前言
我國是農業大國，耕地面積20億畝，農田灌溉成為農業生產中的重中之重。但是傳統的農田管理存在較大弊端，機井分散，不便管理。無須取水，造成水資源的浪費，地下水嚴重匱乏。井房陳舊，安裝方式占用較大耕地面積。機井裸露，存在安全隱患。針對以上問題，唐山平升研發了新型機井智慧型灌溉系統。
簡介
智慧型灌溉系統通過機井灌溉控制器對農田機井進行取水管理，以IC卡刷卡取水的方式取代了傳統的專人管理方式；實現了農業用水計量、水資源信息的自動化採集和測控。
平升機井灌溉控制器，是智慧型灌溉系統的核心設備。它可以嵌入到平升智慧型機井櫃、智慧型井房或原有啟動櫃，對機井進行監控。實現了用水需刷卡、遠程能監控，占地面積小，安全有保障的機井科學管理新模式。
DATA-7208 機井灌溉控制器系統功能特點
控制器採用水、電雙計量的計量方式。
傳輸規約符合水利部標準的水資源傳輸規約。
現場採用藍牙或串口維護方式，同時支持遠程設備維護。
具備泵閥控制、水錶、電錶、IC卡等豐富的設備接口。
輸出傳輸可選GPRS、3G或4G網路。
供電可使用交流12V/24V或直流12V/24V電源。
標準的盤面安裝方式。
DATA86機井灌溉控制器系統結構
將嵌入DATA-7218機井灌溉控制器的平升機井控制櫃與現場設備對接。任意一部安裝了機井管理APP的安卓手機，通過連線藍牙讀卡器，對IC卡進行開卡、充值的管理，用水戶可通過簡單的刷卡流程，操作灌溉機井取水，停止取水時根據水量、電量扣除相關費用。機井控制器與手機均可以通過GPRS、3G或4G網路與中心伺服器同步通訊。村級中心與上級管理中心能遠程訪問伺服器，取得並管理相關數據。
系統拓撲圖通信方式
控制系統系統上行數據與下行數據均採用了基於廣域網的先進的無線傳輸方式進行傳輸。上行數據包括：空氣溫度、濕度；土壤溫度、顯度；電磁閥及各控制器的工作狀態等信息。下行數據是指中央計算機向各控制單元發出的各種控制指令，包括電磁閥的開關指令；各工作單元的狀態查詢指令以及對各控制單元的參數預設等。由於採用了先進的無線數字網路，因此本系統能夠快速地任意規模地構建而且不受時間、空間和其它條件的限制。無線數字網路還具有誤差小、抗干擾能力強、成本低、便於擴展等多種優點，使無線數字網成為智慧型灌溉系統首選的組網方式。
無線通信技術的使用，拓寬了控制器的套用範圍，只要有無線信號覆蓋的地區，都可以實現遠距離無線採集與控制。實現了計算機和控制器等多方面的互動性，系統還具有自動報警功能，控制器檢測出系統異常，會及時將故障相關信息上報給中央計算機系統，以便迅速地定位並排出故障。
軟體設計
數據的傳遞路徑軟體是控制系統的靈魂，需要與硬體配合，將實時數據與專家系統的設定值進行比較判斷，來控制電磁閥的開啟和延續時間的長短，實現智慧型控制。中央控制室的計算機系統使用了大型關係資料庫，能對各種數據進行分類存儲和自動備份，並能根據定製條件進行查詢。本系統能夠實現全自動、無人值守的數據處理，並預留WEB接口，遠程用戶可以通過瀏覽器查詢有關的灌溉信息。
本系統採用了圖形用戶界面，用戶操作簡單方便。實時或定時採集的田間土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度等數據，均可以實時地以圖形或者表格方式在中央控制計算機上顯示。用戶可以通過圖形界面設定每個地塊的灌溉策略，實現定時、定量的無人值守的自動灌溉。
從數據的傳遞路徑可將本系統分為三個層次，即數據匯集層、數據處理層、數據套用層，如右圖所示：
集群控制
田間控制單元
田間控制單元田間控制單元控制著電磁閥和各種數據採集儀器。土壤濕度感測器一般是採集土壤水份含量大小，也叫土壤水分感測器。本系統選用世界最先進的土壤水分感測器，它把土壤水含量轉化為標準的電壓信號，經過A/D轉換、信號處理後傳到集群控制單元，微電腦處理器根據獲得的土壤信息確定灌溉量，然後輸出控制信號並結合中央計算機指令，控制電磁閥的開關，即可以實現自動灌溉。土壤濕度感測器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉需求，據此確定灌溉與否以及灌溉時間長短。本系統還配有EC（電導率）值和ph值感測器，可對進水和出水進行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養液的配給。
系統控制方式靈活性 灌溉控制系統，具有多種灌溉控制方式：系統可以脫離上微機而常年獨立運行，有手動灌溉，自動連續灌溉，自動間隙灌溉等不同灌溉方式，系統可以任意設定輪灌組，每個輪灌組可以設定按照任意天間隔進行灌溉，每天可以設定多組不同啟動時間。
供電系統
遵循方便、穩定、可靠的原則，結合的氣候條件，本系統各個控制單元均採用了目前最先進的太陽能設備，用於供給控制單元電能。太陽能電站具有能效轉換高、維護成本低、部署方便等諸多優點，成為本系統田間供電最理想的選擇。考慮到長時間陰雨天氣、太陽能系統需要檢修等特殊情況，作為太陽供電系統的備份，使用了風能發電裝置，作為供電系統的必要補充。
六要素氣象站
由於氣象條件的空間變異特徵明顯，因此在示範區內配備氣象數據監測儀器，自動採集所需的氣象數據，作為當地氣象參數的補充。自動觀測氣象站是由一個能自動測量、記錄與存貯數據的記錄儀與一套相應的感測設備所組成的一個氣象觀測記錄系統，該站安裝的農業氣象自動站其探測內容在室外有風向、風速、空氣溫濕度、輻射和降水量；總共為6個氣象要素。
系統功能
◆具有限制取水功能，年累計取水量超過設定限值時，自動停泵。
◆水泵缺相、過載、過流或計量設備故障時，自動停泵，保障設備安全、計量準確。
◆具有防雷保護功能，確保控制終端在雷雨季節安全運行
◆不同功率的機井（水泵），只需更換不同的交流接觸器即可。
◆手持機具備無線抄表功能，可在機井周邊20米範圍內一鍵抄取該機井的所有農戶用水記錄。
◆不同村的IC卡不能相互使用，即一個村的卡不能到另一個村使用。
◆在使用時斷電，IC卡機井灌溉控制箱的數據不會丟失，來電後農戶可繼續使用。
◆一台IC卡機井灌溉控制箱可供多個農戶使用；一個農戶也可使用多台IC卡機井灌溉控制箱。
◆卡內金額小於設定的下限值，IC卡機井灌溉控制箱會自動發出報警信息，提示農戶及時充值。
微機控制
節水系統可廣泛套用於農業或園林灌溉系統的自動控制或手動控制。
隨著現代農業及園林業的發展，隨著水資源的不斷升值，傳統灌溉方式正在被現代智慧型型微機控制灌溉系統所取代，與傳統灌溉方式相比，TLG-2型智慧型灌溉控制系統有如下優點：
a．微機控制噴灌和滴灌，大大節省日趨寶貴的水資源，具有巨大的社會效益和經濟效益。
b．根據植物對土壤水份的需求特點設定不同的灌溉方式，使植物按最佳生長周期生長， 達到增產增收的目的。
c．自動灌溉，大大節省人力資源，提高勞動生產率。
方案
每種植物都有適合其生長的濕度，濕度過大，植物的根系就會在土壤中腐爛，濕度過小，就不足以滿足植物生長所需要的水分。灌溉就是最大限度地滿足土壤的濕度在適宜植物生長的濕度範圍之內。經資料查證最適宜草坪生長的濕度是50%—60%RH。此信號與50%—60%RH比較，可以分為：大於，等於，小於三種情況。系統按可程式控制器內預先編好的程式自動按一定的灌水量進行灌溉。最終實現不需要人的直接參與，由系統自動實現灌溉，人的作用只是調整控制程式和檢修控制設備。
可程式控制器、感測器、變頻器是實現智慧型灌溉不可缺少的設備。但要想使整個草坪都得到相同的水量，對草坪實現均勻而智慧型的灌溉，必須要設計一套完整的系統。一套完整的智慧型灌溉系統由水源、電源、可程式控制器、開關量、模擬量輸入、現場儀表，顯示面板等組成。
水源：包括各種可能使用的水源的類型，如自來水、河流、井水、池塘等。視距離灌溉區的遠近而定，重要的是所選水源必須要有足夠的供水量。
電源模組：穩定可靠的電源供應是整個系統安全、可靠運行的重要前提，要求電源模組穩定、可靠，留有一定的功率餘量。
可程式控制器主控模組：負責發出和接收各種運行程式指令，是整個控制系統的中樞部分，要求具有高可靠性和穩定性，通信方式靈活，具有可擴展的功能。
開關量、模擬量輸入、輸出模組：該部分是可程式控制器裝置正確接收信息和發出指令的關鍵設備，要求有高可靠性、穩定性，能實現某些電、磁的隔離功能。
現場儀表：可程式控制器系統通過接收現場儀表設備發出的信號判斷被控設備的運行狀況，以及是否符合設備運行的環境條件，因此要求現場儀表設備具有高可靠性、穩定性和精確性。
顯示面板：通過顯示面板上的指示燈，使操作人員能清晰的看到系統的運行狀態，便於控制和維修。
其他輔助設備：輔助設備如冷卻風扇、UPS不間斷電源等是完善整個系統所必須的，對提高系統的可靠性和使用壽命有很大的幫助。
工作原理
1.智慧型灌溉系統工作原理
智慧型灌溉系統工作原理灌溉系統工作時，濕度感測器採集土壤里的乾濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模組轉換，將標準的電流模擬信號轉換為濕度數位訊號，輸入到可程式控制器。可程式控制器內預先設定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：在這個範圍內，超出這個範圍，小於這個範圍三種情況。可程式控制器將控制信號傳給變頻器，變頻器根據濕度值，相應的調節電動機的轉速，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，噴頭以各自的旋轉角度自動旋轉。灌溉結束時電磁閥自動關閉。為了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側安裝一塊壓力表，保證個噴頭的水壓滿足設定的噴灌射程，避免發生因為水壓不足，噴頭射程減少的現象。整個系統協調工作，實現對草坪灌溉的智慧型控制。
2.智慧型灌溉系統工作原理圖
綜上所述，要實現智慧型灌溉，系統需要有可程式控制器、感測器、A/D模組、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網和噴頭等設備。
①可程式控制器：負責發出和接收各種運行程式指令，是整個控制系統的中樞部分。
②感測器：由於本次設計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度感測器，只使用了土壤濕度感測器。通過感測器採集土壤里的濕度信號，判斷是否需要灌溉。
③A/D模組：因為可程式控制器不能接收模擬信號，所以需將感測器的電壓或電流信號轉換成數位訊號。
④變頻器：通過改變電動機的轉速調節噴灌流量，達到節水的目的。
⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，為噴灌系統提供一定的壓力。
⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。
⑦噴頭：實現均勻噴灑，便於充分吸收。
⑧管網：灌溉系統輸送水的管路。
意義
智慧型灌溉系統不僅可以提高源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。基於感測器技術的智慧型灌溉系統是中國發展高效農業和精細農業的必由之路。
