智能灌溉系统、智能农业物联网精细农业自控系统的应用

智能农业灌溉系统，又称智能灌溉系统、智能农业物联网精细农业自动控制系统，是小马物联网在保证农户用水需求的前提下，提出的一套完整的节水解决方案。农作物。智能农业灌溉系统简单来说就是农业灌溉不需要人为控制。系统可以自动感知何时需要灌溉以及需要多长时间；智能农业灌溉系统可自动开启或关闭灌溉；可实现土壤灌溉。过干时增加喷灌量，过湿时减少喷灌量。

一、智能农业灌溉系统功能设计

为实现上述功能，智能农业灌溉系统应充分利用可编程控制器的控制功能。要实现自动感知土壤湿度的功能，系统必须有土壤湿度传感器。为了实现灌溉水量的多、少调节，需要一台变频器。在可编程控制器中，预设50%-60%RH为标准湿度，传感器采集的湿度模拟信号经A/D模块转换为数字信号。

针对灌溉用水利用率低的问题，提出了一种嵌入式智能灌溉控制系统。依托无线传感器网络采集灌区农作物的需水信息，采集到网关节点，发送到主控中心。管理，满足大面积灌溉的需要。根据示范区的观察，灌溉用水系数从0.6增加到0.9。该系统结合无线传感、计算和网络通信技术，解决精准农业亟待解决的关键技术问题。

智能农业灌溉系统涉及传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用为我国农业转型奠定了坚实的基础。农业从传统的劳动密集型向技术密集型转变的重要基础。

智能农业灌溉系统可以根据植物和土壤类型、光照量优化用水量，还可以监测雨后的土壤湿度。根据研究实际，与传统灌溉系统相比，智能农业灌溉系统的成本相近，但可节水16%~30%。新加州法律要求新公司从 2012 年开始使用智能农业灌溉系统。

二、智能农业灌溉系统设计背景

灌溉造成大量水资源浪费

美国每年浪费 8520 亿升水，安装智能农业灌溉系统可以有效控制水流，节约用水。 HydroPoint 负责可持续业务的克里斯·西班牙 (Chris Spain) 援引美国水工程研究所的一份报告称，美国住宅和商业区用于灌溉草坪和植物的水有 30% 到 300% 是浪费了。

浪费水的原因是技术落后。美国有 4500 万个灌溉系统只配备了简单的计时器。它们在时间控制上还可以，但不是很准确。据西班牙统计，城市灌溉系统占城市用水量的 58%，这些浪费的水资源每年产生 54.40,000 吨温室气体。

在中国，农业用水量约占总用水量的 80%。由于农业灌溉效率普遍较低，水资源利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达到70%～80%。因此，解决农业灌溉用水问题，对于缓解水资源短缺问题具有十分重要的意义。我们的智能农业灌溉系统就是在这样的背景下应运而生的。

不仅美国，英国也开始重视节水。能源效率信托基金和能源部警告说，随着越来越多的家庭开始节约能源，热水的使用可能会取代供暖成为产生二氧化碳的主要方式。

三、智能农业灌溉系统工作原理

灌溉系统工作时，湿度传感器采集土壤中的干湿信号，检测到的湿度信号经A/D模块转换，将标准电流模拟信号转换为湿度数字信号, 这是可编程控制器的输入。可编程控制器预设 50%-60%RH 作为标准湿度值。与实测湿度信号和50%-60%RH相比，可分为：在此范围内、超出此范围、小于此范围三种情况。

可编程控制器将控制信号传送到变频器。变频器根据湿度值调节电机转速。电机驱动水泵从水源抽水。当需要灌溉时，电磁阀会自动打开。管道为洒水器输送水，洒水器以各自的旋转角度自动旋转。灌溉结束时电磁阀自动关闭。为避免距离水源较远的洒水器无法提供足够的压力，在电磁阀一侧安装了压力表，确保每个洒水器的水压满足设定的洒水范围，避免出现这种现象喷头范围因水压不足而减少。 整个系统协同工作，实现草坪灌溉的智能控制。

综上所述，要实现智能灌溉，系统需要可编程控制器、传感器、A/D模块、变频器、电机、水泵、电磁阀、管网和洒水器。

①可编程控制器：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的核心部分。

②传感器：由于设计时间比较短，忽略了温度对灌溉的影响，所以没有使用温度传感器，只使用了土壤湿度传感器。传感器采集土壤中的湿度信号，判断是否需要灌溉。

③A/D模块：由于可编程控制器不能接收模拟信号，需要将传感器的电压或电流信号转换成数字信号。

④变频器：通过改变电机转速来调节灌溉流量，达到节水的目的。

⑤电机和水泵：水泵由电机驱动，将水源中的水抽出，为喷灌系统提供一定的压力。

⑥电磁阀：控制喷灌与否。

⑦喷嘴：达到喷雾均匀，易于充分吸收。

⑧管网：灌溉系统中输送水的管道。

四、智能农业灌溉系统的设计特点

1、系统模块化和分层设计，提高效率，增加可维护性，便于扩展；

2、灵活的硬件配置，用户可以在不改变软件的情况下，随意升级和更换被控硬件设备；

3、友好的人机界面，实现无人值守灌溉过程，减轻人员工作强度，提高灌溉效率；

4、抗电磁干扰能力强可编程控制器实验感想，保证系统在现场有强电磁干扰的恶劣环境下可靠运行；

5、故障自动检测功能提高了系统的鲁棒性可编程控制器实验感想，各种设备的布局要求美观。

五、智能农业灌溉系统的9大功能

为实现喷灌节水，实现智能化控制，灌溉系统必须具备以下功能：

1、数据采集功能：可接收土壤湿度传感器采集的模拟数据。模拟信号的处理就是将模拟信号转换成数字信号（A/D转换）。

2、控制功能：具有定时控制和循环控制功能。用户可根据需要灵活选择控制方式。

①自动控制功能：可编程控制器通过程序将传感器检测到的湿度信号与预设的标准湿度范围值进行比较。如果检测到的湿度值超过设定湿度值，（低于设定值）则提高电机转速，高于设定值则降低电机转速）自动调节电机转速进行灌溉。

2 定时控制功能：系统可以设置电磁阀的开启和关闭时间。当灌溉的湿度值达到设定的湿度值时，电机自动停止灌溉。

③循环控制功能：用户在可编程控制器中预先编写控制程序，分别设置开始时间、结束时间、灌溉时间、停止时间，系统按照设定时间自动循环灌溉。

速变功能：将当前测得的土壤湿度值与预设的适合草坪生长的湿度值50%-60%RH进行比较，分为大于、等于、小于三个结果结果，湿度可以归类为高。湿度、中湿度和低湿度。

控制面板上有三个指示灯：高湿度、中湿度和低湿度。变频器根据土壤水分的三种状态自动调节电机转速。电机有高速、中速、低速三种转速，分别对应高速、中速、低速三个指示灯。

4、自动停止功能：控制系统根据土壤的干湿情况自动启动喷灌，控制电机以所需速度旋转，喷头喷水5分钟，停止2分钟，换喷雾5分钟后自动停止。

5.、电机过载保护功能：电机过载时，电机立即停止转动，暂停灌溉过程，故障指示灯闪烁报警，运行完毕后自动恢复运行消除了过载。

6、阴雨天自动停机：将湿度传感器的开关量作为可编程控制器的输入信号，实现控制相关程序的功能。

7、省电功能：定时控制器在断电时正常计数，所以用作可编程控制器的电源控制。在定时灌溉控制时间内，通过定时器开启可编程控制器的电源，可编程控制器按照预先编好的程序依次开启各控制设备的电源，并调整程序的执行随时根据输入信号的变化。在非系统工作时间，定时器自动断开可编程控制器的电源，既降低了系统的功耗，又延长了设备的使用寿命。

8、急停功能：发生紧急情况时，按下急停按钮，电机立即停止运转，阀门关闭，喷头停止灌溉。

9、故障自动检测功能：当灌溉系统出现故障时，如水管破裂（水压为零）、传感器故障、电机故障、逆变器故障、电磁阀故障等阀门关闭，故障警告灯闪烁并发出警报声。操作人员可以按“静音”键取消警铃，但故障指示灯仍然闪烁，直到故障消除，故障指示灯将自动停止闪烁。

六、智能农业灌溉系统的意义

智能农业灌溉系统不仅可以提高水源利用率，缓解日益紧张的水资源矛盾，还可以提高农作物产量，降低农产品成本。基于传感器技术的智能农业灌溉系统是我国发展高效农业和精准农业的必由之路。