GPRS農業節水自動化灌溉系統

概述：　

　　水是一切生命過程中不可替代的基本要素，水資源是國民經濟和社會發展的重要基礎資源。我國是世界上13個貧水國之一，人均水資源占有量2300立方米，只有世界人均水平的1/4，居*109位。而且時空分布很不均勻，南多北少，東多西少；夏秋多，冬春少；占國土面積50％以上的華北、西北、東北地區的水資源量僅占全國總量的20％左右。近年來，隨著人口增加、經濟發展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，農業干旱缺水和水資源短缺已成為我國經濟和社會發展的重要制約因素，而且加劇了生態環境的惡化。

　　按現狀用水量統計，全國中等干旱年缺水358億立方米，其中農業灌溉缺水300億立方米。20世紀90年代以來，我國農業年均受旱面積達2000萬公頃以上，全國660多個城市中有一半以上發生水危機，北方河流斷流的問題日益突出，缺水已從北方蔓延到南方的許多地區。由于地表水資源不足導致地下水超采，全國區域性地下水降落漏斗面積已達8.2萬平方公里。

　　發達國家的農業用水比重一般為總用水量的50％左右。目前，我國農業用水比重已從1980年的88％下降到目前的70％左右，今后還會繼續下降，農業干旱缺水的局面不可逆轉。北方地區水資源開發利用程度已經很高，開源的潛力不大。南方還有一些開發潛力，但主要集中在西南地區。

　　我國農業灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪費的問題普遍存在。目前全國灌溉水利用率約為43％，單方水糧食生產率只有10公斤左右，大大低于發達國家灌溉水利用率70-80%、單方水糧食生產率2.0公斤以上的水平。通過采用現代節水灌溉技術改造傳統灌溉農業，實現適時適量的“精細灌溉”，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。在灌溉系統合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。

自動灌溉監控系統有如下優點：

1、將充分發揮現有的節水設備作用，優化調度，提益。

2、通過自動控制技術的應用，更加節水節能，降低灌溉成本，提高灌溉質量。

3、將使灌溉更加科學，方便、提高管理水平。

研制和推廣節水灌溉控制新技術是實現農業現代化的需要。

GPRS農業自動化灌溉系統：

GPRS農業自動化灌溉系統主要由中心主控系統（主計算機）、GPRS采集控制終端、電磁閥、田間濕度傳感器（可測土壤濕度值）、氣象觀測站（可測量氣溫、風向、風速）等設備所組成。操作人員可坐在控制室里，對傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數據進行綜合分析，利用自動方式，足不出戶的對整個小區進行灌溉。同時還可以利用數據查詢系統和打印系統，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌水歷史記錄等數據。

GPRS農業自動化灌溉系統網絡結構分為三層，*層為控制中心由電腦和以太網組成；第二層為GPRS 無線采集控制器（RS6011G GPRS RTU），該層和*層之間無需電纜連接；第三層為傳感器采集與電磁閥，所有的傳感器與電磁閥和GPRS 無線采集控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細介紹一下本方案。

首先我們可以將需要灌溉的區域分成若干個小區，劃分的原則為閥門相對集中。每個小區內采用一個GPRS無線采集控制器GPRS RTU，通過它與中心控制室通訊；GPRS無線采集控制器再與電磁閥、土壤傳感器等連接該套設備只需要很少的電力，可以使用太陽能來供電。這個小區的控制系統無需任何電纜與中心控制室連接。系統總體結構框圖如圖所示。

                           （系統拓撲圖）

*層控制中心：

中心采用通過GPRS/GSM 網路把室外傳感器數據發送到中心計算機，在這里進行灌溉參數設置，及對灌溉情況進行統計，并可通過軟件在計算機上存儲，顯示數據和圖表。同時可以人工進行特殊操作。通過互聯網獲取天氣信息，有預見性地實施灌溉。

建立GPRS中心連接的兩種方式：

a、中心控制站服務器采用固定IP地址，當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適用監控點數在200個左右的）。

b、中心監控站服務器采用動態IP地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監控點數在幾十個左右的）。

第二層GPRS 無線采集控制器：

1、瑞申RS6011G產品簡介：

集成采集、無線數據傳輸、遠程控制于一體，將現場傳感器的模擬量、開關量、繼電器信號通過GPRS無線網絡遠傳至監控中心，實現了由現場采集直達監控中心的一套完整解決方案。可以直接通過各類通用型工業組態軟件與遠端現場傳感器進行數據交流，無須定制驅動。

2、產品功能：

  ◎ 采集傳輸控制一體化，提高了系統可靠性，降低了成本；

  ◎ 采用超低功耗高性能的嵌入式處理器，數據采樣精度小于2‰；

  ◎ 內嵌看門狗，不死機，掉線自動恢復；

  ◎ 配備多種接口資源：包括模擬信號采集、開關量采集、脈沖信號輸入、繼電器控制輸出等；

  ◎ 繼電器可設置報警聯動；

  ◎ 支持一路RS232/RS485（只支持MODBUS協議）方式的用戶數據接口，可接入電子式傳感器、PLC等各種設備；

  ◎ 短信數據傳輸或GPRS實時在線傳輸方式；

  ◎ GPRS 遠程在線設置和短信息遠程設置功能；

  ◎ 支持終端遠程進入休眠模式，并可用多種方式喚醒；

  ◎ 監控中心及手機遠程控制現場設備；

  ◎ 可向用戶設定的手機發送短信報警信息；

  ◎  模擬量分時段報警；

  ◎ 用戶可以編程的量程轉換和報警上下限設定；

  ◎ 內設工業時鐘，記時；

  ◎ 自動定時上報和事件觸發上報功能；

  ◎ 內置大容量FLASH存儲器，數據自動記錄，支持歷史數據檢索；

  ◎ 板載工業級GSM/GPRS通信模塊，方便用戶選擇GSM/GPRS組網方式；

  ◎ 提供用戶設置軟件，開放式接口，方便與組太軟件及其他軟件連接；3、作用

◎ 具有電壓、電流值等直接模擬量輸入監測土壤含水量等傳感器；

◎ 具有485數字量輸入監測EC（電導率）值和pH 值的等數字傳感器；

◎ 具有開關量輸入監測電磁閥狀態；

◎ 具有繼電器輸出遠程控制電磁閥；

瑞申RS6011G在本系統運用中的優勢：

1、 中心控制室可以控制遠在千里之外的閥門。

2、 每個小區內只需使用一根電纜連接所有的閥門。大大節約成本。

3、 在電力無法到達的地方，我們可以采用太陽能供電。

4、 也可以通過手機短信來控制閥門。

5、 各種監測和控制信號的通訊傳輸；

6、 模擬量、開關量高低報警；

                     （RS6011G產品拓撲圖）

第三層傳感器采集與電磁閥

每個控制單元控制著1—4 路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數據，經過A/D 轉換，信號處理，在微處理器中，根據不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號輸出，結合*管理計算機的指令，控制電磁閥的開關，即可以實現自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉情況，據此確定灌溉與否和時間長短；配有EC（電導率）值和pH 值傳感器，可對進出水進行EC 值和pH 值的檢測，以便控制自動營養液的配給。

數據采集部分是實現自動灌溉的重要環節。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號，也叫土壤水分傳感器。它把土壤水吸力的大小轉化為標準的4-20mA 電流信號。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個傳感器注意其安放位置應具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC 傳感器和pH 傳感器檢測灌溉用水的電導率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養分多少。

結論：

GPRS農業自動化灌溉系統將傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實際動態管理。采用傳感器來監測土壤的墑情和農作物的生長，實現水管理的自動化。農業和精細農業要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現水資源的，僅憑單項節水灌溉技術是不可能解決的。必須將水源開發、輸配水、灌水技術和降雨、蒸發、土壤墑情和農作物需水規律等方面統一考慮。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯合調用，實現按期、按需、按量自動供水。