型发送接收设备,可大大降低了通信设备成本和通信费用,使整个网络真正智能管理成为可能。
3)根据不同的环境、气候和作物,建立一系列完整的专业农业滴灌分析系统。系统能把各种滴灌数据通过计算机精确分析处理,制定出一套完全智能化的控制管理系统。
2 系统架构与软件设计
2.1 系统架构
系统结构如图1所示,整个系统由一个监控主站、若干个田间控制分站、若干田间控制器、电磁阀、通信系统和供电系统组成。
1) 监控主站
监控主站主要由三个功能模块组成:现场数据监控系统、后台数据处理系统和远程监控。
现场数据监控系统:实时采集和记录田间的各项数据,以经过分析和计算后,通过数字、图表等方式实时显示和记录监测信息。
后台数据处理系统:将现场采集的环境数据做融合处理,对生产环境做准确的评估,为专业技术人员采取措施提供依据。
2) 田间控制分站
田间控制分站系统采用单片无线通信网络系统的设计,体积小,价格低。它能实现田间滴灌管理要求,又能根据通讯协议,在小范围内组成自己的网络,成本低,稳定可靠。根据应用范围的不同,可以分为两种应用模式:
大田滴灌应用模式
此模式是一种以低成本的单片机系统为中心,首先将实时数据通过GSM/CDMA无线模块传输到监控主站,经过监控主站分析处理后,用单片无线通信网络传输相应处理指令,田间控制模块根据指令完成滴灌工作,并反馈信息。
小田滴灌应用模式
此模式以嵌入式Linux系统为中心,无需建立监控主站。首先将实时数据经过自身系统分析处理后,产生相应处理指令。用单片无线通信网络传输相应处理指令,田间控制模块根据指令完成滴灌工作,并反馈信息。
3) 田间控制器
如图2所示,田间控制器的功能是控制电磁阀门开关和接入各种温度、湿度传感器终端并实时采集数据。田间控制器通过自身的单片无线通信网络与田间控制分站联系。
基于灌溉时农作物需水量主要跟其所处环境的温度、空气湿度、光照度和土壤湿度密切相关,因此本系统采用了温湿度传感器、土壤湿度传感器和光照度传感器进行环境数据采样。
系统选用AQUA-TEL-TDR型土壤湿度传感器,P9003光敏电阻和A03010/3010温湿度传感器。电磁阀采用DC24V工作电源。AQUA-TEL-TDR型土壤湿度传感器测量精度为[±3%],量程0~100%,工作电压12VDC,输出信号4~20mA,稳定时间为通电后1s;A03010/3010温湿度传感器测量精度为[±0.2°C],量程[-40°C~80°C],工作电压24VDC,输出信号4~20mA。
传感器的输出电流信号通过高精度电阻转换为0~5V电压后,再由AD转换器转换成数字信号,通过单片无线通信网络模块将数据传输给田间控制分站和监控主站进行数据处理。另一方面,田间控制分站会将控制命令传输给田间控制器,从而控制电磁阀的启闭。
4) 通信系统
系统采用两级无线通信网络。近距离采用低成本的单片无线通信网络,远距离采用成熟稳定的移动通信网络,不需要建设大功率的无线收发设备,大大降低成本。
田间控制分站与田间控制器之间由于数据量较少,距离较短,通信距离大
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