GPRS灌区自动化

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概述   针对农业对象具有的多样性、多变性、以及偏僻分散等特点，提出了一种基于无线移动通信和测控技术的远程数据采集和信息发布系统方案。本系统的关键技术是如何通过智能测控终端实现数据的采集、传输、存储与发布，并为用户提供浏览访问和远程调用。通常与互连网连接可以通过二种途径：（1）有线接入方式：这在有些场所，例如距离社区较近，有线接入方便，或在特殊情况下通过专线连接等，可直接将现场监控设备连入因特网；（2）无线接入方式：在上述几种条件不能实现的情况下，一般只能采用无线接入方式。目前无线连接方式也有很多种，最为可行的是充分利用现有的公共无线移动通信网络平台，如GPRS、CDMA等无线移动服务业务。考虑到技术的成熟度、实用性、经济投入等综合因素，本系统目前主要采用了GPRS无线移动通信技术。 系统技术特点   GPRS和CDMA均属于2.5代（2.5G）无线网络，在技术上各有所长也各有所短，二者在实现技术原理上并无本质区别，如何选用完全根据用户需求和监测现场的条件决定。CDMA 是英文“Code Division Multiple Access”的缩写，其中文意思是“码分多址”，是中国联通开辟的无线移动服务业务，其在语音服务质量、数据带宽等方面也具有明显的优势。   GPRS(General Packet Radio Service)是“通用分组无线服务”的英文简称，是中国移动开辟的无线移动服务业务。在许多方面具有明显的优势：（1）网络覆盖面广、接入范围大，系统构建便捷、运行成本较低等特点；（2）传输速率较高，理论数据传输速率可高达171Ｋbps；（3）登录和接入等待时间短，可快速建立连接；（4）提供实时在线功能，用户将处于“永远在线”状态，这将使访问服务变得非常简单、快速，几乎不会出现“掉线”或信息丢失现象；（5）计费合理，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，即使用户可以一直在线，但只按数据流量收取费用。GPRS上述优势特点非常适用于间歇的、突发的、频繁的、小流量的数据传输，同时对偶有大流量数据传输也能承受。   另外，本系统是通过集成信息采集、传输、发布、信息管理与应用等复杂过程的基础上实现的，实际上是构建了一个综合信息服务平台，而GPRS通信只是其中一个技术环节。从这个意义上说，要实现向CDMA技术的转移，乃至向第三代移动通信技术(3G)的转移只要进行很少的开发就能方便实现。 系统实现的基本原理   通过RS—485总线将数字传感器（也可采用模拟输出传感器）与瑞申无线智能测控终端连为一体，构成现场监控单元。瑞申无线测控终端内置：CPU模块、数据存储模块、控制模块、GPRS/CDMA数据通信模块。可现场接入多路模拟量、开关量等数据，然后直接通过GPRS无线模块将现场数据与远程控制中心连接，将采集数据实时发送到远程数据库服务器，并存储到数据库中。 通过该系统，即使在远离观测现场的异地，也能方便地对各种环境要素如温湿度、光照、CO2等环境数据的采集读取，真正实现了远程监测和数据共享的功能。除数据远程采集、实时监控外，系统还可实现远程手机报警，并通过用户手机远程控制现场设备。 系统基本功能及特点
  配备多种接口资源：包括模拟信号采集、开关量输入、输出、脉冲信号输入等；
  支持一路RS232/RS485方式的用户数据接口，可接入PLC等各种设备；
  采集传输控制一体化，提高了系统可靠性，降低了成本；
  采用工业级超低功耗高性能的嵌入式处理器； 
  用户可以编程的量程转换和报警上下限设定；
  内设工业时钟，精确计时；
  自动定时上报和事件触发上报功能；
  内置大容量FLASH存储器，数据自动记录，支持历史数据检索；
  通讯协议完善，组态软件支持，用户免开发；
  板载GSM/GPRS/CDMA传输模块，方便用户选择GSM、GPRS或CDMA组网方式； 提供用户设置软件，开放式接口，方便与组太软件及其它软件连接；
   工业级设计，稳定可靠，坚固耐用；本系统可适用的范围    （1）设施内环境监控，如：温室、畜禽/水产养殖场、储存仓库、工厂车间等
   （2）各类野外实验台站，如：气象站、生态站、水文站、环保监测站等
   （3）各类农业园区、示范农场、生产基地、科研教学基地等
   （4）偏僻分散条件下农业、生态、灾害、生物信息的监测
   （5）为行政管理部门、咨询机构等提供的专用监测服务系统实际应用案例介绍（一） 农业灌溉智能监控
我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁的国家。虽然水资源的总量居世界第6 位，但是按人均水资源量计算，人均占有量只有2500 立方米，约为世界人均水量的1 / 4 ，在世界排110 位，已被联合国列为13 个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分布很不平衡。北方有些地区水资源的占有量仅为900 立方米，低于国际公认的1000 立方米的水资源下限。有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。我国农业用水量约占总用水量的80% 左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45 % ，而水资源利用率高的国家已达70% 一80% ，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。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。

自动灌溉监控系统有如下优点：
1 、将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。
2 、通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。
3 、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。
研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。
1 . 2 相关研究综述
自动灌溉技术在发达国家，特别是有大面积种植或缺水地区。按灌溉方式分为地面灌、喷灌（喷洒灌溉）和微灌等等。而微灌又分为滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌。灌溉系统自动化是世界先进国家发展高效农业的重要手段，而我国目前的灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约
我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理。
2 ．自动灌溉系统的总体设计
2 . 1 功能设计
灌溉自控系统主要由中心主控系统（主计算机、控制柜）、电磁阀、田间湿度传感器（可测土壤湿度绝对值）、气象观测站（可测量气温、风向、风速）、数据采集指令传输等通讯设备组成。
可坐在控制室里，对GPRS DTU传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析，利用手动或自动方式，足不出户的对整个小区进行灌溉。同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。
多个控制单元组成，每个控制单元管理一片区域。利用GPRS / GSM 网路，由中央计算机统一管理。室外的空气温湿度传感器把结果送入计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，显示数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。这样的控制方式的主要优点有：
1 、中心控制室可以控制远在千里之外的阀门。
2 、每个小区内只需使用一根电缆连接所有的阀门。大大节约成本。
3 、在电力无法到达的地方，我们可以采用太阳能供电。
4 、也可以通过就地的手动控制器来控制阀门。
5 、也可以通过手机短信来控制阀门。
3 ．控制器的设计
3 . 1 控制器的主要功能
l ）土壤含水量的监测；
2 ） EC （电导率）值和pH 值的监测（可选）;
3 ）电磁阀状态的监测；
4 ）电磁l 饲状态的控制；
5 ）各种监测和控制信号的通讯传输；
6 ）低电压报警；
3 . 2 工作原理
每个控制单元控制着1 一4 路电磁阀。通过传感器采集来的多路数据，经过A / D 转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉情况，据此确定灌溉与否和时间长短；配有EC （电导率）值和pH 值传感器，可对进出水进行EC 值和pH 值的检测，以便控制自动营养液的配给。其主要工作原理框图如图2 所示。

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3 . 3 数据采集部分
数据采集部分是实现自动灌溉的重要环节。土壤湿度传感器一般是采集土壤的水吸力大小信号，也叫土壤水分传感器。本系统选用AQUA 一TEL 公司的专业土壤水分传感器，它把土壤水吸力的大小转化为标准的4 一ZOmA 电流信号。将传感器埋入土壤中，放在植被的根部。多个传感器注意其安放位置应具有代表性，这样才能反映整块田地的平均含水量的情况。EC 传感器和pH 传感器检测灌溉用水的电导率和酸碱度，以确定需添加的肥料、养分多少。

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1 ) AQUA 一TEL 土壤水分传感器（美国）
特点：
可长期埋设
长度可增加，提高测量的准确性容易携带，使用简单
能耗低。
最经济的TDR 原理水分探头
技术参数
测量土壤水分范围：O 一100%Vol 重复性误差：小于1%
温度范围：一60 切85 ℃ 精度：士2 ℃ 电源：12VDC 士20 %
输出：4 一20mA 或O 一SV
全部尺寸：直径19 ,
长度：635 "
预热时间：1 秒
2 ）直流电池闭锁电磁阀

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直流闭锁电磁阀采用的工作电流是一种快速脉冲电流。这种电磁阀一般使用6 伏，9 伏和12 伏电压。由于当一个快速脉冲电流作用在线圈上不会产生电流，因此柱塞在一个电流脉冲信号作用下改变位置后如果保持不动则不再需要电流，即在直流闭锁电磁阀中没有持续电流。这样，直流闭锁电磁阀在一小块电池或太阳能电源控制装置的作用下即可长时间的工作。
要开启阀门时，线圈收到一个直流脉冲信号，使得柱塞堵住端口p ，连同端口A 与端口R 。控制腔排放，阀门开启。
要关闭阀门时，线圈收到一个直流脉冲信号，柱塞向相反方向移动，端口A 和端口连通，而端口R 堵住。这样压力水流从阀门进口（上游）充满控制腔，关闭阀门。脉冲对柱塞产生一个反向的磁力使得柱塞沿与开启阀门时相反的方向移动。
3 ）传感器信号的输入
在大田中埋设多个传感器，然后把传感器和多路开关相连，多路传感器的输出经．A / ; D 转换后送入单片机，CP 叫等不断读1 / 0 口，并把采集到的信号存放在数据存储器中，然后进行模糊化处理，根据模糊决策的结果，决定是否灌溉以及灌溉的时间。

    控制部分
微控制器为核心，通过接收服务器发送来的系统时间，起始工作时间，每次放水时间，停水时间和阀工况选择等。微控制器是CMOS 器件，功耗很低。
3 . 2 数据处理及软件编制
传感来的信号送入多路开关CD4O51 ，分时把采集来的信号送到A / D 转换器进行转换。本系统选用单片机作为微处理器，A / D 转换器采用精度高，速度快的AD574 。该A / D 转换器的分辨率为12 位，转换时间为25115 ，并在转换前对信号用LF398 作了采样保持处理。
软件是控制系统的灵魂，需要与硬件配合，将实时采集的数据与相应的灌溉需求量专家系统的设定值进行比较判断，来控制电磁阀开启和延续时间长短，实现智能控制。控制程序采用C 编写。
3 . 3 输出通道及总线设计
输出通道包括继电器和输出接口。单片机的1 / 0 口可作为输出口控制固态继电器的开合，并由续流二极管与继电器并接以保护继电器。固态继电器不仅可以实现小信号对大功率负载的开关控制，而且还具有隔离功能。
还涉及到与上位机的通信。RS 一232 属单端信号传送，且不能用于长距离的通信。在要求通信距离几十米到上千米时，广泛采用RS 一485 收发器。RS 一485 收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达20OmV 的电压，帮传输信号能在千米以外得到恢复。
设计使用RS 一485 总线来进行信号传输，用一对双绞线实现多站联网构成分布式系统。单个控制单元把信号通过RS 一485 接口送至GPRS DTU 上，以传送给远方的中央监控计算机。
4 ．管理系统的设计
从控制单元通过GPRS 送到中央监控计算机。在中央监控计算机的总管理软件上，我们可以设置相关灌溉的参数，并传送到各个控制单元。另外，它还可以接收室外实时的天气温湿度情况，及通过工nternet 获取近期的天气情况，以作预先性处理。
4 . 1 设计要求
l ）数据传输通讯稳定；
2 ）数据存储安全；
3 ）操作界面美观；
4 ）整个系统人性化；
5 ）系统整体稳定；
6 ）整个系统的高速运行；
7 ）系统容错性强；
8 ）操作帮助功能要求强大；
9 ）要考虑后续工作的接口；
4 . 2 监控管理软件的主要功能
l ）操作人员的权限管理；
2 ）图形化动态显示各种参数；
3 ）人工编制套灌溉方案；
4 ）自动记录各个站点传来的数据；
5 ）自动分析各站点传来的数据；
6 ）可随时干预控制各站点的灌溉状态；
7 ）可根据实地情况随意组合站点，分区；
8 ）对所分的区进行各种参数设置；
9 ）随时记录操作员的信息；
10 ）随时记录操作信息；
11 ）能随时显示各站点的状态；
12 ）能随时查询数据库中记录的各种信息；
13 ）能对管理员有档案管理；
14 ）历史记录的随时打印；
15 ）自动生成灌溉记录报表；
16 ）根据参数随时报警提示或直接分析处理；