南疆棉田节水灌溉智能控制系统的研究与设计

花元涛，陈纪龙，喻彩丽，王兴鹏

(1.塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

新疆地区丰富的光照资源为当地棉花的高产、优质提供了有利的天然条件，已发展成为我国最大的优质棉生产基地[1]。据中国棉花信息网2014年统计，南疆四地州(地方)共种植棉花67余万hm2总产量高达100多万t。南疆棉田一般选择滴灌模式进行节水灌溉，但南疆水资源，尤其灌溉可用水相当紧缺，因此合理、精准的灌溉，是新疆棉花增质、增产、降低水资源浪费的基本保证[2-4]。加之南疆棉花种植范围广、监测点分散，人力控制麻烦[5]。因此研制一种易于操作、自动化程度高、性能可靠、精度高、适合我国国情的节水灌溉智能控制系统，将是现代化农业发展的必然趋势[6,7]。

本系统是以新疆阿拉尔市第一师十团试验园区研究设计的，该试验园占地7 hm2左右。全年平均气温10 ℃，降水量仅为50～70 mm，全年蒸发量1 400～1 700 mm，土壤质地为沙壤土，透气性良好，土壤密度为1.34 g/cm3，田间持水率为25%，地下水埋深在3 m以下。

1 系统总体结构

根据灌溉需求与园区环境特点，该灌溉系统总体设计如上图1系统结构框图所示。自动控制程序被写进工控机，不仅可以实现读取灌溉设备开关量状态、流量计、传感器示数等，还可以实现对电磁阀、变频器等设备的开闭控制，并将该控制命令写进数据库，由控制程序实时检测数据库中没有被执行的命令，根据需求执行相应操作。本系统上位机人机界面设计简单明了，易学易用，农户可以通过界面实时对灌溉相关信息进行监控、查询与下发控制指令，非常适用农户需求。

图1 系统结构框图

工程、市政人员与一般用户还可以通过服务器进行远程操作，但不同的角色被赋予不同的操作权限。另外该系统还采用了变频技术，利用变频器与工控机相结合来调节水泵的转速，以此实现恒压灌溉的目的。

2 系统硬件设计

本系统的硬件分别由监控系统通过RS-485、以太网、ZigBee等有线、无线通信方式对灌溉系统进行实时监测、数据采集、控制，来实现节水智能灌溉的。系统采用了两种通信方式——无线与有线通信，两类通信方式各利弊，一般在实际应用中根据需求将两类通信方式结合考虑更为适宜[8]。田中流量计、分井电磁阀分别是通过RS-485通信、以太网通信有线通信方式，主井电磁阀、土壤温湿度传感器、压力传感器则分别通过ZigBee无线通信方式，来实现与触摸屏工控机进行通讯。压力传感器选择的是20886P5E22CM4，不带显示、4～20 ma输出模拟量、DC24V两线制、最大量程为0～2.5 MPa、精度0.5%；土壤温湿度传感器选择的JZH-0系列无线传感器，通信距离≥800 m、测量精度：土壤温度：±0.5 ℃、土壤水分：±3%；采集模块为ADAM-6066 ，其具有六路数字量输出、支持标准的通信需求Modbus协议、具有主机待机功能合看门狗定时器；变频器为CV3100-4T0110M/4T0150FP，INPUT：AC、3PH、380 V、50/60 Hz，OUTPUT：3PH、0～380 V、0～400 Hz；电机、网管、电磁阀、流量计选择的型号分别是Y160L-2、KL-H1100、DN80、AMF等；硬件选型完全满足灌溉的需求。系统主要硬件选型清单如表1所示，系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

硬件名称型号变频器CV3100-4T0110M/4T0150FP流量计AMF工控机PPC-3120采集模块ADAM-6066电磁阀DN80铸铁压力传感器20886P5E22CM4土壤温湿度传感器JZH-0系列网关KL-H1100电机Y160L-2

2.1 恒压供水硬件实现[9,10]

本灌溉系统采用了恒压变频灌溉技术，系统将事先设定好的上、下限压力作为基准值，压力传感器实时监测管网压力反馈到变频器，将监测到的压力值与预先设定好的基准值经PID进行比较运算，当管网压力超过设定的压力上限值时，变频器将会调节其输出电压与频率的大小，降低水泵电机的转速，减小抽水速度，从而使管网压力值减小；当管网压力值降低到预先设定的压力下限值时，变频器使输出频率增大，提高电机转速，增大抽水速度，使得管网压力增大，最终实现恒压灌溉。从而避免了管网压力不稳定，灌溉精度不高的问题。

本系统选择的变频器为深圳易驱电气有限公司生产的CV3100系列变频器，具有先进的矢量控制算法，内置PID调节器和标准的RS-485通讯接口，可以实现对旋转中电机无冲击平滑启动的功能。压力传感器的正极性端接到变频器+24 V端子上，另一端子接到AI2端子上，AI2端可以选择电压或者电流信号输入，由控制板上的三档二位开关JP1的位置切换，由于压力传感20886P5E22CM4的输出的为4～20 ma电流模拟信号，JP1上端两个端子为电流信号输出，下端两个端子为电压信号输出，所以将跳线接到JP1上端的两个端子上。恒压供水电气控制图、实物图、变频器端子接线图分别如图3-5所示。

图3 恒压供水电气控制图

图4 变频器端子接线图

图5 恒压供水电气控制实物图

2.2 土壤墒情采集整体架构设计

土壤温湿度的是影响作物生长、发育的关键因素，因此将土壤温湿度控制在最佳的作物生长范围内将显得尤为重要[11,12]，从而可以避免灌水过少或过多致使农作物减产、减质以及水资源浪费的问题。土壤墒情采集部分的温湿度传感器采用的是JZH-0系列的温湿度传感器，其具有更高的测量准确度、组网能力强、采集储输一体化等功能；无线采集模块选择的是JZH-3系列无线模块，它具有采用主从方式数据通讯、符合2.4 G ZigBee协议、多路多种信号输入等功能。选用的网关是北京昆仑海岸传感技术有限公司自主研发的KL-H1100。

本系统土壤墒情采集部分的设计思路是传输层与感知层之间以ZigBee无线通信方式进行数据传送，应用层与传输层利用以太网有线通信方式进行数据传输，无线传感器部分作为感知层，应用层与传输层分别由上位机和网关充当。在灌溉时，工控机监控系统根据土壤温湿度传感器所感知的实时数据进行分析、处理，并按着需求下达灌溉指令，使土壤温湿度保持在棉花适宜生长的范围内。其数据采集系统整体架构如图6所示。

图6 数据采集模块整体架构

3 系统软件设计

一个完整的系统，不仅要有硬件结构作为支撑，软件部分设计也非常关键。该系统软件采用java语言编程人机界面，MYSQL数据库存储灌溉数据，开发设计了认证子系统、接口子系统、控制子系统、专家子系统、分析和展示子系统。其中认证子系统主要用于对系统用户进行认证，通过认证的用户及其应用系统可以向平台提交数据，使用平台功能，其包括用户管理和用户认证；数据接口子系统用于定义统一的数据接口标准，在经过认证的前提下，可对提交数据进行记录，为数据中心系统提供基础数据支持；控制子系统控制系统集成管理主流设备和协议，是一个开放性的系统，可以通过二次开发，对系统添加设备和协议，使其能够适应更多的设备；专家子系统主要包括作物设置模块、智能策略模块、知识库模块。用户使用人机接口，通过作物设置模块向系统提交灌溉方式、大田信息等数据，专家子系统根据用户输入、选择的数据，在知识库中进行综合条件查询，并智能生成灌溉策略；分析和展示子系统主要是为了采集数据并记录数据，目的是为了分析数据，得出结论，为农业的科学生产提供理论和实践相结合的指导依据。其上位机人机界面管理平台功能结构如图7所示。

图7 上位机人机界面管理平台功能结构图

系统管理平台定义统一的数据和接口规范，经过认证的应用可以通过接口子系统向系统提交大田灌溉数据，系统进行数据采集记录、数据分析和数据展示。借助底层应用，系统可通过土壤墒情采集设备定时获取土壤墒情数据，根据墒情信息和作物信息进行科学合理的灌溉。系统还可以通过读取水表读数，记录应用示范点实际灌溉用水情况。其上位机人机界面如图8所示。

图8 上位机人机界面

3.1 系统自动灌溉控制原理

系统设定了自动灌溉、定时灌溉和手动灌溉3种灌溉模式。其中手动灌溉方式最为粗糙，是在人工干预的情况下进行灌溉的；定时灌溉方式是根据作物不同生长时期的需水量、灌水速度、田块大小，通过合理的计算来确定灌溉时间，当需要灌溉时，工控机将下发灌溉命令，当灌溉结束时由工控机下发停止命令结束灌溉；自动灌溉模式是根据灌水时间T及棉田土壤湿度墒情情况为依据，首先设定棉田土壤湿度下限值，如果土壤湿度低于下限值时由工控机下发电磁阀开启命令开始灌溉，当灌溉达到需求后再由工控机下发电磁阀关闭命令停止灌溉，克服了以往灌溉基本靠经验的模式，达到了节能、节水、自动灌溉的目的。其自动灌溉流程如图9所示。

图9 自动灌溉流程图

3.2 节水灌溉的主程序设计

系统通过上位机控制变频器、电磁阀等器件开闭，读取流量计、温湿度传感器等信号信息。通信与控制均采用ModBus-RTU协议。上位机运行时首先对数据库中所有设备信息进行读取，将设备依照串口信息与田块信息进行分类，打开相应的串口，并对串口下的所有设备初始化。打开相应串口线程后，两个定时器被打开，用以生成查询与控制指令，并将指令加入相应的串口线程队列中，系统主进程流程图如图10所示。

图10 系统主进程流程

3.3 设备查询指令执行子程序

上位机通过串口向下位机发送查询命令，创建生命周期为T的监听，若在时间周期T内收到数据，则对数据进行相应的处理，并把本条命令对应未收到命令的次数清零，如果在T时间内未收到回复，则结束监听，将该条查询命令对应的未收到命令次数进行加一。然后判断未收到命令次数是否等于三，如果判断为真时将设备报警信息更新到数据库，若判断为假则结束，串口设备流程如图11所示。

图11 串口设备流程图

3.4 串口控制子模块设计

打开串口线程后，分别创建查询与控制两个队列，并将控制队列优先级设为高，每次打开串口线程后将进入循环，然后再判断控制队列是否为空，如果不为空时则执行队列中的控制命令，若控制队列为空时则进行判断查询队列是否为空，若该队列不为空时则执行查询队列里的相应命令。若查询队列为空继续循环，查询控制队列，串口设备流程如图12所示。

图12 串口设备流程图

4 系统测试

经过反复的测试和bug修复，目前大田节水灌溉智能管理

系统平台已具有较高的稳定性，网络正常情况下，系统访问速度较快，运行良好，控制部分控制灵敏，操作简单。

系统设计以用户为出发点，界面效果较好，美观性较强，各功能模块操作流程设计符合逻辑，且操作简单，不管是在视觉上，还是操作上，都能够让用户拥有一种操作便捷的体验。

5 结 论

本系统管路首部基础实施得到提高，增加了水压监测和变频器等设备，更进一步地保证了园区灌溉的科学性和合理性，提高灌溉的精度、水资源得到了高效利用、能效显著；克服了园区在大田灌溉方面主要依照人工操作灌溉方式，采用智能、远程化管理灌溉，灌溉设施自动化程度得到提高，降低了劳动成本；改变了以往注水量基本靠经验的方法，利用土壤温湿度等进行实时在线监测，结合农作物生长特点，精准把握灌溉时间和灌溉量，实现灌溉策略科学化。

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