智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)也叫智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)精細農(nóng)業(yè)自控系統(tǒng),，是托普物聯(lián)網(wǎng)為保證農(nóng)業(yè)作物需水量的前提下,，實現(xiàn)節(jié)約用水而提出的一整套解決方案,。簡單的說,，該方案就是農(nóng)業(yè)灌溉不需要人的控制,，系統(tǒng)能自動感測到什么時候需要灌溉，灌溉多長時間,；并且可以自動開啟灌溉,，也可以自動關(guān)閉灌溉；可以實現(xiàn)土壤太干時增大噴灌量,，太濕時減少噴灌量,。
一、功能設(shè)計
智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)要實現(xiàn)上述功能就要充分利用可編程控制器的控制作用,。系統(tǒng)要實現(xiàn)自動感測土壤濕度的功能必須要有土壤濕度傳感器,。要實現(xiàn)灌溉水量的多與少的調(diào)節(jié)，必須要有變頻器,。在可編程控制器內(nèi)預(yù)先設(shè)定50%—60%RH為標準濕度,，傳感器采集的濕度模擬信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
針對灌溉水利用系數(shù)較低,文中提出一種基于嵌入式智能灌溉控制系統(tǒng),。依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集灌區(qū)作物需水信息,匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給主控中心,中心主機根據(jù)信息確定灌溉狀態(tài)并計算灌水量,控制灌溉設(shè)備工作實現(xiàn)智能灌溉;依托Internet管理員有權(quán)對系統(tǒng)遠程管理,滿足了規(guī)?；喔鹊男枨蟆８鶕?jù)示范區(qū)觀測,灌溉水利用系數(shù)由原來的0.6提高到0.9,。系統(tǒng)結(jié)合了無線傳感,、計算和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),解決了精確農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
系統(tǒng)涉及到傳感器技術(shù),、自動控制技術(shù),、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等多種高新技術(shù),，這些新技術(shù)的應(yīng)用使我國的農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)的勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變奠定了重要的基礎(chǔ),。
可以根據(jù)植物和土壤種類，光照數(shù)量來優(yōu)化用水量，還可以在雨後監(jiān)控土壤的濕度,。有研究現(xiàn)實,，和傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，這套系統(tǒng)系統(tǒng)的成本差不多,，卻可節(jié)水16%到30%,。
二、設(shè)計背景
灌溉造成水資源大量浪費
美國每年浪費掉的水資源高達8,520億升,，而若安裝一種則可有效地控制水流量,，達到節(jié)水目的。HydroPoint公司負責可持續(xù)領(lǐng)域業(yè)務(wù)的Chris Spain援引美國用水工程協(xié)會的報告稱,，美國住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)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(shù)不行,，美國有4,500萬個僅是安有簡易計時器的灌溉系統(tǒng),，它們在時間控制上還可以，但精準度不高,。Spain稱,，城市灌溉系統(tǒng)占城市用水的58%，這些被浪費的水資源每年生產(chǎn)54.4萬噸溫室氣體,。
在中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右,，由于農(nóng)業(yè)灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45%,，而水資源利用率高的國家已達70%～80%,，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題,，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的,。我們的在這種背景下應(yīng)運而生了。
不僅美國,，英國也開始關(guān)注節(jié)水問題,。英國節(jié)能信托基金會和能源部警告，隨著越來越多的家庭開始節(jié)約能源,，使用熱水可能會超過取暖成為制造二氧化碳的主要途徑,。
三、工作原理
灌溉系統(tǒng)工作時,，濕度傳感器采集土壤里的干濕度信號,，檢測到的濕度信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換，將標準的電流模擬信號轉(zhuǎn)換為濕度數(shù)字信號,，輸入到可編程控制器,?？删幊炭刂破鲀?nèi)預(yù)先設(shè)定50%-60%RH為標準濕度值，實際測得的濕度信號與50%-60%RH比較,，可以分為：在這個范圍內(nèi),，超出這個范圍，小于這個范圍三種情況,。
可編程控制器將控制信號傳給變頻器,，變頻器根據(jù)濕度值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,，電動機帶動水泵從水源抽水,，需要灌溉時，電磁閥就自動開啟,，通過主管道和支管道為噴頭輸水,，噴頭以各自的旋轉(zhuǎn)角度自動旋轉(zhuǎn)。灌溉結(jié)束時電磁閥自動關(guān)閉,。為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(cè)安裝一塊壓力表,，保證個噴頭的水壓滿足設(shè)定的噴灌射程,，避免發(fā)生因為水壓不足，噴頭射程減少的現(xiàn)象,。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,，實現(xiàn)對草坪灌溉的智能控制。
綜上所述,，要實現(xiàn)智能灌溉,，系統(tǒng)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(wǎng)和噴頭等設(shè)備,。
①可編程控制器：負責發(fā)出和接收各種運行程序指令,，是整個控制系統(tǒng)的中樞部分。
②傳感器：由于本次設(shè)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里的濕度信號,，判斷是否需要灌溉,。
③A/D模塊：因為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(zhuǎn)換成數(shù)字信號,。
④變頻器：通過改變電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灌流量,，達到節(jié)水的目的。
⑤電動機,、水泵：由電動機帶動水泵從水源抽水,，為噴灌系統(tǒng)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(xiàn)均勻噴灑,，便于充分吸收。
⑧管網(wǎng)：灌溉系統(tǒng)輸送水的管路,。
四,、設(shè)計特點
1、系統(tǒng)模塊化,、層次化設(shè)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(shè)備，而不需要更換軟件,；
3,、人機界面友好，實現(xiàn)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,、抗電磁干擾的能力強,，保證系統(tǒng)在野外強電磁干擾的惡劣環(huán)境下能可靠地運行；
5,、故障自動檢測功能,，提高系統(tǒng)的健壯性，各種設(shè)備的布局要求美觀,。
五,、9大功能
為了zui大限度地節(jié)約噴灌用水和實現(xiàn)智能控制，灌溉系統(tǒng)必須具備以下功能：
1,、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)變成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換）,。
2、控制功能：具有定時控制,、循環(huán)控制的功能,，用戶可根據(jù)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?qū)鞲衅鳈z測的濕度信號與預(yù)先設(shè)定的標準濕度范圍值相比較,，如果檢測的濕度值超出了設(shè)定濕度值,，（低于設(shè)定值則調(diào)大電動機轉(zhuǎn)速，高于設(shè)定值則調(diào)小電動機轉(zhuǎn)速）則自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速,，進行灌溉操作,。
②定時控制功能：系統(tǒng)可對電磁閥設(shè)定開、關(guān)時間,，當灌溉的濕度值達到設(shè)定的濕度值時,，電動機自動停止灌溉。
③循環(huán)控制功能 ：用戶在可編程控制器內(nèi)預(yù)先編好控制程序,，分別設(shè)定起始時間,、結(jié)束時間、灌溉時間,、停止時間,，系統(tǒng)按設(shè)定好的時間自動循環(huán)灌溉。
變速功能：當前所測的土壤濕度值與預(yù)先設(shè)定的zui適宜草坪生長的濕度值50%—60%RH比較,，分為大于,、等于,、小于三種結(jié)果,，即可將濕度分為高濕度、中濕度,、低濕度三種狀態(tài),。在控制面板上表現(xiàn)為高濕度、中濕度,、低濕度三個指示燈,。變頻器根據(jù)土壤濕度的三個狀態(tài)自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，電動機設(shè)有高速,，中速,，低速3種旋轉(zhuǎn)速度，分別對應(yīng)高速,，中速,，低速三個指示燈。
4,、自動轉(zhuǎn)停功能：控制系統(tǒng)根據(jù)土壤的干濕度情況自動啟動噴灌,，控制電動機以所需的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,，噴頭噴灌5分鐘，停2分鐘,，再噴5分鐘后自動停轉(zhuǎn),。
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(zhuǎn)動,，灌溉過程中止，并且故障指示燈閃爍報警,，過載消除后自動恢復(fù)運轉(zhuǎn),。
6、陰雨天自動停止：利用濕度傳感器的開關(guān)量作為一個可編程控制器的輸入信號,，實現(xiàn)控制相關(guān)程序的功能,。
7、省電功能：定時控制器在斷電時正常計時,，故采用其作為可編程控制器的電源控制,。在定時灌溉控制時間之內(nèi)，由定時器接通可編程控制器的電源,，可編程控制器按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源,，并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里,，定時器自動斷開可編程控制器的電源,，這樣既減少了系統(tǒng)耗費的電能又延長了設(shè)備的使用壽命。
8,、急停功能：當出現(xiàn)緊急意外事故時,，按下急停按鈕，電動機立即停止運轉(zhuǎn),，閥門關(guān)閉,，噴頭停止灌溉。
9,、故障自動檢測功能：當灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，如水管破裂（水壓為零），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(guān)閉，故障報警燈閃爍并伴有警笛聲響起,。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,、重要意義
該系統(tǒng)不僅可以提高源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾,，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本?；趥鞲衅骷夹g(shù)的是中國發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精細農(nóng)業(yè)的必由之路,。