智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)探討

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摘要:通過對(duì)智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了一種采用智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)通過總線控制傳輸方式與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)及指令傳輸。測(cè)試結(jié)果表明:中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的灌溉專家系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控終端采集到的信息參數(shù)進(jìn)行分析,并生成控制指令,傳輸至灌溉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

關(guān)鍵詞:智能灌溉系統(tǒng);智能監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集;中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)

自動(dòng)化智能灌溉可有效提高水資源利用率,增加農(nóng)作物的生產(chǎn)種植效益[1]。自動(dòng)化智能灌溉采用傳感技術(shù)監(jiān)控作物生長(zhǎng)狀態(tài)、環(huán)境信息及土壤溫濕度參數(shù),經(jīng)過自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理及控制后,實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化[1]。按照灌溉控制過程的自動(dòng)化程度可將灌溉系統(tǒng)分為自動(dòng)灌溉智能控制系統(tǒng)和半自動(dòng)灌溉系統(tǒng):自動(dòng)灌溉智能控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中,不需要人工干預(yù),設(shè)定好的控制參數(shù)后,根據(jù)傳感監(jiān)控參數(shù)與設(shè)定參數(shù)的對(duì)比結(jié)果,生成灌溉控制指令,實(shí)現(xiàn)灌溉過程的自動(dòng)化控制;半自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中沒有傳感監(jiān)控系統(tǒng),無法按照環(huán)境信息進(jìn)行控制過程調(diào)節(jié)[2-3]。筆者通過利用傳感技術(shù)、信息交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)及電氣控制技術(shù),搭建一種智能監(jiān)控自動(dòng)化灌溉系統(tǒng),利用智能監(jiān)控傳感器采集作物生長(zhǎng)狀態(tài)、環(huán)境信息及土壤溫濕度參數(shù)狀態(tài),并經(jīng)總線控制傳輸至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī),與灌溉專家系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,生成灌溉控制指令,驅(qū)動(dòng)灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化。

1智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控灌溉系統(tǒng)采用總線控制的灌溉方式,預(yù)留無線擴(kuò)展接口,由多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)終端組成,并采用總線控制的方式連接至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)[4],如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)終端包含溫濕度傳感器信息、天氣預(yù)報(bào)信息及土壤濕度參數(shù)等。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)利用內(nèi)置的灌溉專家系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控終端信息進(jìn)行處理,制定灌溉控制指令,有效進(jìn)行農(nóng)田灌溉[5-6]。灌溉系統(tǒng)的信息化水平直接決定了監(jiān)控信息傳輸以及控制指令的傳輸有效性。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能監(jiān)控系統(tǒng)中的溫濕度傳感器能夠?qū)ν寥喇?dāng)中的水吸力信號(hào)大小進(jìn)行監(jiān)控,并轉(zhuǎn)化為土壤的濕度信息傳輸至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)[7]。在土壤濕度傳感器使用過程中,將傳感器埋入土壤當(dāng)中,安裝時(shí)要求濕度傳感器水平放置,且不能直接暴露于空氣當(dāng)中,傳感器之間的間距最小距離應(yīng)大于1m[8]。本文選用的土壤濕度傳感器參數(shù)如表1所示。智能監(jiān)控系統(tǒng)傳感器采集到的物理信號(hào)進(jìn)行采樣保持處理后,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路處理,傳輸至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī),智能監(jiān)控系統(tǒng)傳感檢測(cè)電路如圖2所示。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)生成的控制指令,經(jīng)輸出通道傳輸至灌溉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),指令輸出通道包含控制繼電器和輸出接口;輸出接口直接控制繼電器的通斷及繼電器對(duì)指令信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)的控制。繼電器對(duì)灌溉電磁閥進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)灌溉過程自動(dòng)化[9]。智能監(jiān)控控制系統(tǒng)采用總線控制方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息傳輸,運(yùn)用雙絞線完成多監(jiān)控點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分布,監(jiān)控終端檢測(cè)信號(hào)通過總線接口傳輸至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī),如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

灌溉控制系統(tǒng)軟件將實(shí)時(shí)采集到的傳感數(shù)據(jù)與灌溉專家系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,并生成控制指令,實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能化控制[10]。圖4所示為灌溉控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖。灌溉系統(tǒng)傳感器輸出數(shù)據(jù)信號(hào)為0~5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號(hào),經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行后,形成中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的輸入信號(hào)[11]。設(shè)定濕度值0~100%RH和溫度值0~50℃在數(shù)據(jù)處理軟件中對(duì)應(yīng)參數(shù)值為000H~FFFH。在系統(tǒng)軟件中,參數(shù)值每變化014H時(shí),濕度值變化1%RH,同理參數(shù)值每變化029H時(shí),濕度值變化1℃。濕度參數(shù)和溫度參數(shù)與系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為在信息傳輸過程中,信息系統(tǒng)總線接收數(shù)據(jù)靈敏度為±200mV,當(dāng)輸入信號(hào)大于或等于200mV時(shí),系統(tǒng)總線接收高電平信號(hào);當(dāng)輸入信號(hào)小于或等于-200mV時(shí),系統(tǒng)總線接收低電平信號(hào);當(dāng)輸入信號(hào)處于-200~200mV之間時(shí),系統(tǒng)總線接收到不確定狀態(tài)信號(hào)。在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信之前,中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用高電平信號(hào)對(duì)總線輸入進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并進(jìn)行短時(shí)間保持,當(dāng)進(jìn)行有效采集信息輸入時(shí),總線系統(tǒng)軟件輸入信號(hào)發(fā)生階躍,并開始完整數(shù)據(jù)接收與處理。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)總線之間通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,計(jì)算機(jī)CPU與總系串口之間采用一種并行的通訊方式,實(shí)現(xiàn)CPU與數(shù)據(jù)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)信號(hào)數(shù)據(jù)輸入至中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)時(shí),數(shù)據(jù)格式由bit格式轉(zhuǎn)化為byte格式;當(dāng)指令數(shù)據(jù)由中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)輸出至外圍數(shù)據(jù)設(shè)備時(shí),數(shù)據(jù)格式由byte格式轉(zhuǎn)化為bit格式。智能灌溉控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理軟件模塊可對(duì)系統(tǒng)歷史參數(shù)和用戶信息進(jìn)行管理,并可在使用過程中生成各種報(bào)表和曲線數(shù)據(jù),支持用戶數(shù)據(jù)查詢和修改。數(shù)據(jù)管理軟件可有效管理系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)、灌溉控制指令運(yùn)行過程管理以及進(jìn)行灌溉過程管理。

4系統(tǒng)測(cè)試分析

為驗(yàn)證智能監(jiān)控自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,對(duì)傳感監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)有效性和智能灌溉執(zhí)行過程進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)有效性測(cè)試時(shí),分別通過灌溉系統(tǒng)程序采集和串口手動(dòng)調(diào)試兩種方式獲取傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)比兩組數(shù)據(jù)的一致性,來判斷智能灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可靠性。試驗(yàn)過程中,對(duì)同一節(jié)點(diǎn)處的土壤濕度數(shù)據(jù)在0.5h內(nèi)重復(fù)監(jiān)測(cè)3次,取其平均值,空氣溫度數(shù)據(jù)按照0.5h內(nèi)的名義值進(jìn)行取值,當(dāng)二者偏差率小于5%時(shí),判斷兩組數(shù)據(jù)具有一致性。傳感器數(shù)據(jù)采集可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。在進(jìn)行智能灌溉執(zhí)行過程測(cè)試時(shí),通過對(duì)系統(tǒng)采集到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判斷,決策是否需要進(jìn)行自動(dòng)灌溉,同時(shí)與智能灌溉系統(tǒng)的決策指令及執(zhí)行過程進(jìn)行對(duì)比,通過二者一致性判斷智能灌溉系統(tǒng)執(zhí)行過程可靠性。在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi),設(shè)定當(dāng)土壤濕度小于45%RH時(shí),當(dāng)前土壤狀態(tài)需進(jìn)行灌溉,當(dāng)環(huán)境溫度小于15℃時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行10min灌溉,當(dāng)環(huán)境溫度處于15~25℃時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行20min灌溉,環(huán)境溫度大于25℃時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行30min灌溉。當(dāng)土壤濕度大于45%RH時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)暫不需要進(jìn)行灌溉。智能灌溉系統(tǒng)執(zhí)行過程可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

5結(jié)論

隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,智能化、自動(dòng)化已經(jīng)逐漸步入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)中,基于智能監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng),通過輸入不同作物的灌溉需求,可適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境的灌溉需求。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)促進(jìn)了農(nóng)田灌溉過程的自動(dòng)化水平發(fā)展,改善了水資源利用率,可有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

作者：程志通 單位：義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院