智能監控灌溉系統總體設計探討

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摘要:通過對智能監控灌溉系統的應用進行研究,設計了一種采用智能監控系統進行數據采集,并將數據通過總線控制傳輸方式與中央監控計算機之間進行交互,實現智能灌溉監控系統的組網及指令傳輸。測試結果表明:中央監控計算機中的灌溉專家系統對監控終端采集到的信息參數進行分析,并生成控制指令,傳輸至灌溉驅動系統,實現智能灌溉。

關鍵詞:智能灌溉系統;智能監控;數據采集;中央監控計算機

自動化智能灌溉可有效提高水資源利用率,增加農作物的生產種植效益[1]。自動化智能灌溉采用傳感技術監控作物生長狀態、環境信息及土壤溫濕度參數,經過自動化數據處理及控制后,實現灌溉自動化[1]。按照灌溉控制過程的自動化程度可將灌溉系統分為自動灌溉智能控制系統和半自動灌溉系統:自動灌溉智能控制系統運行過程中,不需要人工干預,設定好的控制參數后,根據傳感監控參數與設定參數的對比結果,生成灌溉控制指令,實現灌溉過程的自動化控制;半自動灌溉系統中沒有傳感監控系統,無法按照環境信息進行控制過程調節[2-3]。筆者通過利用傳感技術、信息交互技術、計算機及電氣控制技術,搭建一種智能監控自動化灌溉系統,利用智能監控傳感器采集作物生長狀態、環境信息及土壤溫濕度參數狀態,并經總線控制傳輸至中央監控計算機,與灌溉專家系統參數進行對比,生成灌溉控制指令,驅動灌溉執行機構,實現灌溉自動化。

1智能監控灌溉系統總體設計

所設計的智能監控灌溉系統采用總線控制的灌溉方式,預留無線擴展接口,由多個監控系統終端組成,并采用總線控制的方式連接至中央監控計算機[4],如圖1所示。監控系統終端包含溫濕度傳感器信息、天氣預報信息及土壤濕度參數等。中央監控計算機利用內置的灌溉專家系統對監控終端信息進行處理,制定灌溉控制指令,有效進行農田灌溉[5-6]。灌溉系統的信息化水平直接決定了監控信息傳輸以及控制指令的傳輸有效性。

2系統硬件設計

智能監控系統中的溫濕度傳感器能夠對土壤當中的水吸力信號大小進行監控,并轉化為土壤的濕度信息傳輸至中央監控計算機[7]。在土壤濕度傳感器使用過程中,將傳感器埋入土壤當中,安裝時要求濕度傳感器水平放置,且不能直接暴露于空氣當中,傳感器之間的間距最小距離應大于1m[8]。本文選用的土壤濕度傳感器參數如表1所示。智能監控系統傳感器采集到的物理信號進行采樣保持處理后,經A/D轉換電路處理,傳輸至中央監控計算機,智能監控系統傳感檢測電路如圖2所示。中央監控計算機生成的控制指令,經輸出通道傳輸至灌溉驅動系統,指令輸出通道包含控制繼電器和輸出接口;輸出接口直接控制繼電器的通斷及繼電器對指令信號對驅動電路開關的控制。繼電器對灌溉電磁閥進行控制,實現灌溉過程自動化[9]。智能監控控制系統采用總線控制方式實現系統信息傳輸,運用雙絞線完成多監控點的網絡分布,監控終端檢測信號通過總線接口傳輸至中央監控計算機,如圖3所示。

3系統軟件設計

灌溉控制系統軟件將實時采集到的傳感數據與灌溉專家系統參數進行對比,并生成控制指令,實現灌溉系統的智能化控制[10]。圖4所示為灌溉控制系統軟件主程序流程圖。灌溉系統傳感器輸出數據信號為0~5V標準電壓信號,經A/D轉換后生成數字信號,經數據處理軟件運行后,形成中央監控計算機能夠識別的輸入信號[11]。設定濕度值0~100%RH和溫度值0~50℃在數據處理軟件中對應參數值為000H~FFFH。在系統軟件中,參數值每變化014H時,濕度值變化1%RH,同理參數值每變化029H時,濕度值變化1℃。濕度參數和溫度參數與系統軟件轉換關系可表示為在信息傳輸過程中,信息系統總線接收數據靈敏度為±200mV,當輸入信號大于或等于200mV時,系統總線接收高電平信號;當輸入信號小于或等于-200mV時,系統總線接收低電平信號;當輸入信號處于-200~200mV之間時,系統總線接收到不確定狀態信號。在進行系統數據通信之前,中央監控計算機采用高電平信號對總線輸入進行驅動,并進行短時間保持,當進行有效采集信息輸入時,總線系統軟件輸入信號發生階躍,并開始完整數據接收與處理。中央監控計算機與系統總線之間通過串行通信進行數據交互,計算機CPU與總系串口之間采用一種并行的通訊方式,實現CPU與數據設備之間的數據轉換。當信號數據輸入至中央監控計算機時,數據格式由bit格式轉化為byte格式;當指令數據由中央監控計算機輸出至外圍數據設備時,數據格式由byte格式轉化為bit格式。智能灌溉控制系統中數據管理軟件模塊可對系統歷史參數和用戶信息進行管理,并可在使用過程中生成各種報表和曲線數據,支持用戶數據查詢和修改。數據管理軟件可有效管理系統參數狀態、灌溉控制指令運行過程管理以及進行灌溉過程管理。

4系統測試分析

為驗證智能監控自動灌溉系統的運行可靠性,對傳感監控系統中傳感器節點的數據監測有效性和智能灌溉執行過程進行測試。在進行傳感器節點的數據監測有效性測試時,分別通過灌溉系統程序采集和串口手動調試兩種方式獲取傳感器監測數據,并對比兩組數據的一致性,來判斷智能灌溉系統的數據采集可靠性。試驗過程中,對同一節點處的土壤濕度數據在0.5h內重復監測3次,取其平均值,空氣溫度數據按照0.5h內的名義值進行取值,當二者偏差率小于5%時,判斷兩組數據具有一致性。傳感器數據采集可靠性試驗數據如表2所示。在進行智能灌溉執行過程測試時,通過對系統采集到的傳感數據進行人工判斷,決策是否需要進行自動灌溉,同時與智能灌溉系統的決策指令及執行過程進行對比,通過二者一致性判斷智能灌溉系統執行過程可靠性。在試驗區域內,設定當土壤濕度小于45%RH時,當前土壤狀態需進行灌溉,當環境溫度小于15℃時,當前節點需要進行10min灌溉,當環境溫度處于15~25℃時,當前節點需要進行20min灌溉,環境溫度大于25℃時,當前節點需要進行30min灌溉。當土壤濕度大于45%RH時,當前節點暫不需要進行灌溉。智能灌溉系統執行過程可靠性試驗數據如圖3所示。

5結論

隨著電子信息技術和計算機控制技術的發展,智能化、自動化已經逐漸步入農業生產設備當中,基于智能監控技術設計的自動灌溉控制系統,通過輸入不同作物的灌溉需求,可適應不同應用環境的灌溉需求。試驗結果表明:該系統促進了農田灌溉過程的自動化水平發展,改善了水資源利用率,可有效提高農業生產經濟效益。

作者：程志通 單位：義烏工商職業技術學院