节水灌溉智能远程监控系统的研究

摘要：我国处于传统农业向现代农业转化的新阶段，结合物联网技术研究具有自主知识产权的智能温室控制系统，自动控制温室中植物生长的各项环境参数，为实现植物精细化、自动化生产，提高农业生产的效率与农产品的质量提供保障，是农业现代化的重要标志之一。系统由环境参数采集子系统、传感器网络、数据传输网络、中心计算机和远程通信子系统组成。采用模块化设计，易扩展和系列化，应用不同领域只需更换传感器。允许连接各种类型传感器，通过485总线或无线网络与"中心计算机"通信，"中心计算机"基于VB编写主控程序和可视化控制界面，采用Access数据库，储存、管理各传感器和执行器的即时、历史数据，可导出Excel报表，生成全日、全周、全月的变化趋势曲线图；系统提供闭环、开环控制两种模式选择；采用短消息、GPRS技术和基于Web的远程数据传输技术实现远程监控；也可直接用移动手持器通过WLAN与485总线相连实现通信，获取环境参数数据、发出控制指令。

关键词：物联网；智能温室控制；双串口通信

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2882-03

1 概述

我国是传统的农业大国，农业用水占国民总水量的70%以上，但是有效利用指数只有40%。提高农业用水效率，发展节水农业，积极推广节水灌溉技术，对保障国家水安全、粮食安全和生态安全，推动农业和农村经济可持续发展，具有重要的战略地位和作用。

利用传感器技术、自动控制技术、信息采集与处理技术和现代通信技术，研制适合国情、易于安装、操作方便、价格低廉并具有远程监控功能的节水灌溉智能控制系统，对提高我国农作物产量、节约用水、降低成本、减小环境污染均有重要意义。市场前景广阔，而且具有较大的社会效益和经济效益。

2 本课题的主要研究内容

节水灌溉智能远程监控系统是利用传感器技术、信息采集与处理技术、现代通信技术和自动控制技术构成的具有远程监控功能的节水灌溉智能远程监控系统。

该系统由环境参数采集单元、控制单元、中心计算机和远程通信单元组成。环境参数采集单元包括土壤湿度、流量、EC、pH等传感器和气象站，负责实时、准确采集土壤湿度、液体流量、电导率、酸碱度、光照强度、空气温度、空气湿度、风速、风向、雨量等参数，送到灌溉控制单元。控制单元根据这些参数，按设定的任务控制灌溉电磁阀，实施精准灌溉，并通过RS-485总线与中心计算机相连，上传数据、接受指令。用户通过与中心计算机相连的GSM短消息远程通信单元，实现对节水灌溉智能系统的远程监控。如图1所示。

该项目与传统或现有技术相比具有以下明显的技术创新性：

1）控制单元可脱离系统独立工作。为提高性价比，易于系列化，控制单元不连接中心计算机时也可独立工作，本身既具有强大的数据收集、记录和控制功能，实现灌溉网集群控制；

2）系统具有以时间、流量、光积累、土壤湿度为依据的多种灌溉模式，实现多样化的精准灌溉。并设有“累计灌溉时间限制功能”，防止灌溉过量；

3）系统分为闭环、开环控制两种模式，方便用户，适应各种应用领域；

4）采用远程监控方式，方便用户，提高产品竞争力。

3 系统的软件设计

节水灌溉智能远程监控系统的软件设计包括监控系统软件设计和上位机软件设计两大部分。

1）节水灌溉智能远程监控系统上位机软件设计，本软件基于VB编写主控程序和可视化控制界面，采用Access数据库，储存、管理各个灌溉、施肥控制单元传送的大量即时、历史数据，可以导出Excel报表，生成全日、全周、全月的变化趋势曲线图。

数据库是节水灌溉智能远程监控系统上位机软件的核心部分。分实时数据库和历史数据库两种。其中实时数据库中存放的是变量的当前值，并随变量值的改变而改变。而通过记录实时数据库中的变最数值，就形成了历史数据库。变量的历史数据包含了存储日期、时间、数值大小及对应的变量等等信息。因此开发节水灌溉智能远程监控系统上位机软件时，可以实时数据库为中间环节，实现将工作现场的运行状况在人机界面上实时动态显示，同时把上位机发布的指令迅速送达主控制器。此外，还可将实时数据库中的数据以实时曲线的形式反映在屏幕上、制作实时数据报表等等。而历史数据库可用于查询、绘制变量的历史曲线、制作历史数据报表、记录报警信息等等。如图3.1所示。

参数设定界面包括灌溉阀设定、灌溉泵设定、数据记录设置和传感器通道设置等设定界面，灌溉阀设定可设定24只灌溉阀有效性及其开关状态，并设有时间、流量、光积累、土壤湿度等参数设定，可根据时间、流量、光积累、土壤湿度为依据的多种灌溉模式，实现多样化的精准灌溉。并设有“累计灌溉时间限制功能”，防止灌溉过量。如图3.2所示。

实时参数显示界面可实时显示灌溉设备状态、土壤湿度实时参数和气象站实时数据。其中灌溉设备状态包括各灌溉阀开关状态、累计灌溉量和光照积累量；土壤湿度参数显示各土壤湿度传感器实时湿度；气象站数据包括室外温度、室外湿度、光照度、风向、风速、雨雪信号、雨量等实时数据显示。

2）主控制器的软件设计采用模块化的C语言设计，可实现如下功能：

1） 传感器数据采集，包括土壤湿度、流量、EC、pH等传感器和气象站的数据采集；

2） 数据处理，在脱离上位计算机的情况下，可实现数据收集、记录和控制功能；

3） 控制功能，根据不同的设定，可实现开环或闭环的灌溉控制功能；

4） 系统内组网、通信功能，主控制器可实现与气象站、无线传感器、GSM短信模块、上位机或其他控制器的通信、组网功能。

3）GSM短消息模块采用SIM900A无线通讯模块和单片机，借助公用移动通信网，通过AT指令接收和发送短消息，实现远程监控。

4 本系统实施案例

项目实施过程当中，发现部分农田、大棚采用的有线监测方案，布线成本高，安装调试成本高，且维护困难，在生产中很容易把线碰断，不便于移动；重新设置监测点后，需要重新布线。

根据用户建议，结合实际情况，增加了无线传输方式，部分采集、控制设备采用无线方式，利用太阳能板供电，无需布线，可在任何条件的农田、大棚、温室内安装。无线采集设备、控制收纳方便、轻巧便携、方便移动。

5 总结

本课题目标是研制节水灌溉智能远程监控系统。课题利用传感器技术、信息采集与处理技术、现代通信技术和自动控制技术构建了具有远程监控功能的节水灌溉智能远程监控系统。该文的工作及取得的研究成果总结如下：

1）灌溉、施肥控制单元可脱离系统独立工作。为提高性价比，易于系列化，灌溉、施肥控制单元不连接中心计算机时也可独立工作，本身既具有强大的数据收集、记录和控制功能，实现灌溉网集群控制；

2）系统具有以时间、流量、光积累、土壤湿度为依据的多种灌溉模式，实现多样化的精准灌溉。并设有“累计灌溉时间限制功能”，防止灌溉过量；

3）系统分为闭环、开环控制两种模式，方便用户，适应各种应用领域；

4）采用远程监控方式，方便用户，提高产品竞争力。

5）部分节点采用太阳能供电及无线传输方式，节省了布线及安装调试成本，方便应用。

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