灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制

1、灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)綠化工程水平的要求越來越高。同時(shí)，為進(jìn)一步解決水資源、能源的短缺和人工成本增加等問題，越來越多的綠化工程采用自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)。目前常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)、ET智能灌溉系統(tǒng)、中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)兩大類。時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)將灌水開始時(shí)間、灌水延續(xù)時(shí)間和灌水周期作為控制參量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)灌水。其基本組成包括：控制器、電磁閥，還可選配土壤水分傳感器、降雨傳感器及霜凍傳感器等設(shè)備。其中控制器是系統(tǒng)的核心。灌溉管理人員可根據(jù)需要將灌水開始時(shí)間、灌水延續(xù)時(shí)間、灌水周期等設(shè)置到控制器的程序當(dāng)中，控制器既通過電纜向電磁閥發(fā)出信號(hào)，開啟或

2、關(guān)閉灌溉系統(tǒng)?？刂破鞯姆N類很多，可分為機(jī)電式和混合電路式，交流電源式和直流電池操作式等。其容量有大有小，最小的控制器只控制單個(gè)電磁閥，而最大的控制器可控制上百個(gè)電磁閥。電磁閥一般為交流24伏隔膜閥，通過電纜與控制器相連。電磁閥啟閉時(shí)有一定時(shí)間的延遲，這一特性可有效防止管網(wǎng)中的水擊現(xiàn)象，保護(hù)系統(tǒng)安全。目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)，基本上均為時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)。ET智能灌溉系統(tǒng)ET智能灌溉系統(tǒng)，將與植物需水量相關(guān)的氣象參量（溫度、相對(duì)濕度、降雨量、輻射、風(fēng)速等）通過單向傳輸?shù)姆绞?，自?dòng)將氣象信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息傳遞給時(shí)序控制器。使用時(shí)只需將每個(gè)站點(diǎn)的信息（坡度、作物種類、土壤類型、噴頭種類等）設(shè)定完畢，

3、無需對(duì)控制器設(shè)定開啟、運(yùn)行、關(guān)閉時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件、土壤特性、作物類別等不同情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精確灌溉。中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，將與植物需水相關(guān)的氣象參量（溫度、相對(duì)濕度、降雨量、輻射、風(fēng)速等）通過自動(dòng)電子氣象站反饋到中央計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)決策當(dāng)天所需灌水量，并通知相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備，開啟或關(guān)閉某個(gè)子灌溉系統(tǒng)。在中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)中，上述時(shí)序控制灌溉系統(tǒng)可作為子系統(tǒng)。美國(guó)亨特公司開發(fā)的IMMS中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，可通過有線、無線、光纜、電話線、甚至手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等方式對(duì)無限量的子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，如對(duì)小到一個(gè)公園、大到一個(gè)城市甚至幾個(gè)城市的所有園林灌溉

4、系統(tǒng)，均可由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。這種中央計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)是真正意義上的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。目前在很多發(fā)達(dá)國(guó)家的園林綠地灌溉系統(tǒng)，以及高爾夫球場(chǎng)的灌溉系統(tǒng)中已被廣泛采用。例如，在美國(guó)拉斯維加斯城，只用了三套中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將所有和花卉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，一套用于控制全城的公園綠地、街道花卉等灌溉，另兩套則用于130多所大學(xué)的所有綠地灌溉。上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC / 單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位

5、機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。簡(jiǎn)言之如此，實(shí)際情況千差萬別，但萬變不離其宗：上下位機(jī)都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。在概念上上位機(jī)控制者和提供服務(wù)者是上位機(jī)被控制者和被服務(wù)者是下位機(jī)也可以理解為主機(jī)和從機(jī)的關(guān)系但上位機(jī)和下位機(jī)是可以轉(zhuǎn)換的工作原理折疊編輯本段兩機(jī)如何通訊，一般取決于下位機(jī)，TCP/IP一般是支持的，但是下位機(jī)一般具有更可靠的獨(dú)有通訊協(xié)議，購買下位機(jī)時(shí)，會(huì)帶一大堆手冊(cè)光盤，告訴你如何使用特有協(xié)議通訊，里面會(huì)舉大量例子，一般對(duì)編程人員而言一看也就那么回事，使用一些新的API罷了，多語言支持功能模塊，一般同時(shí)支持?jǐn)?shù)種高級(jí)語言為上位機(jī)編程。通常上位

6、機(jī)和下位機(jī)通訊可以采用不同的通訊協(xié)議可以有RS232的串口通訊或者采用RS485串行通訊當(dāng)用計(jì)算機(jī)和PLC通訊的時(shí)候不但可以采用傳統(tǒng)的D形式的串行通訊還可以采用更適合工業(yè)控制的雙線的PROFIBUS-DP通訊采用封裝好的程序開發(fā)工具就可以實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)的通訊，當(dāng)然可以自己編寫驅(qū)動(dòng)類的接口協(xié)議控制上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。上位機(jī)通常工控機(jī)，工作站，觸摸屏作為上位機(jī)，通信控制PLC，單片機(jī)等作為下位機(jī)，從而控制相關(guān)設(shè)備元件和驅(qū)動(dòng)裝置。我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的農(nóng)業(yè)大國(guó)，大力推廣節(jié)水型農(nóng)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，節(jié)水灌溉是節(jié)水農(nóng)業(yè)的核心，它是通過采用先進(jìn)的灌溉方法和技術(shù)將水源盡可能均勻、適度的分配

7、到作物根區(qū)土壤中，使土壤經(jīng)常保持適宜于作物生長(zhǎng)的水分、通氣和營(yíng)養(yǎng)狀況；從而達(dá)到提高灌溉水利用效率和水產(chǎn)出效率的目的。 一. 噴灌 噴灌是將灌溉水通過噴灌系統(tǒng)（或噴灌機(jī)具），形成具有一定壓力的水，由噴頭噴射到空中，形成水滴狀態(tài)，灑落在土壤表面，為作物生長(zhǎng)提供必要的水分。噴灌比地面灌可提高產(chǎn)量15一25；灌水均勻度一般可達(dá)到80一85，水的有效利用率為80以上，用水量比地面灌溉節(jié)省3650；噴灌可用于各種類型的土壤和作物，受地形條件的限制??；可以提高工效20一30倍；可提高耕地利用率7一15。 但噴灌受風(fēng)的影響大，3一4級(jí)以上風(fēng)力時(shí)應(yīng)停止噴灌。噴灌的蒸發(fā)損失相對(duì)較大。噴灌系統(tǒng)組成： 水源工程、首部

8、裝置、輸配水管道系統(tǒng)和噴頭等噴灌系統(tǒng)形式：管道式噴灌系統(tǒng)和機(jī)組式噴灌系統(tǒng) a：管道式噴灌系統(tǒng)：以輸配水管網(wǎng)為主體，在我國(guó)使用比較廣泛。 b：機(jī)組式噴灌系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，機(jī)械利用率高，單位噴灌面積的投資較低，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中具有廣泛的使用前景。 二. 微灌 微灌是利用微灌設(shè)備組裝成微灌系統(tǒng)，將有壓水輸送分配到田問，通過灌水去以微小的流量濕潤(rùn)作物根部附近土壤的一種局部灌水技術(shù)。微灌可以非常方便地將水施灌到每一株植物附近的土壤，經(jīng)常維持較低的水應(yīng)力滿足作物生長(zhǎng)需要。微灌省水、省工、節(jié)能，灌水器的工作壓力一般為50一150kpa；灌水均勻度高，可達(dá)80一90以上；增產(chǎn)、對(duì)土壤和地形的適應(yīng)性強(qiáng)。

9、但微灌系統(tǒng)投資一般要遠(yuǎn)高于地面灌；灌水器出口很小，易堵塞，敵對(duì)過濾系統(tǒng)要求高。微灌系統(tǒng)組成：水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、灌水器以及流量、壓力控制部件和量測(cè)儀表等。 微灌系統(tǒng)形式：滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌。 a. 滴灌 滴灌是利用安裝在末級(jí)管道上的滴頭，或與毛管制成一體的滴灌帶將壓力水以水滴狀濕潤(rùn)土壤，滴灌灌水器的流量為212L/h。 b. 微噴灌 微噴灌是利用直接安裝在毛管上，或與毛管連接的微噴頭將壓力水以噴灑狀濕潤(rùn)土壤。微噴頭有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。前者噴射范圍小，水滴?。缓笳邍娚浞秶^大，水滴也大些，故安裝的間距也大。微噴頭的流量通常為20250Lh。 c. 小管出流 小管出流灌溉是利

10、用4mm的小塑料管與毛管連接作為灌水器，以細(xì)流（射流）狀局部濕潤(rùn)作物附近土壤。對(duì)于高大果樹通常圍繞樹干修一滲水小溝，以分散水流，均勻濕潤(rùn)果樹周圍土壤，小管灌水器的流量為80250L/h。 d滲灌 滲灌是利用一種特別的滲水毛管埋入地表以下3040cm，壓力水通過滲水毛管管壁的毛細(xì)孔以滲流的形式濕潤(rùn)其周圍土壤。由于它減小土壤表面蒸發(fā)，是用水量最省的一種微灌技術(shù)。滲灌毛管的流量為23L/hm。 三. 行走式節(jié)水灌溉技術(shù) 1采用農(nóng)村普遍使用的小拖拉機(jī)作動(dòng)力，不需專配動(dòng)力機(jī)械，因此，減少灌溉機(jī)的造價(jià)，并使拖拉機(jī)充分利用。 2適應(yīng)性強(qiáng)，只要有水源，田間不需任何工程就可灌溉，流動(dòng)服務(wù)，便灌溉便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

11、 3先進(jìn)的局部灌溉技術(shù)，水只濕潤(rùn)作物處的土地。同時(shí)抓住作物種苗期和最關(guān)鍵的需水期灌溉一、兩次，節(jié)水效果明顯，一般播種時(shí)每畝只需48立方米水，幼苗期每畝8一10m3水，其它關(guān)鍵生育期每畝1O20立方米水。 4可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多形式灌水技術(shù)如噴灌、淋灑灌、條灌、溝灌，小畦灌等。 5與我國(guó)氣象特征密切配合，充分利用天然降水和土壤墑情。 6和我國(guó)的節(jié)水農(nóng)藝密切結(jié)合，按耕種方式壟作溝播和平作配套機(jī)具，采用種苗期覆地膜保墑等。 配套機(jī)具有兩類型五品種： 播種地下灌水機(jī)：穴播穴灌（覆膜）機(jī)，耕整地條播條灌機(jī)，硬茬地（免耕）條播條灌機(jī)。 行走式灌溉：種苗噴淋灌溉機(jī)，懸掛卷管式灌溉機(jī)。 四. 卷管行走式節(jié)水灌溉機(jī)

12、1、功能 用于小麥、玉米、棉花、豆類、蔬菜等作物干旱季節(jié)的播種催苗、保全幼苗及作物苗期、生長(zhǎng)期及灌漿期等的灌水。洪澇期間還可用于排澇。 2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 小四輪拖拉機(jī)前方帶水泵、后方帶纏繞改性PE管的卷盤，使用時(shí)拖拉機(jī)懸掛卷盤運(yùn)輸?shù)叫韫嗨剡?，放下卷盤拉機(jī)PE管至地頭，管的人口端的卷盤上，與拖拉機(jī)前方的水泵出口聯(lián)接，管的出口端與灌水小車聯(lián)接。灌水小車裝在懸架，其中有橫置水管，管上裝灌水器，其特點(diǎn)是： 1拖拉機(jī)停在地邊而不進(jìn)地里，灌水小車在卷盤的牽引下，一邊灌溉，一邊往卷盤方向牽引回收。 2卷盤旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)和液壓泵齒輪箱等提供，不用單配驅(qū)動(dòng)機(jī)。 3水泵動(dòng)力用拖拉機(jī)的柴油機(jī)，皮帶輪帶動(dòng)

13、抽水。 4灌水小車可上下、左右伸縮，以適合作物的高度和行距避免壓苗。 5. 更換灌水小車的灌水器（噴淋器、穴灌器、噴頭、施水管袋等）可以進(jìn)行條灌，穴灌，噴灌、溝灌、畦灌等。 6灌水小車行走速度可調(diào)，以適應(yīng)不同需水要求。 7結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，機(jī)動(dòng)性好；適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格較低。 3、主要技術(shù)參數(shù)： 配套動(dòng)力：8.8一11KW （小四輪機(jī)） 卷管長(zhǎng)度: 120m 卷盤直徑：1.38m 小車行走速度 噴淋110m/h 噴灌11m/h 噴灑器總共45個(gè)（根據(jù)不同農(nóng)作物調(diào)節(jié)數(shù)量） 噴頭1個(gè): PY40型（噴嘴直徑16mm） 灌水效率:噴淋23畝/天（工作9小時(shí)） 噴灌7.5畝/天 整機(jī)灌水量 噴淋7.6立方

14、米/畝 噴灌20立方米/畝摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的人工澆灌方法浪費(fèi)水資源、浪費(fèi)人力物力、不能根據(jù)植物需要及時(shí)澆灌等缺點(diǎn)，我們進(jìn)行了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可綜合考慮環(huán)境溫度、濕度及季節(jié)的變化，自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行澆灌，可節(jié)約用水、用電及人力成本。系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊、濕度采集模塊、自動(dòng)灌溉控制器、信息顯示模塊等部分。園林灌溉的目的是有效的園林規(guī)劃設(shè)計(jì)和園林灌溉用水管理不僅需要考慮綠化植物的水分需求,以及灌溉系統(tǒng)在輸送這些水分時(shí)的工作情況。同時(shí)也需要考慮由于植物水分需求中的不確定性、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避等因素而在管理中施加的額外的水量。該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制器，將溫度和濕度信息以及時(shí)間信息進(jìn)行綜合考

15、慮控制灌溉的時(shí)間。 在實(shí)現(xiàn)以上功能的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了較好的人機(jī)交互平臺(tái)：在需要灌溉時(shí)，出現(xiàn)水源中斷的情況或灌溉完畢時(shí)，有語音提示；利用TFT液晶屏將采集到的信息用圖表的方式呈現(xiàn)在用戶面前，使信息反映的更直觀。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了上位機(jī)操作軟件，利用上位機(jī)進(jìn)行灌溉信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)人工控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)的切換，保障植物的健康成長(zhǎng)，節(jié)約水電及人力資源1、本作品添加了歷史記錄功能，避免了傳統(tǒng)人工記錄植物生長(zhǎng)環(huán)境的麻煩環(huán)節(jié)，節(jié)省了人力資源。 2、綜合考慮了植物的周圍的溫度、濕度等因素，運(yùn)用了MatlaB的線性擬合技術(shù)，得到最佳灌溉用水量，保證植物的生長(zhǎng)，提高了灌溉精確度。 3、在自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，可以通過人工修改灌溉參數(shù)，及時(shí)調(diào)整水源環(huán)境