智能農業灌溉系統也叫智能灌溉系統、智能農業物聯網精细农业自控系统，是托普物联网为保证农业作物需水量的前提下，实现节约用水而提出的一整套解決方案。智能農業灌溉系統简单的说就是农业灌溉不需要人的控制，系统能自动感测到什么时候需要灌溉，灌溉多长时间；智能農業灌溉系統可以自动开启灌溉，也可以自动关闭灌溉；可以实现土壤太干时增大喷灌量，太湿时减少喷灌量。

一、智能農業灌溉系統的功能设计

　　智能農業灌溉系統要实现上述功能就要充分利用可编程控制器的控制作用。系统要实现自动感测土壤湿度的功能必须要有土壤湿度传感器。要实现灌溉水量的多与少的调节，必须要有变频器。在可编程控制器内预先设定50%—60%RH爲標准濕度，傳感器采集的濕度模擬信號經A/D模塊轉換成數字信號。

　　針對灌溉水利用系數較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統。依托無線傳感器網絡采集灌區作物需水信息,彙聚到網關節點發送給主控中心,中心主機根據信息確定灌溉狀態並計算灌水量,控制灌溉設備工作實現智能灌溉;依托Internet管理員有權對系統遠程管理,滿足了規模化灌溉的需求。根據示範區觀測,灌溉水利用系數由原來的0.6提高到0.9。系統結合了無線傳感、計算和網絡通信技術,解決了精確農業亟待解決的關鍵技術問題。

　　智能農業灌溉系統涉及到传感器技术、自动控制技术、计算机技术、无线通信技术等多种高新技术，这些新技术的应用使我国的农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础。

　　智能農業灌溉系統可以根据植物和土壤种类，光照数量来优化用水量，还可以在雨後监控土壤的湿度。有研究现实，和传统灌溉系统相比，智能農業灌溉系統的成本差不多，却可节水16%到30%。加州出台的新法案要求2012年起新公司必须使用智能農業灌溉系統。

二、智能農業灌溉系統的设计背景

　　灌溉造成水資源大量浪費

美國每年浪費掉的水資源高達8,520亿升，而若安装一种智能農業灌溉系統则可有效地控制水流量，达到节水目的。HydroPoint公司負責可持續領域業務的Chris Spain援引美國用水工程協會的報告稱，美國住宅區和商業區的草坪、植物灌溉用水浪費了30%到300%。

　　水資源被浪費的原因是技術不行，美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統，它們在時間控制上還可以，但精准度不高。Spain稱，城市灌溉系統占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生産54.4萬噸溫室氣體。

　　在中國農業用水量約占總用水量的80%左右，由于農業灌溉效率普遍低下，水的利用率僅爲45%，而水資源利用率高的國家已達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。我们的智能農業灌溉系統在这种背景下应运而生了。

　　不僅美國，英國也開始關注節水問題。英國節能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節約能源，使用熱水可能會超過取暖成爲制造二氧化碳的主要途徑。

三、智能農業灌溉系統工作原理

　　灌溉系統工作時，濕度傳感器采集土壤裏的幹濕度信號，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉換，將標准的電流模擬信號轉換爲濕度數字信號，輸入到可編程控制器。可編程控制器內預先設定50%-60%RH爲標准濕度值，實際測得的濕度信號與50%-60%RH比較，可以分爲：在這個範圍內，超出這個範圍，小于這個範圍三種情況。

可編程控制器將控制信號傳給變頻器，變頻器根據濕度值，相應的調節電動機的轉速，電動機帶動水泵從水源抽水，需要灌溉時，電磁閥就自動開啓，通過主管道和支管道爲噴頭輸水，噴頭以各自的旋轉角度自動旋轉。灌溉結束時電磁閥自動關閉。爲了避免離水源遠的噴頭不能被供給足夠的壓力，在電磁閥的一側安裝一塊壓力表，保證個噴頭的水壓滿足設定的噴灌射程，避免發生因爲水壓不足，噴頭射程減少的現象。整個系統協調工作，實現對草坪灌溉的智能控制。

　　綜上所述，要實現智能灌溉，系統需要有可編程控制器、傳感器、A/D模塊、變頻器、電動機、水泵、電磁閥、管網和噴頭等設備。

　　①可編程控制器：負責發出和接收各種運行程序指令，是整個控制系統的中樞部分。

　　②傳感器：由于本次設計時間比較倉促，忽略了溫度對灌溉的影響，因此沒有使用溫度傳感器，只使用了土壤濕度傳感器。通過傳感器采集土壤裏的濕度信號，判斷是否需要灌溉。

　　③A/D模塊：因爲可編程控制器不能接收模擬信號，所以需將傳感器的電壓或電流信號轉換成數字信號。

　　④變頻器：通過改變電動機的轉速調節噴灌流量，達到節水的目的。

　　⑤電動機、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水，爲噴灌系統提供一定的壓力。

　　⑥電磁閥：控制噴頭的噴灌與否。

　　⑦噴頭：實現均勻噴灑，便于充分吸收。

⑧管網：灌溉系統輸送水的管路。

四、智能農業灌溉系統的设计特点

　　1、系統模塊化、層次化設計，以提高效率，增加可維護性，便于擴展；

　　2、靈活的硬件配置，用戶可以任意升級、更換被控硬件設備，而不需要更換軟件；

　　3、人機界面友好，實現灌溉過程的無人值守，減少人員的工作強度，提高灌溉效率；

　　4、抗電磁幹擾的能力強，保證系統在野外強電磁幹擾的惡劣環境下能可靠地運行；

　　5、故障自動檢測功能，提高系統的健壯性，各種設備的布局要求美觀。

五、智能農業灌溉系統的9大功能

　　爲了最大限度地節約噴灌用水和實現智能控制，灌溉系統必須具備以下功能：

　　1、數據采集功能：可接收土壤濕度傳感器采集的模擬量。模擬量信號的處理是將模擬信號轉變成數字信號（A/D轉換）。

　　2、控制功能：具有定時控制、循環控制的功能，用戶可根據需要靈活選用控制方式。

　　①自動控制功能：可編程控制器通過程序將傳感器檢測的濕度信號與預先設定的標准濕度範圍值相比較，如果檢測的濕度值超出了設定濕度值，（低于設定值則調大電動機轉速，高于設定值則調小電動機轉速）則自動調節電動機轉速，進行灌溉操作。

　　②定時控制功能：系統可對電磁閥設定開、關時間，當灌溉的濕度值達到設定的濕度值時，電動機自動停止灌溉。

　　③循環控制功能 ：用戶在可編程控制器內預先編好控制程序，分別設定起始時間、結束時間、灌溉時間、停止時間，系統按設定好的時間自動循環灌溉。

　　變速功能：當前所測的土壤濕度值與預先設定的最適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較，分爲大于、等于、小于三種結果，即可將濕度分爲高濕度、中濕度、低濕度三種狀態。在控制面板上表現爲高濕度、中濕度、低濕度三個指示燈。變頻器根據土壤濕度的三個狀態自動調節電動機的轉速，電動機設有高速，中速，低速3種旋轉速度，分別對應高速，中速，低速三個指示燈。

　　4、自動轉停功能：控制系統根據土壤的幹濕度情況自動啓動噴灌，控制電動機以所需的轉速轉動，噴頭噴灌5分鍾，停2分鍾，再噴5分鍾後自動停轉。

　　5.、電動機過載保護功能：當電動機過載時，電動機立即停止轉動，灌溉過程中止，並且故障指示燈閃爍報警，過載消除後自動恢複運轉。

　　6、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關量作爲一個可編程控制器的輸入信號，實現控制相關程序的功能。

　　7、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時，故采用其作爲可編程控制器的電源控制。在定時灌溉控制時間之內，由定時器接通可編程控制器的電源，可編程控制器按預先編制的程序依次打開各控制設備電源，並根據輸入信號的變化隨時調整程序的執行。在非系統工作時間裏，定時器自動斷開可編程控制器的電源，這樣既減少了系統耗費的電能又延長了設備的使用壽命。

　　8、急停功能：當出現緊急意外事故時，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉，閥門關閉，噴頭停止灌溉。

　　9、故障自動檢測功能：當灌溉系統出現故障，如水管破裂（水壓爲零），傳感器故障，電動機故障，變頻器故障，電磁閥故障等，水泵立即停止運行，電磁閥關閉，故障報警燈閃爍並伴有警笛聲響起。操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才自動停止閃爍。

六、智能農業灌溉系統的重要意义

智能農業灌溉系統不仅可以提高源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农産品的成本。基于传感器技术的智能農業灌溉系統是中国发展高效农业和精细农业的必由之路。

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