我国智能农田灌溉控制系统研究的三种成果,农田水利论文

　　我国人均水资源短缺，尤其是农业灌溉用水，地域性分布极其不均，大力发展农田灌溉节能节水控制系统是目前我国农业灌溉急需攻克的关键性课题。随着计算机技术以及工业自动化技术的进步，越来越多的自动控制系统应用在农田灌溉方面。这些自动化灌溉技术较多地应用于农田广阔的地区，通常耕地分块不一，或零散或集中，设备的工作条件、工作环境有较大波动。当前，我国应用的农业灌溉自动化系统多为进口，这些系统功能十分全面，适用性比较广泛，但是价格太高，多数地区无力承担，无法大范围推广。

　　针对我国农业灌溉的国情，许多学者对开发适合我国应用的农田自动灌溉系统这一课题表现出了浓厚的兴趣，并取得了一系列成果。本文主要就目前研究较多的基于可编程逻辑控制器( PLC) 的智能系统、基于单片机的智能节水灌溉系统，以及手机短信( SMS)远程控制灌溉系统的原理和硬件选择进行了讨论。

　　1 基于 PLC 的农田智能灌溉系统

　　作为智能灌溉控制系统的三大类控制核心之一的PLC，与单片机和工控机相比具有其特殊优势。PLC 较之单片机，具有稳定性良好的特点，较之工控机又具有较高的普及性，同时还具有单片机低成本、高灵活性的特点，目前在智能灌溉系统中应用较多。

　　1. 1 基于 PLC 的智能灌溉系统工作流程

　　该系统采用模糊控制的理论模型来实现对系统的控制，该模型对于农作物需水量的推理比较可信。硬件系统采用 DCS 系统，以日本某公司 PLC 产品作为下位机，输入点与输出点一一对应，共计 24 对，采用 24V直流电源供电，传感器为国内某公司 S302H 形湿度传感器。系统数据处理过程为: 由铺设在田间的多组传感器采集湿度信号，经模数转换之后进入 PLC 系统，并通过上位 PC 机实现对数据的批量处理、储存以及模糊模型的模拟，进而对采集到的数据进行图形化处理和显示工作等，最后将模拟结果作为控制指令通过下位机对灌溉系统实现控制。该控制主要利用光电效应对灌溉硬件系统的电磁阀以及灌溉管道进行管理。

　　1. 2 控制软件的设计

　　对该 DCS 系统的控制由两部分实现，第一部分是对上位机实现控制，采用 VB 语言设计，主要功能为实现大量数据的保存以及相应参数的实时监控; 第二部分为下位机控制软件，由下位机生产公司提供的 FXGP_WIN_C 梯形图编程语言完成软件开发。上位机和下位机之间的通信软件采用 VB 语言开发。

　　1. 3 模糊控制模型特点

　　模糊控制模型主要以土壤相对湿度及含水率的变化作为控制系统的激励信号，利用模糊控制原理建立灌水需求量的预测模型，并通过下位机实现对灌溉系统中电磁阀的远程控制。仿真实验结果表明，该系统应用模糊控制模型可实现快速计算作物需水量，并对多种作物建立需水量模型，有效实现不同环境下农田灌溉的智能控制。

　　2 基于单片机的智能控制系统

　　该系统基于 16 位单片机进行设计，主要对以下几个方面进行针对性改进: 大功率电动机的软启动以及软停止控制方式; 低压条件下无功补偿策略; 实现对多用户灌溉系统的控制。

　　2. 1 创新设计说明

　　电动机软启动与软停止可有效防止电机突停突起给电网带来的冲击，降低电网故障的可能性，保证农田灌溉的顺利进行。该设计软启动模块设计中，在电源以及大功率电动机的转子间加入调压模块，该模块采用 MJSY-QKJL( 三相反并联晶闸管) ，可将检测到的电压信号与基准值进行比较，确定启动方式并调整晶闸管导通角进行输出电压的控制，使电动机转速逐渐变化，以达到软启动和软停止的目的。

　　2. 2 实现策略

　　大功率电动机的软启动通常采用两种方式，即限流启动与限压启动。以限压启动为例，限压启动一般采用电压负反馈闭环控制策略实现，调压模块中输入电压为直流电压，与电动机运行中的交流电压成复杂的非线性关系，需对其进行分段分析，输出两者比值，直到达到额定电压值。此时，三相开关旁路，电动机并网运行，实现限压软启动。

　　在电动机负载不准突降为零必须缓慢下降的工况中，电动机应当采取软停止。该策略的实现主要依靠三相晶闸管的导通角逐渐减小，使电动机输入电压缓慢降低至零，在一段时间内实现电动机的软停止，避免水击。

　　无功补偿设计主要依靠电能计量芯片，对无功功率、有功功率、三相电机无功电能完成测量并根据各自的功率因数，确定控制策略，完成相对应电容的接入以及移除，实现末端的低压段无功补偿过程。

　　3 手机短信( SMS) 远程控制灌溉系统

　　该控制系统主要借助无线通信方式，采用短信对灌溉系统进行远程控制，基本模式为手机短信可实时查询农田湿度以及含水率等参数，并分析该参数是否满足灌溉要求，通过手机短信完成指令发送，进行农田灌溉活动。

　　3. 1 系统构成

　　由下图可知，该系统主要构成为: 在田间铺设一定数量土壤温度、湿度传感器，空气温度、湿度传感器在采集相关信息后进行模数转换，并通过下位单片机传输至上位服务器，这些数据经过上位服务器处理后，得出分析结果，用户可通过手机、固话或个人 PC 进行查询，并通过无线数据传输模块对服务器下达指令。单片机实时监控上位服务器的指令发送情况，以完成对电磁阀的控制，实现农田灌溉。

论文摘要

　　3. 2 系统主要技术

　　该系统可供农民对农田灌溉实现远程操控，主要包括的技术有远程短信控制客户端，该客户端主要用于将用户命令以及用户 ID 转换为控制下位单片机的二进制代码以及将服务器传来的信息转换为 PDU 串，供用户手机接收使用; 无线数据传输技术设计与短信文本算法设计，该技术基于 GSM 通信技术，利用 PDU短信格式可发送中英双语短信，便于用户控制和使用;远程传输协议，该协议主要完成短信的接收和发送用户控制指令、完成农田数据信息的传输功能。

　　3. 3 系统特点

　　该系统利用短信进行远程操控，有效降低了现场管理的人员成本投入，同时优秀的 GSM 系统可有效地防止信号干扰，实现数据的准确传输。另外，由于该系统客户端基于 Windows 系统开发，因此可以在控制系统以及指令发送方面具备简单易行的特点，用户无需具备太多专业知识即可实现对该智能灌溉系统的控制。该控制系统具有足够大的储存空间，可常年运行;可集成远程视频监控，监测田间情况; 还可构建基于Internet 的本地服务器，实现农田灌溉的网络管理。

　　4 结语

　　本文主要介绍了我国学者在研究智能农田灌溉控制系统这一课题过程中的三种成果，通过以上分析可知，三种方法各具特点，适用范围不同，可在不同地区针对不同作物进行推广使用。大力发展智能控制灌溉系统不仅可以减少大量人力的投入，还可对农田实现科学灌溉，实现节能节水的战略目标，对于保证我国农田生产和优化水利条件具有十分重要的作用。

　　参考文献

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