基于物联网技术的农业节水灌溉控制系统方案设计

基于物联网技术的农业节水灌溉控制系统方案设计1、背景介绍智能农业是物联网十二五规划重点领域之一，大量的科技创新技术将应用在农业发展中，其中包括通信技术、自动化控制系统，等等。通信技术是指通过各种有线、无线、长距离、短距离的通信技术的应用，实现物品与物品之间，机器与机器之间，机器与人之间的信息与数据的交换，这就形成了当今科技领域最为关注的领域之一——“物联网”。其中，无线传感器网络技术是物联网的核心技术之一，它担负着极其重要的信息传递、交换和传输的重任。无线传感器网络技术目前是通信、计算机和自动化等领域一个新兴的研究热点，它能够可靠地、实时地采集覆盖区中的各种信息并进行处理，处理后的信息可通过有线或无线方式发送给远端数据消费系统。自动化控制系统可以在设定的条件下与远端接收器通信，按照系统预先设定的程序对现场设备进行开、关等操作，还可以按照复杂的业务流程和业务逻辑，实现灵活的操作控制，另外，动态信息采集分析技术也是重点应用，对现场的复杂数据进行分析和管理。在我国，农业是用水大户，农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉效率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的，也是节水潜力最大的领域。目前，农业节水灌溉的困难在于农田分布范围广泛，各种农作物的用水需求也不相同。使用大面积的沟渠灌溉技术，不仅浪费水资源，而且在农田利用上也造成很大的浪费。采用自动化控制的滴灌技术，可以根据各种农作物对水量的要求，以及土壤的水情合理配置各个供水设备运行情况。另外，通过自动化控制，可以将整个农场系统中的各种资源使用情况进行统计分析，使相关人员及时了解整个系统的相关资源信息，通过统计分析，进行合理使用，从而达到省水节能、省工省地的效果，以及发展节水农业的目的。托普物联网在农田智能灌溉领域的应用主要是通过无线传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积、节点数量可以不受限制，因此可以灵活增减轮灌组。加上节点具有土壤、植物、气象等测量采集装置，利用通信网关的Internet功能与GPS技术结合，形成灌区动态管理信息采集分析技术，配合作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等，可构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。2、农业节水及信息管理系统2.1系统结构农业节水及信息管理系统一般负责的区域比较大，如一个乡、一个县、一个市等。这样大的区域，对于自动化产品来说，采集能力和通信能力都不可能实现，为了将这么大的区域中的相关信息进行收集，需要将这些大的区域划分为多个相对较小的区域，每个相对较小的区域再划分出更小的控制单位，从而能达到一个自动化控制单元所能控制的范围。因此，农业节水及信息管理系统一般由两个部分组成：集中监控中心、现场监控站。各部分分工明确、协同合作，使管控一体化的功能在农业节水及信息管理中得到了充分应用。下图为基于物联网的农业节水灌溉系统网络结构。现场监控站现场监控站作为整个农业节水及信息管理系统中的最小单元，也是整个监控系统的最底层控制系统，它负责整个系统的数据采集以及将采集到的数据传送到上层集中监控中心的任务。现场监控站一般控制和采集的设备包括：使用无线ZIGBEE协议的阀门、RTU设备、各种气象、墒情采集传感器等，有些先进的监控站还配置视频采集设备，实时采集控制区域内的视频信息。现场监控站一般使用具有通用组态功能的组态软件完成现场各种设备的数据的集成，以及数据的传输功能。本系统中，使用北京九思易自动化软件有限公司的托普物联网组态软件。集中监控中心集中监控中心根据其所管辖区域大小，将区域内所有现场监控站的信息进行集中采集、展示、存储、分析等。同时，通过托普物联网组态软件的WEB发布功能，将所采集的信息发布到INTERNET上，供相关部门查看分析。集中监控中心通常与现场监控站之间通过移动通信技术GPRS、3G或者WIFI等无线通信方式进行连接，这种方式可以大大节省硬件成本，同时，数据的实时性也能保证。集中监控中心作为整个农业节水和信息管理系统的中心层，不直接参与现场设备的控制，而是通过对现场监控站相关数据的分析以及历史数据的分析，形成先关的节水灌溉方案，各个现场控制站通过分析所得的方案进行相应的现场控制。2.2.1现场监控站现场监控站一般设置在现场控制区域的泵房中，其中配置监控计算机一台，实现对控制区域设备的信息采集和控制，安装托普物联网组态软件，每一个泵房设置一套。农田节水和信息管理系统中的现场监控站主要使用对象为非专业人士，因此，该系统的功能界面主要以简洁、明了、易于了解和经济适用为主。该系统的功能主要有：1、数据采集与监视功能现场监控站中由于各种管线与阀门铺设的距离比较远，使用有线数据采集的方式在监控成本和控制线缆铺设上都不现实，因此，使用Zigbee无线通信的方式进行数据采集。它是一种短距离的无线通信方式，对于在农田这种开阔地带使用比较有优势，它与RTU控制单元结合使用，采集泵房管理系统内的各个阀门与水泵的控制信号，实现水泵和阀门的远程控制，同时还采集相关的模拟量数据，如蓄水池水位、管道流量、过滤器前后水压、电机电流、电压、墒情、气象等数据。2、画面监控画面监控主要包括设备监控画面、系统管理界面以及数据统计分析画面。A、设备监控界面按照现场监控站滴灌系统管道铺设管线绘制田间滴灌分布图，在图上直观显示相关电磁阀的位置、状态、是否启用轮灌，正在灌溉的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。该界面可以对电磁阀的状态统一实时查询;轮灌启动、界面锁定;电磁阀的单独开启关闭、状态查询。界面锁定以后(安全模式)，整个界面上操作人员不能有任何操作动作(不能控制设备，只能浏览查询信息)，只有通过密码实现解锁才能进行控制操作。A、数据统计分析画面包括实时数据显示和历史数据显示两部分内容，显示的数据有电机电压、电流、蓄水池水位、过滤器前后水压、出水口流量、土壤水分以及气象站、设备电池电压等。B、系统管理界面包括系统通讯诊断、系统设备拓扑结构图、设备地址、时钟、工作参数配置界面、设备列表、轮灌编辑界面、用户管理界面、数据存储设置、调阅、导出界面、设备通讯状态、设备电池电压，首部电压电流、水位、水压等错误或者数据超常报警设置等。1、设备控制功能设备控制功能包括田间各个电磁阀与水泵的单独控制以及电磁阀的轮灌控制。单独控制时，农民可以在监控画面上对每一个设备进行单独的打开或关闭操作，当操作没有反馈或反馈信息错误时能进行相应的报警。轮灌控制需要根据系统管理界面中对于轮灌功能的配置，系统自动完成所有电磁阀的打开与关闭控制以及打开的时间等。1、数据存储记录功能系统中采集的各种模拟量数据，如首部电压、电流、水位、水压、流量、土壤水分等都进行记录，数据记录使用定时记录的功能，每半小时记录一次相关数据(记录数据时间可设定)，数据保留时间为1年，数据记录使用托普物联网自带的SQLexpress数据库完成。同时，在画面上可以通过报表、曲线的方式进行历史记录数据的查看。2、报警功能报警功能主要针对重要的操作和模拟量超限进行。报警的方式根据现场计算机的条件可以有声光和短信两种方式，需要泵房监控系统中配置相应的音箱及短信发送模块。重要的报警能记录到数据库中进行历史报警的查询功能。3、用户管理功能田间泵房管理系统的用户主要包括系统操作的农民和相应参数设置的维护人员。不同用户通过用户名和密码登陆获取不同的权限。农民主要权限为设备的单独操作和实时数据的查看。系统维护人员具有所有功能操作的权限(由于维护人员不是长期驻守在泵房，所以参数维护由监控中心维护人员统一进行远程维护)。4、数据上传功能现场监控站只是整个系统的最底层监控系统，它是最底层的数据采集系统，对于上层管理系统来说，它还包括数据上传到监控系统的功能。本系统中，现场监控站与上层集中监控中心的通信方式有两种GPRS和超短波电台的方式。因此，数据上传功能使用托普物联网IO通信中的modbus主站方式将数据通过GPRS或者超短波电台发送到监控中心。2.2.2集中监控中心集中监控中心负责将所管辖的现场监控站的所有信息进行集中管理，集中监控中心设置在相应的上级管理中心，设置一台监控服务器，监控服务器作为集中数据服务器、历史记录和WEB发布服务器使用。监控中心实现的功能主要有：1、数据采集功能集中监控中心与各个现场监控站的距离较远，使用有线传输的方式成本太高，因此，选用无线的数据传输方式，根据各个泵房配置的无线模块的不同，主要包括GPRS网络、远传数据网络(电台)。2、监控画面监控中心是下辖的所有现场监控站信息的汇总，它的监控画面主要包括：A、用户登录界面：监控中心集中了中所有监控系统，不同用户可以按照权限显示不同的项目点分布界面。B、监控信息管理画面监控信息管理根据不同用户的权限，显示不同的内容，打开相应的监控地图，在地图中可以选取不同的现场监控站，点击后就可以直接显示相应的数据信息。对于更高级用户，登录后可以在不同信息管理中切换显示画面。3、数据统计分析功能数据分析统计功能是指对各个现场监控站数据进行集中数据的存储、曲线棒图的对比分析、报表文件的查看等功能。A、数据存储功能：将系统采集到的相关模拟量数据进行集中历史记录，使用SQLSERVER数据库，历史记录的时间间隔为30分钟，数据的存储周期为2到3年，数据存储到数据存储服务器中。B、曲线棒图功能：在监控画面中能将各个历史记录数据通过历史曲线，棒图的形式进行展示，主要包括用水量曲线、流量曲线等。历史曲线可以通过时间查询不同时间段的曲线情况。C、报表功能：通过历史记录数据，可以形成系统的数据报表，包括日、月、年等报表，操作人员可以通过时间查询相关时间段的数据形成相应的数据报表，同时报表还具有数据查询、打印、导出为EXCEL等功能。4、报警功能报警功能主要包括系统中监测到的一些设备报警以及模拟量的越限报警，对于不重要报警信息可以通过声光方式在监控室显示，对于重要报警信息可以通过手机短信的方式在报警的第一时间发送到相关人员。5、用户管理功能用户管理功能配置系统中不同登录用户的操作权限，以及用户登录、注销等功能。6、WEB发布功能将监控中心中相关的数据画面通过托普物联网的WEB发布功能发布到INTERNET上，相关人员只需要通过各自电脑的IE浏览器就可以直接查看各个现场监控站的运行情况。3、结束语本系统设计融合了自动化组态、移动通信、广域网无线通信、ZIGBEE局域网无线通信等先进技术，能够实现农田定点采集、移动采集与传输功能。具有结构简单、功耗低、设计成本低、使用性强、监测数据实时显示实时上传和可重复性好等显著特点。与国内外现有类似产品比较，有以下特点：(1)、系统节能设计。系统子站采用无源干电池技术，为了极大提高子站使用寿命，通过合理的通信技术，降低子站通信耗能，节省了能源，提高了效率，节省了成本。(2)作物本身是决定是否需要灌溉的最佳指示物，只有他们才能把控制作物水分平衡的土壤因子整合起来。现场控制站通过采集影响作物生长的环境参数，了解农作物对水的需求情况做到按需供水。(3)、充分考虑传感器节点部署区域环境复杂、大型遮挡物较多等因素。为了克服环境复杂、遮挡物较多等干扰因素，在软件开发时，做了很多差错控制技术，提高数据传输的可靠性。同时考虑到系统干扰问题，做了相应的抗干扰措施，使系统通信顺利畅通。(4)将无线数据传输技术和节水灌溉技术结合起来，采用无线数据传输和控制，对提高节水灌溉的自动化水平，更快、更准确的掌握作物的生长环境及生长规律，更精确、及时的控制灌溉，节约劳动力，对提高农业投入的经济效益具有重要的意义。托普物联网简介托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农