毕业设计
题目名称：宁夏理工学院
智能节水喷灌系统的设计
学院：电气信息工程学院专业班级：自动化13101
学生姓名：贾磊
学号：40513131
指导教师：姜顺清
摘要
宁夏理工学院的灌溉系统相对传统，耗费大量人力，物力，财力。并且无法改善盐碱地的土壤PH值。导致处于盐碱地的校内植被大量死亡，生长速度慢。用宁夏理工学院智能节水灌溉系统，实施节水灌溉能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用，并且改善盐碱地的土壤PH值，从而增加植被，绿化校园。因此，加速开发适合校区的可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的。
关键词
智能灌溉土壤湿度土壤盐碱
Design of intelligent water-saving irrigation system in Ningxia
Institute of Science and Technology
Abstract
The irrigation system of Ningxia Institute of Science and Technology is relatively traditional, consuming a lot of manpower, material resources and financial resources. And can not improve the pH value of saline soil. Resulting in a large number of vegetation in the saline alkali soil, the growth rate is slow. Ningxia Institute of Science and Technology intelligent water saving irrigation system, water-saving irrigation system can automatic monitoring of soil moisture for crop growth, it can timely and adequate irrigation of crops to efficient irrigation, water saving, energy saving effect, and improve the soil pH value of saline alkali soil, thus increasing vegetation, green campus. Therefore, it is very necessary and urgent to accelerate the development of reliable, low-cost, high efficiency and advanced intelligent water-saving irrigation control system.
Key word
Intelligence、irrigation、soil moisture、Soil salinity
宁夏理工学院的智能节水灌溉系统
1 设计研究背景
1.1 节水灌溉系统概述
现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。
而宁夏理工学院的灌溉系统相对传统，耗费大量人力，物力，财力。并且无法改善盐碱地的土壤PH值。导致处于盐碱地的校内植被大量死亡，生长速度慢。用宁夏理工学院智能节水灌溉系统，实施节水灌溉能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用，并且改善盐碱地的土壤PH值，从而增加植被，绿化校园。因此，加速开发适合校区的可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的。单片机控制的滴灌节水灌溉系统，该系统可对不同土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水，其核心是单片机和PC机构成的控制部分，主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
1.2 设计研究背景
生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。
随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。水资源危机己成为全球性的突出问题，越来越受到国际社会的重视和关注。专家们曾预言，如果不注意保护水节约水，地球上剩下的最后一滴水将是人类的眼泪。利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。
当前，占世界人口总量40％的80个国家缺水，其中26个国家严重缺水。我国
有2．8万亿m3的水资源总量，全世界排第6位，但人均水资源不足世界水资源的1／4，排在世界人均占有水资源量的第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一，目前，我国每年缺水量近400亿m3，其中农业缺水约300亿m3。我国用水大户仍然是农业用水，约占70％，而农业用水的90％是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高，全国平均每亩实际灌水量达到450--500 m3，超过实际需水量的1倍左右，有的地区高达2倍以上。与一些发达国家相比，我国农业的用水效率还是相当低的，灌溉水资源的浪费情况相当严重，节水的潜力十分巨大。据统计：目前我国灌溉水利用率只有40％左右，水分生产率不足1．0 kg／m 3；而发达国家的灌溉水利用率可达80％～90％，水分生产率在2．0 kg／m 3以上。如果采用先进的灌溉技术，将我国的灌水利用率提高到60％～70％，则在目前情况下每年可节约灌溉用水O．10～O．15万亿m3。这样，通过发展节水灌溉，在减少(最起码不增加)农业用水总量的前提下，满足灌溉需要，同时把节约出来的水量用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。
1.2.1 宁夏理工学院的气候特征及降水量
石嘴山市地处内陆，典型的温带大陆性气候，全年日照充足，降水量集中，蒸发强烈，空气干燥，温差较大，无霜期短。夏热而短促，春暧而多风，秋凉而短早，冬寒而漫长。年平均气温8.4℃～9.9℃。年最低平均气温-19.4℃～-23.2℃，年最高平均气温32.4℃～36.1℃。年平均降水量的地理分布较为均匀，全市年平均降水量在167.5毫米～188.8毫米。年蒸发量在1708.7～2512.6毫米，是降水量的10～14倍，处于干旱半干旱地区。
1.2.2宁夏理工学院的土壤特征
宁夏理工学院校区内存在大量的盐碱地地区。各种盐碱土都是在一定的自然条件下形成的，其形成的实质主要是各种易溶性盐类在地面作水平方向与垂直方向的重新分配，从而使盐分在集盐地区的土壤表层逐渐积聚起来。影响盐碱土形成的主要因素有：
气候条件，在我国东北、西北、华北的干旱、半干旱地区，降水量小，蒸发量大，溶解在水中的盐分容易在土壤表层积聚。夏季雨水多而集中，大量可溶性盐随水渗到下层或流走，这就是“脱盐”季节；春季地表水分蒸发强烈，地下水
中的盐分随毛管水上升而聚集在土壤表层，这是主要的“返盐”季节。东北、华北、半干旱地区的盐碱土有明显的“脱盐”“返盐”季节，而西北地区，由于降水量很少，土壤盐分的季节性变化不明显。
地理条件，地形部位高低对盐碱土的形成影响很大，地形高低直接影响地表水和地下水的运动，也就与盐分的移动和积聚有密切关系，从大地形看，水溶性盐随水从高处向低处移动，在低洼地带积聚。盐碱土主要分布在内陆盆地、山间洼地和平坦排水不畅的平原区，如松辽平原。从小地形（局部范围内）来看，土壤积盐情况与大地形正相反，盐分往往积聚在局部的小凸处。
土壤质地和地下水，质地粗细可影响土壤毛管水运动的速度与高度，一般来说，壤质土毛管水上升速度较快，高度也高，砂土和粘土积盐均慢些。地下水影响土壤盐碱的关键问题是地下水位的高低及地下水矿化度的大小，地下水位高，矿化度大，容易积盐。
河流和海水的影响，河流及渠道两旁的土地，因河水侧渗而使地下水位抬高，促使积盐。沿海地区因海水浸渍，可形成滨海盐碱土。
耕作管理的不当，有些地方浇水时大水漫灌，或低洼地区只灌不排，以致地下水位很快上升而积盐，使原来的好地变成了盐碱地，这个过程叫次生盐渍化。为防止次生盐渍化，水利设施要排灌配套，严禁大水漫灌，灌水后要及时耕锄。
1.3灌溉控制系统的发展趋势和研究现状综述
1.3.1 灌溉控制系统的发展趋势
随着可编程控制器技术的发展，其发展趋势将体现在以下几个方面：进一步加快CPU的处理速度；变革操作控制方式；发展智能化模块；进一步提高可靠性；提供更方便灵活的编程方法，让PLC使用更加方便；PLC的结构和规模更趋向两极分化，即大型化和小型化；PLC更加规范化，标准化；加强PLC的联网功能；PLC存储容量及存储特性
灌溉技术改进和发展趋势主要包括以下几个方面：采用激光平地等技术进行精细平地，促进田间水均匀分布；田间灌水设施自动化；研究应用地面灌溉自适应控制系统，形成灌溉早期入渗速度，行水控制，停水时间和灌溉效率的水管理系统；建立区域供水管理系统，采用计算机，PLC等新技术进行水管理，并实现钟建轻管向重改重管的改变。
1.3.2 灌溉控制系统的研究现状综述
我国把节水灌溉作为国民经济可持续发展的一项重要措施和战略任务，同时也是建设帮保护干旱、半干旱地区生态环境的一条重要途径，目前，世界上许多工业国家把PLC的使用作为衡量电气控制水平的标志，PLC汇集了超大规模集成电路的众多优点，把它应用在节水灌溉控制系统中，能够简化硬件结构、提高可靠性、增加灵活性，可收到人们常说的“以软(件)代硬(件)”的效果，研制和推广节水灌溉技术是实现农业现代化的需要。
我国在开发灌溉自动控制系统方面与发达国家差距较大，还处于研制、试用阶段，随着水资源的日趋紧张及信息技术的发展，开发具有自主知识产权的节水灌溉控制系统不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。
灌溉控制系统设计已朝着自动化和智能化的方向发展，基于PLC的灌溉控制系统设计，介绍了可编程序控制器(PLC)在节水灌溉控制系统中的应用，系统能根据用户要求设定各灌区的灌溉顺序和灌溉时间，通过内置程序把湿度传感器测定的土壤湿度信号输入到PLC，与土壤最佳含水量对比，进一步控制电机和电磁阀的启闭[1]。
近三、四十年科技的发展，拉开了新的农业技术革命的序幕。灌溉水管理技术的应用可以减少水在渠系调配过程中的损失，达到节水的目的。该技术还可以使水量分配合理，增加水量分布的均匀性，因此也是使作物增产增效的有效途径。以色列、美国、荷兰等国家对不同作物的灌溉制度进行了深入的研究，己取得了丰富的成果，主要体现在农业信息的获取和及时处理、农业系统模拟、农业生产管理、农业专家系统、农业决策支持系统、农业计算机网络应用和农产品贸易信息化等。
国外研究状况，国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀，内有若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水间隔时间，操作方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的
控制可达到相当精度。近年来，发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，将空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术应用到节水灌溉的控制与管理上来，这些技术是目前节水灌溉研究的热点。
国内研究状况，我国的节水灌溉技术和设备自20世纪50年代从国外引进后，由于设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到20世纪80年代，随着经济的发展，水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛地发展，从国外引进许多先进节水灌溉设备，同时我国在滴灌等节水灌溉技术上的研究也取得长足进步，但是在自动灌溉控制系统方面仍属空白，与国外相比，我国技术还比较落后，基本上还没有自行研制的成型的自动控制产品。那些引进的国外灌溉自动控制设备，是为国外的具体情况设计的，没有考虑我国的气候、土壤条件、作物类型等因素，并不适合我国的国情，不能充分发挥它的优势。凡此种种，在我国推广引进国外控制设备不可行的。目前我国许多温室大棚都己配备了滴灌、喷灌等各种微水灌溉设备，但是缺乏与之配套的节水灌溉自动控制产品，这些温室大棚仍然采用手动开关阀门的方式来控制灌溉，耗费人力，而水的利用效率仍然不高。因此，加速开发适合我国国情的成套、适用、可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的，也是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。
2 PLC在灌溉控制系统中的应用
2.1 PLC的概述
2.1.1 PLC的特点及发展史
体积小；可靠性高；柔性好，可在线更改程序；对环境条件无要求；价格低廉
第一代：1969年~1972年，代表产品有：美国DEC公司的PDP-14/L；日本立石电机公司的SCY-022；日本北辰电机公司的HOSC-20；第二代：1973年~1975年，代表产品有：美国GE公司的LOGISTROT；德国SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列；日本富士电机公司的SC系列；第三代：1976~1983年，代表产品有：美国GOULD公司的M84、484、584、684、884；德国SIEMENS公司的SIMATIC S5系列；日本三菱公司的MELPLAC-50、550；第四代：1983年~现在，代表产品有：美国GOULD公司的A5900；德国西门子公司的S7系列；
2.1.2 PLC发展方向
PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC除外形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分;另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线、同轴电缆、光缆)链接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩展更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。
PLC向高性能小型化方向发展，PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的机种，体积仅为 60×90×75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差
别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
PLC操作向简易化方向发展。目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。
2.2 PLC控制灌溉系统的优点
编程方便,现场可修改程序；维修方便,采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争；输入可以是交流115V；输出为交流115V,2A以上,能直接驱动电磁阀,接触器等；在扩展时,原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K；在灌溉控制系统中采用了PLC，用软件实现对灌溉系统的自动控制，可靠性大大提高；去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修；用于群控调配和管理，并提高灌溉控制系统运行效率；更改控制方案时不需改动硬件接线；
3 灌溉系统硬件设计
3.1 总体设计
3.1.1 设备配置
灌溉设备：确定选用3台IS单级单吸清水离心泵作为灌水泵，其型号初步确定为IS200-150-250，其满足农业灌溉，水温，泵流量的要求。同时分析计算，确定选用3台型号为Y225S-4的三相鼠笼型异步电动机作为水泵的原动机。并初步确定摇臂式喷头作为系统的灌水器。
控制器;确定选用一台可靠性和性价比比较高的FX2N系列PLC作为控制系统的主控元件。
外围设备：确定选用CJ10交流接触器作为系统的自动控制电路，电动机的过载保护由热继电器实现。
3.1.2电机启动方法
由电机及拖动基础可知，三相交流异步电动机起动时电流较大，一般是额定电流的5-7倍。故对功率较大的电动机，应采用降压起动方式，Y-△降压起动是常用的方法之一。
起动时，定子绕组首先接成星形，待转速上升接近额定转速时，再将定子绕组的接线换成三角形，电动机便进入全电压正常运行状态，这种起动方法的优点是设备简单，经济，起动电流小，缺点是起动转矩小，且起动电压不能按实际需要调节。系统采用Y-△变换起动水泵电机来减少起动电流，减轻对电网形成的冲击，减少能耗。
该系统包括执行机构和控制机构两部分。执行机构主要是电动机作为驱动源，通过控制各台电机的启动和停止来控制泵工作，从而给植物进行灌溉。控制机构主要是PLC可编程控制器。
3.1.3 PLC对水泵电机控制方法
当B类植物的土壤湿度低于最小值时，下液位开关S2则闭合，开关量信号输入PLC来控制水泵电机接通电源。当土壤湿度高于最大值时，上液位开关S1则闭合，此时开关信号输入PLC来控制水泵断电。
A和C类植物通过PLC的土壤湿度以及土壤PH值来实现灌溉系统的起动和断开。
3.2 输入和输出接口
输入、输出接口是PLC接受和发送各类信号接点的总称，含主要用于连接开关量的输入口、输出口，以总线形式出现的总线扩展接口及以通信方式连接外部信号的通信口。
开关量输入口。开关量输入接口用于链接按钮、选择开关行程开关、光电开关数字拨码开关及各类传感器的执行接点，是PLC的主要输入接口。开关量输入口有交流输入和直流输入两种形式，此设计选用直流输入单元。如图3-1
图3-1 直流输入单元
开关量输出口。开关量输出口用于连接继电器、接触器、电磁阀的线圈。是PLC的主要输出接口。根据机内输出器件的不同。PLC开关量输出口通常有继电器输出、晶体管输出、及晶闸管输出三种输出电路。此设计采用继电器输出方式。如图3-2
图3-2 继电器输出方式
3.3 输入和输出模块的选择
可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮，限位开关，接近
开关等）的高电平信号，模型类型分直流5、12、48、60V几种；交流115V和220V两种。
模块输出的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共段所允许通过的电流值，输出模块的电流必须大于负载电流的额定值。
3.4 电源
小型整体式可编程控制器内部设有一个开关电源，可为机内电路及扩展单元供电，另一方面还可为外部输入元件及扩展模块提供24V的DC电源。
3.5 响应时间的分析
可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不能可靠的接受持续时间小于扫描周期的输入信号。系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期。
3.6 机型的确定
此设计PLC选型是关键，根据灌溉系统控制的要求，选用三菱FX2N-64MR-001，32点输入，32点继电器输出，带有RS232口及日历／时钟功能，供电电源为24V 直流或100～240 V交流，同时可以控制4路A／D、4路D／A。系统可以方便地扩展输入输出口，系统中除液位传感器为模拟信号外，其它输入偷出信号均为开关量。
3.7 控制系统的组成
系统主要由PLC部分，土壤湿度传感器土壤盐碱度传感器，执行器件等组成。控制系统结构示意图如下：
图3-3 控制系统组成图
3.8 设备配置确定
灌溉设备：确定选用3台IS单级单吸清水离心泵作为灌水泵，其型号确定为IS200-150-250。同时分析计算，确定选用3台型号为Y225S-4的三相鼠笼型异步电动机作为水泵的原动机。并确定摇臂式喷头作为系统的灌水器。
控制器;确定选用一台可靠性和性价比比较高的FX2N系列PLC作为控制系统的主控元件，在此选用三菱FX2N-64MR-001。
外围设备：确定选用CJ10交流接触器作为系统的自动控制电路，电动机的过载保护由热继电器实现。CJ10交流接触器中间的是三相电源线线，侧边的分别是一对常开触点和一对常闭触点，是用作自锁和连锁的。
3.9 PLC输入／输出点分配及系统结构框图
此设计PLC选型是关键，根据灌溉系统控制的要求，选用三菱FX2N-64MR-001，32点输入，32点继电器输出，带有RS232口及日历／时钟功能，供电电源为24V 直流或100～240 V交流，同时可以控制4路A／D、4路D／A。
系统可以方便地扩展入、出口，系统中除压力传感器为模拟信号外，其它输入偷出信号均为开关量。
3.9.1 PLC输入／输出点分配
表3-1 PLC输入点分配
表3-2 PLC 输出点分配
3.9.2 系统结构框图
根据灌溉植物的特点，对其控制应满足植物的需要，因此选用PLC作为灌溉控制系统的核心。系统由PLC控制器FX2N-64MR-001，24V直流电源电源，启停按钮，数据采集器件包括土壤湿度传感器、土壤盐碱度器，执行器件包括电磁阀，带动水泵的电机。控制系统结构框图如下：
图3-4 系统结构框图
4 控制系统各部分功能及设计
控制系统包括电机Y-△启动。本系统除了土壤湿度传感器以及土壤盐碱传感器输入为模拟量外，其他输入／输出均为数字量。编程控制器本身的抗干扰能力能满足要求。PLC的容量包括I／O点数，用户存储器的容量。系统采用FPI 可编程控制器专用编程软件编制梯形图。
A类耐碱不耐旱植物：在不同地域，土壤湿度不同，当湿度位于最低点时土壤湿度传感器输入信号给PLC，控制X002闭合，一号电磁阀得电开启，一号电磁阀指示灯亮，一号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，一号电机带动水泵1工作，往水池里注水。当湿度位于最高点时，土壤湿度传感器输入信号给PLC,控制X004闭合同时一号电磁阀断电，一号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，从而水泵1停止运转，往水池里注水停止。
B类耐旱不耐碱植物：在不同地域，土壤盐碱地不同，当盐碱地PH位于最高点时土壤盐碱度度传感器输入信号给PLC，控制X003闭合，二号电磁阀得电开启，二号电磁阀指示灯亮，二号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，二号电机带动水泵2工作，往水池里注水。当盐碱度度PH值位于最高点时，土壤盐碱度传感器输入信号给PLC,控制X004闭合同时二号电磁阀断电，二号电磁阀指示灯熄灭，二号电机停止工作，从而水泵2停止运转，往水池里注水停止。
C类不耐旱不耐碱植物：在不同地域，土壤盐碱地不同，土壤湿度不同，当盐碱地PH位于最高点时土壤盐碱度度传感器输入信号给PLC，控制X003闭合，二号电磁阀得电开启，二号电磁阀指示灯亮，二号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，二号电机带动水泵2工作，往水池里注水。当盐碱度度PH值位于最高点时，土壤盐碱度传感器输入信号给PLC,控制X004闭合同时二号电磁阀断电，二号电磁阀指示灯熄灭，二号电机停止工作，从而水泵2停止运转，往水池里注水停止。当湿度位于最低点时土壤湿度传感器输入信号给PLC，控制X002闭合，一号电磁阀得电开启，一号电磁阀指示灯亮，一号电机先星形连接。2秒后电机三角形连接，一号电机带动水泵1工作，往水池里注水。当湿度位于最高点时，土壤湿度传感器输入信号给PLC,控制X004闭合同时一号电磁阀断电，一号电磁阀指示灯熄灭，一号电机停止工作，从而水泵1停止运转，往水池里注水停止。在满足以上两种条件时，盐碱度PH值高时，湿度较低时，应该满足前
者要求，当盐碱度PH值正常或略低时，湿度较高时，应该满足后者要求。当满足要求时，三号电磁阀启动，三号电机启动，开始浇水。到达要求后，停止浇水。采用1号，2号，3号水泵分别控制注水管，喷头1，喷头2，以控制浇灌三种植物，土壤盐碱度，土壤湿度信号输入PLC，通过继电器控制盘控制水泵1，水泵2，水泵3在设定的湿度以及PH值内启停，从而控制灌溉三种不同的植物。
4.1 软件设计程序流程图
4.1.1 A类植物灌溉程序流程图
图4-1 4.1.2 B类植物灌溉程序流程图
图4-2
毕业设计(论文)题目智能灌溉系统的研究与设计 教学点 专业 年级 姓名 指导教师 定稿日期：2011 年6月1 日
摘要 本系统系统通过选择合适的传感器将对土壤中含水量以及空气湿度等重要物理量进行采集，通过信号及采集部分将其转化为数字信号，交给单片机系统进行处理，通过智能控制部分，在需要时驱动相关外设，进行自动精确定位地灌溉。具体流程图如下： 工作过程流程图
关键字：智能控制精确定位密封湿度传感器差动放大顺序通电 液晶显示 机械设计部分 整体的机构形式如下所述： 水由出水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的另一端喷射出来。机械臂主要由导水软管，套筒，舵机，步进电机和与电机配合的传动装置组成。套筒下端固结有加工上锥齿的圆环，电机通过锥齿轮传动，带动套筒转动。舵机固定在套筒上，当套筒旋转时，舵机也随套筒旋转。导水软管穿过套筒与固定在套筒上端的舵机相固结，当舵机臂摆动时导水软管喷头处完成竖直方向的调整，以使喷出的水能够调整远近。而套筒转动则实现了喷水方向的调整。这样，通过水平旋转及竖直摆动，实现了喷灌的精确定位。考虑到水对电机、齿轮传动部分的腐蚀影响，电机及其与套筒的传动部分通过密封箱密封，导线引出，连接到控制电路部分及电源部分，以实现对机械系统的电力输入及控制。机械臂通过套筒下端深埋入土壤进行固定。这种方案是我们经过多次调整最后确定出来的。下图为我们用机械仿真软件pro/engineer制作的图形（具体见附图）
我们的创新体现在我们的设计过程当中。在喷口的设计中，由于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固定位置，因此不能实现喷灌位置的可调性要求。因此喷管管口需要重新设计。在喷头处，我们曾试验过多个方案。其中一个就是拟定用钢管作导水管，将水直接引到喷头，而喷头处设计成喷口可以转动的形式，通过增加一个电机并通过细杆与喷头处连实现竖直方向的转动，水平方向的转动还是靠另一个电动机带动套筒来实现（具体见附proe仿真图）。但是这种设计有两个问题我们没能解决。第一个问题就是密封的问题，喷口转动时对其密封要求较高，且此处水压较高，更增加密封难度。第二个问题就是底部的电机如何使上部的喷头进行竖直方向的摆动。此处传动距离较长，增加材料势必增加水平转动电机的负载，且此电机好密封，极易漏水烧毁电机。于是我们直接采用了接导水软管的方法。导水软管是用一种软橡皮材料做成的，我们在进行试验时，一端接从水泵流过的水，一端穿过套筒固定在舵机上，有较好的弹性，使灌溉机械臂在转动时，水管不会产生较大的阻力矩，也不会发生塑性变形影响使用。这种形式的优点是结构简单，使用方便，一根管足以解决喷头出的设计问题。缺点是电机带动套筒的转角不能持续朝一个方向转动，否则水管会打结使水流不通，且从水管浇灌到地面的水流呈柱状，对地面冲击较大。软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，碎裂等问题。 在实际设计计算中，需进行软管的拉压的疲劳强度的校核，及齿轮传动的校核计算。通过查机械设计的手册可以计算出所需的材料及其他要求。 在进行设计的过程中，我们查阅了上市的喷头的基本的工作原理，对其有了初步的了解。在进行结构设计得过程中，我们查阅了相关的机械原理、机械设计方面的书籍，增长了我们
智能化灌溉系统的设计与实现 O 引言 我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智能灌溉系统在这种背景下应运而生了。智能灌溉系统不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。基于传感器技术的智能灌溉系统是我国发展高效农业和精细农业的必由之路。智能灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。 我国北方各省水资源缺乏，然而多年来使用传统方式为植株浇水不仅效率低、成本高而且浪费十分来重。对于大面积种植的棉田实现精准灌溉，不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低生产的成本。 由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情，实现灌溉管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情以及农作物需水规律等方面做统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。如何利用有限的水资源，走“节水农业”已经成为农业生产获得最佳的效益和持续稳定发展的增长点。因此使用自来水发电的智能灌溉系统，控制喷灌和微灌系统，能有效地减少田间灌水过程中的渗漏和蒸发损失。现有的灌溉系统都要外接电源，存在一定的安全隐患且较麻烦。本系统可在无供电条件的地区使用，其最大优点为节水、节能、节约劳动力。 1 设计目标与实现方案描述 针对现有的智能化灌溉系统都需要外加电源供电，存在一定安全隐患，而且现有的自动灌溉装置的程序一般固化在系统的程序存储器内，只能简单地设置灌溉时间及循环时间，不能灵活根据季节不同自动调节等缺点，该系统将小型直流发电机接上风叶至于密封特制的盒子中，用水流带动风叶旋转来发电，再将电能储存到蓄电池中以给监控电路和电磁阀供电。该装置是以湿敏电阻和光敏电阻检测信号，自来水发电用作供电的一种无需外接电源的自动灌溉装置。该装置监控电路由信号采集部分，灌溉控制部分，电源部分，执行部分4部分组成。如图1所示。 1．1 信号采集部分 1．1．1 土壤湿度检测 采用硅湿敏电阻作为检测土壤湿度的传感器，它在25℃时响应时间小于5 s，检测土壤含水量范围为O～100％。 当湿敏传感器插入土壤时，由于土壤含水量不同，使得湿敏传感器的阻值也不同。通过湿敏电阻和IC1NE555判断湿度强弱，如果是土壤较干燥，湿敏电阻阻值较大，NE555翻转，输出高电平(约为电源电压)。 调整时，将湿敏电阻插入水内，调Rp1使NE555的3脚输出为12 V，然后将湿敏电阻从水中取出并擦干，调Rp1使输出0 V，这样反复调节多次即可达到要求。 1．1．2 日光强弱检测 通过光敏电阻和NE555判断光线是否强烈，如果是中午光线较强烈，IC2 NE555的3脚输
节水灌溉的方式有喷灌、滴灌等，总结一下灌溉技术大概可以分为以下几类：1.漫灌，漫灌是传统的灌溉方式。常要挖沟渠，以前用人工，后来用牲畜、拖拉机，植物在畦和陇沟中排成行或在苗床上生长，水沿着渠道进入农田，顺着陇沟或苗床边沿流入。也可以在田中用硬塑料管或铝管引水，在管上间隔距离开孔灌溉，用虹吸管连接渠道。 2.喷灌。喷灌是由管道将水送到位于田地中的喷头中喷出，有高压和低压的区别，也可以分为固定式和移动式。固定式喷头安装在固定的地方，有的喷头安装在地表面高度，主要用于需要美观的地方，如高尔夫球场、跑马场草地灌溉、公园、墓地等 3.微喷。微喷灌是利用折射、旋转、或辐射式微型喷头将水均匀地喷洒到作物枝叶等区域的灌水形式，隶属于微灌范畴。微喷灌的工作压力低，流量小，既可以定时定量的增加土壤水分，又能提高空气湿度，调节局部小气候，广泛应用于蔬菜、花卉、果园、药材种植场所，以及扦插育苗、饲养场所等区域的加湿降温。 4.滴灌。滴灌是将水一滴一滴地、均匀而又缓慢地滴入植物根系附近土壤中的灌溉形式，滴水流量小，水滴缓慢入土，可以最大限度地减少蒸发损失，如果再加上地膜覆盖，可以进一步减少蒸发，滴灌条件下除紧靠滴头下面的土壤水分处于饱和状态外，其它部位的土壤水分均处于非饱和状态，土壤水分主要借助毛管张力作用入渗和扩散。滴灌是通过不同口径的塑料管，将水直接送到每株农作物的根部，以点滴等方式进行灌溉。现有一块农田共装了600个滴水头，如图所示，总进水管为p，每个满水头为q。设总进水管横截面积s为0.0016m2，平均每分钟每个滴头滴水120滴（每5滴水体积约为1cm3），则总水管p中的水流量是m3/s，p管中水流平均速度是 m/s（流体在每秒钟流过某横截面的体积叫流量Q，它与水管的横截面积s及水流平均速度v的关系是Q＝sv）。 5.渗灌。渗灌技术已经在地下水位较高的地方应用许多年了，是人工将地下水位抬高，直接从底下为植物根系供水的方法。 分析对比： 传统农业为漫灌，如我国南方春季播种前即为漫灌，用水将整片农田洇湿，好处：湿润充分，可直接用于育苗。缺点，浪费水资源 畦灌：在田中畦陇处以小水流灌溉。优点，略省水，可育旱作物。缺点：还是费水，且费管理人工 喷灌：公园里草坪可见到，以喷嘴拟人工降雨，优点，省水，缺点：不利于喜水作物，如水稻 滴灌：源于以色列，田间以软管纵横其中，中开小口，水自口出，以滴流的方式进行灌溉，优点：节水。缺点：应用范围有局限。 喷灌、滴灌技术为什么比普通的沟渠灌溉节约用水？ 畦灌——在田中畦陇处以小水流灌溉。 优点：略省水，可育旱作物。 缺点：还是费水，且费管理人工。 喷灌——公园里草坪可见到，以喷嘴模拟人工降雨。 优点：省水。 缺点：不利于喜水作物，如水稻。
智能节水灌溉系统的设计原理及使用方法 智能节水灌溉系统也叫智能农业物联网精细农业自控系统，是托普云农物联网为保证农业作物需水量的前提下，实现节约用水而提出的一整套解决方案。智能节水灌溉系统简单的说就是农业灌溉不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；智能节水灌溉系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。 一、智能节水灌溉系统的功能设计 智能节水灌溉系统要实现上述功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。 针对灌溉水利用系数较低,文中提出一种基于嵌入式智能灌溉控制系统。依托无线传感器网络采集灌区作物需水信息,汇聚到网关节点发送给主控中心,中心主机根据信息确定灌溉状态并计算灌水量,控制灌溉设备工作实现智能灌溉;依托Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化灌溉的需求。根据示范区观测,灌溉水利用系数由原来的0.6提高到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,解决了精确农业亟待解决的关键技术问题。 智能节水灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向
技术密集型转变奠定了重要的基础。 智能节水灌溉系统可以根据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实，和传统灌溉系统相比，智能节水灌溉系统的成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必须使用智能节水灌溉系统。 二、智能节水灌溉系统的设计背景 灌溉造成水资源大量浪费 美国每年浪费掉的水资源高达8,520亿升，而若安装一种智能节水灌溉系统则可有效地控制水流量，达到节水目的。HydroPoint公司负责可持续领域业务的Chris Spain援引美国用水工程协会的报告称，美国住宅区和商业区的草坪、植物灌溉用水浪费了30%到300%。 水资源被浪费的原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain称，城市灌溉系统占城市用水的58%，这些被浪费的水资源每年生产54.4万吨温室气体。 在中国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智能节水灌溉系统在这种背景下应运而生了。 不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，随着越来越多的家庭开始节约能源，使用热水可能会超过取暖成为制造二氧化碳的主要途径。 三、智能节水灌溉系统工作原理 灌溉系统工作时，湿度传感器采集土壤里的干湿度信号，检测到的湿度信号
本科生毕业设计 摘要 自动控制节水灌溉技术代表了农业现代化的发展状况，灌溉系统自动化水平比较低下是制约我国高效农业发展的主要原因。本文就此问题研究了基于单片机的节水灌溉自动控制系统，系统对土壤湿度进行监控，并按照农作物的要求进行适时适量的灌水，其核心部分是单片机控制部分，主要对灌溉控制技术以及系统的硬件设计，软件编程各个部分进行深入的研究。 控制部分以单片机为核心，研制了一种基于单片机的节水灌溉自动控制系统。介绍了系统总体结构、单片机系统主机电路、数据采集处理电路、I/O口的扩展电路。为了进行大规模灌溉工程的监控，采用分布式控制模式，以提高控制系统的可靠性、降低系统的成本。 该套基于单片机控制的节水灌溉自动控制系统造成本低，体积小、安装方便、抗干扰性强、运行可靠，相比其他控制方式来说，性价比高，更易形成产品，便于推广应用。这是我国灌溉自动控制技术的一种新尝试，为目前农业在较低生产力水平的状况下，向智能化、市场化方向发展开辟了一条新途径。 关键词： AT89C51单片机；湿度传感器；A/D转换；采样；芯片 1
本科生毕业设计 ABSTRACT The level of auto-control water-saving irrigation technology reflects the development condition of agriculture modernization.The low automatic level of irrigation system is the main reason that prevented our agriculture’s development.As to this condition,this paper mainly studies the water-saving irrigation system that controlled by MCU.This system can supervise humidity.it can irrigate to the demand of the farm crops with right amunt of water at well time.The control part that consists of MCU is its core.Research work had been carried on irrigation control technology,hardware and software program and so . The control that consists of MCU is its core.A set of automatic water-saving system which is controlled by sing-chip controller have been developed in this paper.The overall structure of system、the main circuit of the MCU system、data-collecting circuit、I/O expanding circuit are all the designed.For monitoring large-scale irrigation system,we use distributional control model to enhance stability of the system de reduce the cost. It is small,easy to fit,a strong capability to resist interfere and low-cost.So the control system is more economic compared to other control system such as thuter system and all these demonstrate this production is adept to be popularized.This work is a fresh attempt to bring our agriculture into an advanced stage,which now is relative to be backward greenhouse control technique,especially on the aspect of nutrient liquid supplying when crops cultivated on tissue. Key words: AT89C51 MCU; Humidity Sensor; A/D transform; Sampling; Chip 2
基于PLC控制技术的农业自动灌溉系统设计摘要： 水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居世界第109位。而且时空分布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少；占国土面积50％以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。近年来，随着人口增加、经济发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。按现状用水量统计，全国中等干旱年缺水358亿立方米，其中农业灌溉缺水300亿立方米。20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积达2000万公顷以上，全国660多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日益突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地区。由于地表水资源不足导致地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达8.2万平方公里。 发达国家的农业用水比重一般为总用水量的50％左右。目前，我国农业用水比重已从1980年的88％下降到目前的70％左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。北方地区水资源开发利用程度已经很高，开源的潜力不大。南方还有一些开发潜力，但主要集中在西南地区。 我国农业灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43％，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70-80%、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”，具有重要的现实意义和深远的历史意义。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。 本次设计是采用PLC控制多路不同的土壤湿度，浇灌的开启和停止完全由土壤的湿度信号控制，能使土壤的湿度值保持在作物生长所需要的最佳范围之内。这样既有利于作物的生长，又能节约宝贵的水资源。 关键词：自动浇灌; PLC; 湿度传感器；农业自动灌溉系统
基于物联网技术的农业节水灌溉控制系统方案设计 1、背景介绍 智能农业是物联网十二五规划重点领域之一，大量的科技创新技术将应用在农业发展中，其中包括通信技术、自动化控制系统，等等。 通信技术是指通过各种有线、无线、长距离、短距离的通信技术的应用，实现物品与物品之间，机器与机器之间，机器与人之间的信息与数据的交换，这就形成了当今科技领域最为关注的领域之一——“物联网”。其中，无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，它担负着极其重要的信息传递、交换和传输的重任。无线传感器网络技术目前是通信、计算机和自动化等领域一个新兴的研究热点，它能够可靠地、实时地采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息可通过有线或无线方式发送给远端数据消费系统。 自动化控制系统可以在设定的条件下与远端接收器通信，按照系统预先设定的程序对现场设备进行开、关等操作，还可以按照复杂的业务流程和业务逻辑，实现灵活的操作控制，另外，动态信息采集分析技术也是重点应用，对现场的复杂数据进行分析和管理。 在我国，农业是用水大户，农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的，也是节水潜力最大的领域。目前，农业节水灌溉的困难在于农田分布范围广泛，各种农作物的用水需求也不相同。使用大面积的沟渠灌溉技术，不仅浪费水资源，而且在农田利用上也造成很大的浪费。采用自动化控制的滴灌技术，可以根据各种农作物对水量的要求，以及土壤的水情合理配置各个供水设备运行情况。另外，通过自动化控制，可以将整个农场系统中的各种资源使用情况进行统计分析，使相关人员及时了解整个系统的相关资源信息，通过统计分析，进行合理使用，从而达到省水节能、省工省地的效果，以及发展节水农业的目的。 托普物联网在农田智能灌溉领域的应用主要是通过无线传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网
智能农业灌溉系统方案设计 托普物联网认为所谓智能农业灌溉系统就是不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；系统可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。要实现此功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换成数字信号。 针对灌溉水利用系数较低,文中提出一种基于嵌入式智能灌溉控制系统。依托无线传感器网络采集灌区作物需水信息,汇聚到网关节点发送给主控中心,中心主机根据信息确定灌溉状态并计算灌水量,控制灌溉设备工作实现智能灌溉;依托Internet管理员有权对系统远程管理,满足了规模化灌溉的需求。根据示范区观测,灌溉水利用系数由原来的0.6提高到0.9。系统结合了无线传感、计算和网络通信技术,解决了精确农业亟待解决的关键技术问题。 智能农业灌溉系统涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。 智能农业灌溉系统可以根据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实，和传统灌溉系统相比，智能农业灌溉系统的成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必须使用智能农业灌溉系统。 智能农业灌溉系统 背景
灌溉造成水资源浪费 美国每年浪费掉的水资源高达8,520亿升，而若安装一种智能农业灌溉系统则可有效地控制水流量，达到节水目的。 HydroPoint公司负责可持续领域业务的Chris Spain援引美国用水工程协会的报告称，美国住宅区和商业区的草坪、植物灌溉用水浪费了30%到300%。 水资源被浪费的原因是技术不行，美国有4,500万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain称，城市灌溉系统占城市用水的58%，这些被浪费的水资源每年生产54.4万吨温室气体。 在中国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。我们的智能农业灌溉系统在这种背景下应运而生了。 不仅美国，英国也开始关注节水问题。英国节能信托基金会和能源部警告，随着越来越多的家庭开始节约能源，使用热水可能会超过取暖成为制造二氧化碳的主要途径。 智能农业灌溉系统整体方案图 结构 系统结构
基于无线传感网络的精细农业智能节水灌溉系统 肖克辉2,1 ，肖德琴 2,1 ，罗锡文 1 (1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州510642； 2.华南农业大学大学信息学院，广州510624） 摘要：在精细农业相关应用和理论研究基础上，自行设计用于检测农业水分含量和水层高度的无线传感器，构建农田水分无线传感器网络体系结构，设计基于水分无线传感网络的智能节水灌溉控制系统，通过实时农田水分数据和农作物水分需求专家数据形成灌溉决策，由灌溉控制系统实施定量灌溉，在水稻生长过程中的实际应用表明，该系统体现出可行性和高效性，有利于精细农业的发展和水资源的可持续利用。 关键词：无线传感网络；智能灌溉控制系统；精细农业；构架 0 前言 通过不同集成微型传感器的相互合作，无线传感网络常用于检测并获取监测对象中的各种信息。利用嵌入式信息处理和随机自组织无线网络，将信息发送到用户终端来实现“无处不在的计算”理念。基于无线传感网络的自动化、自组织和以数据为中心等特点，它能够应用于获取土壤水分数据，然后自动地将这些数据融合传输形成一个高效的田间水分数据采集平台，从而实现智能节水灌溉。 传统的田间灌溉通常由人亲自控制，而且需要大量的人力和物力，这将导致缺乏实时性和精确性，这也有悖于长期农业生产的发展趋势和水资源的可持续利用。无线传感网络被广泛地应用于精细农业和智能灌溉来克服上述存在的问题。 G Vellidis 和他的同事开发了一个典型的实时智能检测的传感器阵列来检测土壤水分，测试土壤水分使用现成的组件。这个阵列由一个位于中间位置的接收机组成，这台接收机连接在一台笔记本电脑和田间的多个传感器节点上。具有精密灌溉技术的集成传感器提供了一个闭环的灌溉系统，能够确定从智能传感器阵列的哪一位置将时间和数量输入到实时定位灌溉应用程序中。
文献综述 前言 本人毕业设计的论题为《基于单片机节水灌溉系统的设计》，随着我国农业技术的高速发展，在进行农业生产的过程中需要大量的水资源，而我国却是一个水资源严重缺乏的国家，水资源的整体利用水平仍还很低,灌溉水的利用率只有30％～40％,水分生产效率不足1 ㎏∕m3,仅为发达国家的一半。灌溉管理自动化是发展高效农业的重要手段,我国目前主要局限于节水灌溉工程措施的推广和应用,而高效农业和精细农业要求必须实现水资源的高效利用,将输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情、作物需水规律等方面统一考虑,做到降水、灌溉水、土壤水和地下水联合调用,实现按需、按时、按量自动供水。因此,必须采用遥感、遥测等新技术监测土壤墒情和作物生长情况,对灌溉用水进行动态监测预报,实现灌溉用水管理的自动化、节约化、动态管理。而本文就是对不同土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水，所设计系统的核心是单片机和PC机构成的控制部分，主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。 本文根据目前国内外学者对的基于单片机节水灌溉系统的设计的研究成果，借鉴他们的成功经验，大胆的将单片机和PC机整合在系统中。这些文献给与本文很大的参考价值。本文主要查阅进几年有关基于单片机节水灌溉系统的设计的文献期刊。
张金波、胡钢、张学武、李致金、柯小干（2003）在《自动化控制系统在节水灌溉中的应用》介绍了以组态软件为开发平台,利用继电器输出模块,数字量输入模块等设备开发了农田节水灌溉自动化控制系统,该系统已在农田节水灌溉实际中得到了成功应用. 孙威、毛罕平、左志宇、伍德林（2007）在《基于单片机的节水灌溉自动控制器的设计》中以单片机为核心,研制了一种节水灌溉自动控制器;介绍了系统总体结构、单片机系统主机电路、数据采集处理电路、I/O口的扩展电路、通信接口等以及软件的设计. 王晓健（2010）在《单片机模糊控制节水灌溉系统设计》中介绍了灌溉控制系统的组成及工作原理,以单片机为核心控制芯片,设计了一套节水灌溉控制系统,并对其决策过程进行了具体分析. 张兵、袁寿其、成立、杨春明（2004）在《节水灌溉自动控制器的设计与研究》中论述了一种自动化节水灌溉控制系统的硬件设计、外部连线及其使用功能.系统控制器以与8051完全兼容的GMS90L51单片机为核心,采用计算机分布式管理;系统有传感器自动闭环控制、手动/半手动控制、微机超控等多种工作方式;系统能够实现自动化灌溉,具有排水警示、实时时钟、历史数据查询、数据上传及双向通信等功能. 张兵、袁寿其、成立（2003）在《节水灌溉自动化技术的发展及趋势》中论述了自动化技术在灌溉管理中的重要性,详细介绍了以色列、美国、澳大利亚及我国自动化技术在灌溉中的应用现状及存在的问题,讨论了一些新技术,如模糊控制、神经网络、专家系统等在节水灌溉控制中的应用,并对节水灌溉控制技术的发展趋势进行了探讨. 朱张青、曹成茂（2001）在《多用途节水灌溉控制系统研制》中介绍了一种以单片机控制为核心,能适用于多种农作物的节水灌溉控制系统. 苏崇峰、陈进昌、刘祥金、王永兰（2002）在《节水灌溉自动控制及管理系统研究》从节水灌溉控制与水费管理两个方面介绍了本系统在节水灌溉中的应用,着重介绍了控制过程;对节水灌溉的控制以及计算机、PLC、数字水表、数据采集都进行了详细地介绍;通过本系统的实施,可以从根本上解决节水灌溉重建轻管的弊端. 吴维雄（2004）在《试论计算机在节水灌溉中的应用》中介绍了随着精确农业技术革命的发展,节水灌溉中增加了精确灌溉的内容.通过计算机控制实施相
自动化智能滴灌控制系统设计方案 陕西颐信网络科技有限责任公司 西安天汇远通水利信息技术有限责任公司
目录 一. 系统概述............................................................................................................ - 3 - 二. 系统组成............................................................................................................ - 4 - 三. 通信网络............................................................................................................ - 5 - 四. 功能设计............................................................................................................ - 6 - 4.1. 监测中心级设计 ...................................................................................... - 6 - 4.2. 首部控制级设计 ...................................................................................... - 6 - 4.3.1. 设计原则 ....................................................................................... - 7 - 4.3.2. 主要功能 ....................................................................................... - 7 - 4.3.3. 硬件设计 ....................................................................................... - 8 - 4.3.4. 软件设计 ..................................................................................... - 10 - 4.3. 田间控制级设计 .................................................................................... - 13 - 4.3.1. 田间控制器主要功能 ................................................................. - 13 - 4.3.2. 田间控制器性能指标 ................................................................. - 14 - 4.3.3. 田间路由器节点主要功能 ......................................................... - 14 - 4.3.4. 田间路由器节点性能参数 ......................................................... - 14 - 4.3. 5. 供电方式 ..................................................................................... - 14 - 五. 系统特性.......................................................................................................... - 15 - 六. 设计研究意义.................................................................................................. - 16 -
农业智能灌溉系统解决方案 农业智能灌溉系统又叫物联网智能滴灌控制系统，是托普云农为实现现代农业所提倡的节水、节肥、省力、高效而研发出的一种自动化控制灌溉浇水系统。 农业智能灌溉系统是将灌溉节水技术、农作物栽培技术及节水灌溉工程的运行管理技术有机结合，同时集电子信息技术、远程测控网络技术、计算机控制技术及信息采集处理技术于一体，通过计算机通用化和模块化的设计程序，构筑供水流量、压力、土壤水分、作物生长信息、气象资料的自动监测控制系统，进行水、土环境因子的模拟优化，实现灌溉节水、作物生理、土壤湿度等技术控制指标的逼近控制，从而将农业高效节水的理论研究提高到现实的应用技术水平。农业智能灌溉系统实用性强，灌溉定时定量，适用范围广，功能强大，操作简单，可广泛应用于粮食、蔬菜、花卉、果树、大棚等灌溉管理。 一、农业智能灌溉系统组成： 浙江托普物联网研制的农业智能灌溉系统由首部枢纽、管路和滴头组成。 1．首部枢纽：包括水泵(及动力机)、施肥罐、过滤器、控制与测量仪表等。其作用是抽水、施肥、过滤，以一定的压力将一定数量的水送入干管。 2．管路：包括干管、支管、毛管以及必要的调节设备(如压力表、闸阀、流量调节器等)。其作用是将加压水均匀地输送到滴头。 3．滴头：其作用是使水流经过微小的孔道，形成能量损失，减小其压力，使它以点滴的方式滴入土壤中。滴头通常放在土壤表面，亦可以浅埋保护。
二、农业智能灌溉系统系统工作原理： 1.灌溉控制 灌溉分为人工干预、定时定量、条件控制3种灌溉控制方式,不论哪一种控制方式,当达到灌溉开始条件时,先打开田间阀和主控阀,然后启动水泵,开始进行灌溉。当一组阀门灌溉结束时,先打开下一组阀门,再关闭正在灌溉的阀门(水泵一直处于运行状态)。当所有需要灌溉的田间阀灌溉完毕,先关闭水泵,再关闭主控阀和田间阀,这样,一个灌溉过程结束。 2.营养控制 营养液控制方式也分为人工干预、定时定量、条件控制三种。当进行营养液时,计算机系统根据选定的配方和已设定好的营养液PH、EC值,利用文丘里注肥器进行水肥混合,同时在线实时监测混合营养液的PH、EC值,根据PH、EC设定值与检测值之间的偏差来调整混肥阀的注肥频率,在短时间内使营养液的检测值和设定值之差达到允许的范围内。当一组田间阀门结束时,先打开下一组阀门,再关闭正在运行的阀门。当所有需要的田间阀完毕,先关闭泵和水泵,再关闭正在运行的所有阀门,结束控制。 3.过滤器自动反冲洗控制 过滤器反冲洗有2种控制方式,一种为自动控制,一种为计算机手动控制。自动控制是利用差压开关监测过滤器进、出口两端差压,当过滤器由于堵塞,两端差压达到设定值时,立即中断当前的工作,对过滤器组依次进行反冲洗,冲洗时长可任意设定,冲洗完毕,恢复系统原来的运行状态。过滤器反冲洗手动控制是当认为过滤器需要反冲洗时,通过启动反冲洗程序界面上的启动键,随时可进行过滤器的反冲洗,冲洗方式与自动控制相同。 4.优先权控制
基于单片机的大棚智能节水灌溉系统设计 大棚智能节水灌溉系统设计采用AT89C51单片机为信息处理核心，系统主要由土壤湿度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、液晶显示电路和故障报警电路等组成。系统在进行智能灌溉的同时，还能调节大棚内空气的湿度和温度。经过测试，该系统可以在无人的情况下实现智能节能，并根据作物的需要进行适时、有效的灌溉，并有效的调节大棚内的湿度和温度，做到定时喷洒农药。 标签：AT89C51单片机；节水灌溉；控制系统 随着农业现代化的发展，智能节水灌溉的需求越来越大[1]，然而，智能灌溉由于成本等因素发展缓慢[2]。本设计通过对大棚内土壤湿度的控制和大棚内空气温度和湿度分析，设计了一个简单经济实用的智能灌溉系统。 1 系统总体设计 系统总原理方框图如图1所示。硬件电路包括了传感器电路、单片机数据处理电路、液晶显示电路，继电器电磁阀电路，农药喷洒电路。首先，数据采样电路将土壤湿度传感器采集到的数据通过A/D转换后，将信息传递给单片机，然后单片机将测量的数据通过处理后在液晶显示屏上反应出来，同时控制电路将根据指令完成操作。 2 硬件部分设计 （1）系统主电路布局。该设计包括DH11温湿度电路，LED显示电路，晶振电路，继电器电池阀驱动电路，继电器风扇驱动电路，DH11温度湿度电路将土壤湿度通过A/D转换将数据传输给单片机主芯片，然后，单片机主芯片首先对数据做出判断，然后会分别对各个下属电路做出指示，LED电路的作用是显示工作的状态，农药喷洒系统的作用是定时定量喷洒农药。（2）DH11温度传感器电路设计。温度传感器采用DH11温湿度传感器，由于传感器的电阻较小，通电作用下，很容易被烧坏[3]，故此电路会选择串联一个电阻值较大的电阻，该电路中串联的电阻选择的是R3=43K的电阻来保护传感器。（3）DH11湿度传感器电路设计。土壤湿度传感器采用DH11，和温度传感器一样，R2的作用是保护传感器不被烧坏，这里R2取47K，3端口用不到，故此悬空。（4）继电器风扇驱动电路。当大棚中的空气湿度比设定好的温度高时，温度传感器将接受到的信号经过A/D转化后传输给单片机，单片机会调用散热子程序，完成三极管导通，使的继电器闭合，开启散热功能，当温度降到设定温度时，风扇就会停止转动，散热就会结束[4]。同样的，当空气湿度高于设定湿度时，电风扇会转动降低湿度，当湿度低于设定湿度时，电扇就会停止转动，散湿结束。 3 系统软件设计 3.1 系统主程序流程图
摘要 水是生命的源泉，水是维系社会进步、生态环境和人类文明的基础因素，而我国水资源严重匮乏，农业节约水灌溉技术仍未得到很好的普及利用。我们必须进一步提高认识，抓紧完善节水灌溉的规划设计，大力推进节水灌溉技术的研究、生产和应用，以更好地服务“三农”推进社会的现代化进程。本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系统可对不同土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量的节水灌溉。 本文在设计中采用了微灌的节水灌溉工作模式。系统可以根据土壤湿度要求自动控制电磁阀开关，进行灌溉，还可以根据上位机指令进行灌溉。系统设计上选用AT89S52单片机为控制器，选用FDS-100湿度传感器检测土壤水分湿度。土壤湿度传感器检测出的土壤湿度信号经信号调理电路转换为电流信号传送到AT89S52，单片机将土壤湿度信号转换成数字量，根据用户设定的土壤湿度要求驱动电磁阀进行灌溉。本系统可以检测10路土壤湿度信息，可以控制10路水阀的开关。土壤湿度信息由8位LED显示器就地显示。系统设有CAN 总线接口电路可以与上位机通信。 本系统功能较为全面，使用方便，能够满足农业生产的基本要求，对于提高农作物产量、节约劳动力成本有重要的作用，对我国农业生产自动化有积极地意义。 关键字：节水灌溉；湿度传感器；土壤湿度；电磁阀
Abstract Water is the source of life, and it is the basic factors to maintain the social progress, the ecological environment and human civilization, but shortage of water resource of china and agricultural wa ter saving irrigation technology hasn’t been widely used well. We must promote the understanding further, and hurry to improve the planning and design of water saving irrigation, work hard on promoting the study of water saving irrigation technology and its production and application to better serve the three rural advancing the process of modernization of society. This article studies the problem of water saving irrigation system controlled by single chip microcomputer, the system can be of different soil moisture monitoring, and in accordance with the requirements of the crops on soil moisture of water saving irrigation timely, appropriate. This article adopts the water saving irrigation sprinkler irrigation in design mode. The system can automatically control the electromagnetic valve switch, according to the soil moisture requirements for irrigation, also can be used in irrigation according to computer instruction. The design of system using AT89S52 MCU as controller and using FDS-100 humidity sensor to detect soil moisture and humidity. Soil moisture soil moisture sensor signal detected by signal conditioning circuit converts the current signal is transmitted to the AT89S52, the soil humidity signal is converted into digital quantity, irrigation based on soil moisture set by the user requirement driving solenoid valve. This system can detect 10 of soil moisture information, switch can control 10 road water valve. The soil moisture information from 8 LED display display. System with CAN bus interface circuit can communicate with the PC. The function of system is more comprehensive, easy to use and it can meets the basic requirements of agricultural production, to increase the yield of crops, saving labor costs have an important role and it has positive significance for agricultural production automation in china. Key words:Water-saving irrigation; Humidity sensor; Soil moisture; electromagnetic valve