基于GPRS技术的农业节水灌溉远程监控系统研究

周志遥

（湖南省桂阳县农业局，湖南 桂阳 424400）

我国多数地区经济发展水平较低，在农业灌溉方面缺乏节水意识，农田用水时经常出现有无序无介质灌溉情况。当前农田水利基础设施的建设必须要做好对有限水资源的高效、合理、科学利用。大量实践研究表明，在农业灌溉中应用远程监控系统，能够使农田灌溉用水利用效率有明显提高，减少水资源的浪费，同时还能结合农田用水实际需求，对其进行适当的控制和调节，使农作物有良好生长环境，提高农作物产量。架设通信专线等方式虽然在技术层面可行，但是需要较高成本，投资大。GPRS技术的应用，不仅能够实现农业节水灌溉远程监控，同时还能够实现无人化调控管理，具有十分广阔的发展前景，本文就此展开了研究分析。

1 系统硬件设计

当前市场上所应用的节水灌溉系统结构较为复杂，自动控制功能的实现需要布线，信号传输以及控制质量受到距离等因素影响，实际应用效果不是十分理想。以GPRS技术为基础的农业节水灌溉远程监控系统，主要设备组成包含有主计算机、气象观测站、电磁阀、传感器以及GPRS采集控制终端等。结合有传感器技术、节水灌溉技术、无线通信技术等先进技术手段，利用计算机和无线传感器网络，实现对供水量、土壤水分、温度、气温、农作物生长状况等相关信息的实时采集、分析和遥控。农业节水灌溉远程监控系统还能够在线采集节水灌溉、土壤特性分析、农作物生理等方面信息，促进农业节水理论的高效发展进步。

整个控制系统包含时间、水量和灌溉深度3个方面参数指标，在管网布设方面，需要综合交通运输、地形、水源等方面分析考虑，总干管网顺主干道布设，支管选择双向控制模式，支管网控制面积需要与灌溉区域实际情况相结合，保证划分的均匀性，实现对水资源的高效合理配置。管道的埋设深度控制在60～70cm，考虑到经济性因素，主干管道尽量选择UPVC管道，支管选择PVC管道。

从网络结构方面划分，GPRS农田自动化灌溉系统可分3个不同层次：第1层是由电脑和以太网组成的控制中心，控制中心主要是进行灌溉参数方面设置，实时统计灌溉方面情况并储存在计算机中，通过图表与数据等形式显示，联网获取当地天气信息，智能灌溉。PRS中心连接的建立可选择固定IP地址和动态IP地址2种不同方式，其中固定IP地址方式在实际应用中增加监控点数量时不需要对中心控制站扩容，能够满足200个左右监控点需要，动态IP地址方式在实际应用中增加监控点数量同样不需要对控制中心扩张，能够满足几十个监控点需要；第2层布置有GPRS采集控制终端，能够与PLC、传感器等相关设备通过用户数据接口相连接，用户接口方式有RS485及RS232等，以此建立通道进行数据传输，使现场数据能够及时传送至计算机；第3层主要为传感器和电磁阀，传感器在采集到数据后通过GPRS无线传输发送至第3层，传感器采集到的数据经过转换和处理后，能够结合具体作物需要合理确定灌溉量，与中央管理计算机指令相结合，对信号输出进行控制，实现自动化灌溉。GPRS无线采集控制器与控制中心之间的连接不需要通过电缆，电磁阀及传感器只需要一条电缆就可以实现与GPRS无线采集控制器的高效连接。

2 系统软件设计

系统软件的设计选择“四遥”组态软件，该软件在我国供电、煤气、环保等方面有非常广泛的应用，有着非常好的数据采集以及处理等功能，方便用户的实时、准确调度管理，实现对各类应急情况的有效处理。

2.1 系统管理

系统管理主要是实现对设备、平台以及运行维护方面管理，具有非常重要作用，包含有较多功能子模块，比如说网络管理、安全管理、系统维护、数据库管理等。

2.2 调度控制及管理

调度控制和管理属于系统控制命令输送主要通道，有着调度和管理方面作用，能够使操作员调度意图以及控制原则更好的实现。在系统自动调度过程中，还支持操作人员的人工干预。整个系统的自动控制包含有现地子站和远程监控主站等，其中远程监控主站远程传输主要利用GPRS网络实现，与田间灌溉网电磁阀相结合，能够自动化控制灌溉管网的开度和角度。为了保证数据传输的准确性，基站之间的距离需要控制在1000m以内，结合农作物生长参数，远程监控主站对采集的信息数据自动分析，制定农作物需水量方面控制策略，经过编码、调制和放大处理后通过基站发送，实现远程控制。

2.3 系统通信

系统通信模块主要实现与对外信息交互，不仅有信息交互和通信联络方面功能，同时还能实现对数据的筛选、过滤和分类处理，结合系统内部数据格式，将系统划分为不同输出类型。系统通信网络布设水平直接关系到节水灌溉控制系统准确性和实时性，在传感器节点布设过程中，需要对传感器网络的监控范围和投资成本进行充分全面分析考虑。

2.4 显示屏控制和管理

显示控制和管理主要包含有工况显示和视频图像显示方面功能，本系统所选择的“四遥”组态软件在实际应用中有具有非常好的人机接口画面，能够实时显示图形，使运行人员对各现场终端设备运行状态有全面了解把握。另外，监控系统还可以根据人员的具体职权，对操作权限进行设置，根据需要改变显示内容和方式，同时可实现远程控制。接受天线在接收到信号后，利用滤波电路消除噪音，编码解调，之后形成对应控制信号，控制电磁阀，进而控制管网开度和角度，提高农田节水灌溉控制准确性，实现对水资源的有效节约。

2.5 实时工况数据采集

实时工况数据采集同样属于一项主要功能模块，结合现有的调度控制目标，控制数据采集的对象、范围以及间隔等参数，对采集的数据及时处理。采集模块所输出的数据主要有3个方面：实时工况信息、工况信息记录、故障和异常报警信息。

3 对应编程设计

选择西门子PLC（S7-224XP CN），PLC与GPRS之间的通信通过COM1串口实现，GPRS DTU通电后可自动连接网络登陆数据中心服务器，数据中心服务器返回确认信号，GPRS DTU再将接收的信号发送至PLC，PLC接收到指令后表明网络成功连接，能够实现数据双向通信。PLC与现场仪表方面的连接主要通过4～20mA模拟量连接等方式进行，流量计在累积流量和瞬时流量的采集方面则通过串口通信方式进行。

4 用户平台管理

整个远程监控中心有至少1台存在公网IP地址的计算机，实现对农田现场参数以及土壤参数的实时监测管理，通过这种方式，在管理者与生产之间发挥出纽带作用，为了更好的方便管理者对生产现场的管理，用户平台需要合理设置友好的人机界面和数据显示处理功能。本系统应用“四遥”组态软件，可以满足实时数据库操作，能够将相关数据提供给图形画面等形式显示，同时还包含土壤温度、湿度、阀门运行状态、指示灯方面显示。

5 结束语

节水灌溉智能自动化控制技术对于农业生产发展有着非常重要的意义和作用。随着我国社会经济发展进步，国民经济水平有明显提高，我国在农业方面的投入越来越大，节水灌溉信息化管理技术越来越受到农业关林人员欢迎。基于GPRS技术的农业节水灌溉远程监控系统在实际应用中有卓越的操作性能，稳定可靠，功耗和成本低，具备有友好的人机界面，不需要过多布线，能够有效改善传统灌溉监测系统在实际应用中存在的问题和不足，为无线传感器网络在广告控制领域的应用打下良好基础，对于节水灌溉控制技术的发展有着非常重要的价值和意义。