自动化灌溉设计方案教学提纲.doc

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自动化灌溉与信息化管理系统方案 1
1、现场智能感知平台： 4
1.1、井房首部设备智能监控系统 5
1.2、田间无线灌溉控制系统 7
1.3．无线土壤墒情监测系统 10
1.4．综合智能气象监测系统 11
2、无线网络传输平台 15
3、数据管理平台 16
4、应用平台（监控中心及移动管理控制端） 17
5、主要技术参数 20

自动化灌溉与信息化管理系统方案
自动化灌溉与信息化管理系统是针对农业大田种植分布广、监测点多、布线和供电困难等特点，融合最新的物联网和云计算技术，采用高精度土壤温湿度传感器和智能气象站，远程在线采集土壤墒情、气象信息，实现墒情自动预报、灌溉用水量智能决策、远程/自动控制灌溉等功能。
该系统根据不同地域的土壤类型、灌溉水源、灌溉方式、种植作物等划分不同类型区，在不同类型区内选择代表性的地块，建设具有土壤含水量，地下水位，降雨量等信息自动采集、传输功能的监测点；通过灌溉预报软件结合信息实时监测系统，获得作物最佳灌溉时间、灌溉水量及需采取的节水措施为主要内容的灌溉预报结果，定期向群众发布，科学指导农民实时实量灌溉，达到节水目的。
系统组成：
大田灌溉自动化与信息化管理系统分为现场智能感知平台、无线网络传输平台、云数据管理平台、应用平台（监控中心及移动管理控制端）四个层次，其中，田间脉冲电磁阀、无线阀门控制器、远程水泵智能控制器、云服务器、主控制中心和村级（企业）控制中心、移动控制终端等组成灌溉无线控制系统，能够实现现地无线遥控、远程随时随地监控、轮灌组定时自动轮灌等控制方式，并且实时监测机井和阀门状态，灌溉流量和管网压力，保障运行安全，及时提示报警信息。在此基础上，扩充田间土壤墒情监测、农田气象监测、作物和泵房视频监测等内容，指导科学灌溉，提高灌溉的智能化程度。

灌溉自动化系统总体层次分布图
系统特点：
Ø 全无线传输，自组网协议，电池供电、不需要任何布线，系统安装维护方便；
Ø 无线采用全球免费的公共频段（2.4GHz），省去传统无线的运营费用；
Ø 公网无线和现场无线融合，且具有冗余备份能力，提高了系统可靠性和安全性，突破了系统现地访问限制；
Ø 无线阀控和采集节点超低能耗设计、内置电池保证使用3年；系统定时采集网络节点电压、工作温度与通讯链路状态，实现网络自诊断功能；
Ø 所支持的电磁阀产品线广泛，不仅支持Netafim、Rain&nbsp；Bird和Hunter等灌溉公司的电磁阀，同时也支持国外著名的阀制造企业Bermad、Dorot和TECHNIDRO的产品；
Ø 移动管理终端创新开发，突破了只能固定地点操作的限制，方便灌溉管理；
Ø 自动化功能多层次设计满足不同灌溉管理需要，提高了系统的适应性；
Ø 系统采用组件化和模块化设计，无线阀控节点、无线采集节点和机井控制站可以按照项目需要自由扩展，方便项目设计，方便后续升级维护。
Ø 支持土壤墒情、作物长势信息和农田小气候信息的采集，强大的UniLog管理软件能根据所采集的气象信息推算最适宜的农田灌溉时间和灌溉量，并做出智能的管理决策；
Ø 管理软件集成GPRS/GSM技术，支持基于短信的智能报警，支持基于Internet的远程管理。
Ø 依托云数据中心，灌溉自动化系统实现统一专家运维服务，现场维护人员只需要根据系统和专业运维人员建议，安装拆卸设备和排除故障等。让高科技傻瓜化，让自动化的使用维护和基础滴灌工程一样简单。
1、现场智能感知平台：
平台包括有：井房首部设备智能监控系统、田间灌溉控制系统、田间土壤墒情信息监测系统、近地小气候环境信息监测系统、智能气象站、作物长势远程监测系统。
1.1、井房首部设备智能监控系统
井房首部枢纽设备包括：变频器、一体式水泵智能控制器、压力传感器、流量传感器、地下水位/温度传感器、过滤装置、安全防护装置，自动化施肥装置和测控装置等。
过滤装置作用是将水中的固体大颗粒、杂质等过滤，防止这些污物进入滴灌系统堵塞滴头或在系统中形成沉淀。施肥装置的作用是使易溶于水并施于根系的肥料、农药、化控药品等在施肥罐内充分溶解，然后再通过滴灌系统输送到作物根部，便于作物吸收，充分发挥肥效，同时减少肥料浪费，测控装置的作用是方便系统的操作、运行管理、保证系统安全。本系统设有逆止阀、排气阀、压力表、水表、流量控制阀门。
井房首部设备智能监控系统实现机井水泵的启闭、电机保护、电量的计量、运行状态监测，同时还对水源地地下水位、出水口压力和流量进行监测。

井房智能监控站示意图
井房智能监控站功能及原理如下：
远程的测控：智能井房控制终端通过GPRS无线，接收控制中心发送的命令，对水泵变频器进行采集和控制，实现远程的水泵启停、电量采集的首部控制管理；
变频恒压管理：变频器根据灌溉所设定的压力，对灌溉主管道进行恒压调变频调控，以保证足够的灌溉压力。根据水泵功率大小可选；
管网监测管理：智能井房终端通过监测安装在过滤器的前后的两个压力传感器的压差值，来判断是否需要对过滤器进行清理，以保证管网的高效稳定；
灌溉用水统计：智能井房连接地下水位传感器、流量传感器，实时监测水源井地下水位动态情况以及灌溉水的使用情况，当地下水位值低于设定值是，发出预警信息。
表 井房智能监控站设备组成清单表
序号
产品名称
型号
数量
备注
1
智能泵站控制器
定制
1
内置电能量采集和远程传输模块
2
水泵变频启动器
定制
1

3
安全防护箱
定制
1

4
地下水位传感器
定制
1
20m量程，40米线缆
5
管道压力传感器
定制
2

6
脉冲流量计
定制
1

1.2、田间无线灌溉控制系统
田间无线灌溉控制系统通过无线控制器与井房智能监控站连接，通过对泵站、可控灌溉阀门等状态信息、控制信息、田间水位、墒情、流量等测量信息及雨情、风情、温度等气象信息的实时采集，经过可编程控制器的逻辑判断和处理，实现基于预定控制模型的自动灌溉、自动控制，并自动形成数据报表及相应的统计信息报表等功能，同时可选择实现远程登陆访问功能。
田间无线灌溉控制节点由无线阀门控制器、脉冲电磁阀、状态反馈、田间信息传感器（土壤温度、土壤水分传感器、流量和压力传感器）组成。无线阀门控制器通过线缆连接电磁阀和状态反馈，实现电磁阀启闭控制和状态监测。

图无线阀控节点设备安装图
田间无线阀控器采用高性能蓄电池供电，具有无线通讯组网功能，能够支持控制两路脉冲电池阀、接收两路状态反馈，同时可根据需要接入土壤水分、温度、流量和压力传感器。是无线通讯的终端节点。
电磁阀是实现田间灌溉阀门自动控制的枢纽设备，它通过电缆直接连接到核心可编程控制器或就近的田间控制器，根据可编程控制器上设置的灌溉施肥程序自动执行来自控制器的运行指令，实现灌溉阀门的自动启动和关闭。
传感器是系统用于监控灌溉系统运行状况的传感设备，可以采集灌溉系统本身的设备运行信息、土壤和气象等环境信息，以及作物的生理反馈信息，传感器可以作为灌溉控制条件实现智能灌溉控制。灌溉自动控制系统的传感器主要包括液位计、压力传感器、温度湿度传感器、电磁流量计、土壤水分以及作物生长精密传感器等。
无线通讯系统采用全无线漫游组网，田间不铺设线路，通过分区管理，级联通讯，实现数据的远程传输。每一个电磁阀都有1个专用地址，根据轮灌制度确定开启的电磁阀，控制中心给开启的电磁阀的专用地址下命令，电磁阀开启灌水。
无线阀门控制器与脉冲电磁阀和状态反馈形成无线灌溉控制节点，实现阀门的无线启闭，不再需要管理人员下地手动启闭阀门。无线阀门控制器内置高能电池，正常使用寿命不低于3年。
表无线阀控组成清单表
序号
设备名称
型号
1
电磁阀
定制
2
无线阀控器
定制
3
土壤水分/温度传感器
定制
4
管道压力传感器
定制
5
无线阀控器安装配件
定制
6
无线中继点
定制
7
室外网关
定制
1.3．无线土壤墒情监测系统
土壤墒情监测系统能够实现对土壤墒情的长时间连续监测。用户可以根据监测需要，灵活布置土壤温度和土壤水分传感器；也可将传感器布置在不同的深度，测量剖面土壤水分情况。系统采用 GPRS 网络采集传输模式，传感器没有数量上的限制，监测点之间没有距离限制。系统还提供了额外的扩展能力，可根据监测需求增加对应传感器，监测土壤温度、土壤电导率、土壤PH值、以及空气温度、空气湿度、光照强度、风速风向、雨量等信息，从而满足系统功能升级的需要。
土壤墒情监测系统能够全面、科学、真实地反映被监测区的土壤变化，可及时、准确地提供各监测点的土壤墒情状况，为减灾抗旱提供了重要的基础信息。
土壤水分传感器的安装位置，要求离滴管带10cm，安装深度分三层10cm、20cm、40cm, 安装位置的选择每个灌溉单元中的2个代表处，每个喷灌单元12个分区点。

表。无线土壤墒情监测组成清单
序号
设备名称
规格
型号
1
GPRS数据传输模块
太阳能自供电
定制
2
数据采集器
电池供电/4输出/6输入
定制
3
土壤水分传感器
量程0-100％vol/精度3％
定制
4
土壤温度传感器

定制
5
太阳能供电系
太阳能自供电10W/9000mhA
定制
6
设备固定支架
用于设备与支撑杆的固定/三角型支架
定制
1.4．综合智能气象监测系统
综合智能气象监测系统由9要素气象监测站、6层土壤墒情监测站以及作物长势远程监测系统组成；
气象监测站，监测因子（风速、风向、雨量、太阳辐射、空气温度、空气湿度、大气压强传感器、CO2浓度传感器、叶面湿度传感器），自动记录农田环境信息，并通过GPRS/GSM网远程上报至数据中心。基于对农田气象信息的监测，中心软件可以计算出每天每小时的ET值（土壤蒸发和植物蒸腾之和），以便进行高效的、科学的灌溉管理。作物长势远程监测系统具有视频监控、无线覆盖等功能，主要用于获取农田环境气象信息，远程查看农田作物生长情况。
综合智能气象监测系统由气象传感器、GPRS无线采集器、太阳能供电系统、铝合金安装支架、作物长势远程监测系统等组成。
气象传感器：包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器、太阳辐射传感器、空气温湿度传感器、大气压强传感器、CO2浓度传感器、叶面湿度传感器；
GPRS无线采集器：采集气象数据，并通过GPRS/GSM网发送数据中心；
太阳能供电系统：包括太阳能电池板、充放电控制器、充电电池组，保证采集系统的能量供给，在持续阴雨天连续工作长达15天；
防护围栏：白色塑钢护栏，高度80cm, 围成4x4m的监测围场，防止牲畜进入破坏；

作物长势远程监测系统特点：
（1）系统配置高清红外摄像头，可进行全天候连续监控，监控距离可达120m，分辨率1280×960，水平方向360°连续旋转，垂直方向-2°-90°,无监视盲区。
（2）可实时监测空气温湿度、风速、风向、雨量、土壤温度、土壤湿度等多种气象参数，可存储整个生育期内的气象信息，具有历史数据掉电保护功能。
（3）系统通过远程无线网桥和无线路由器实现农田的无线覆盖。
（4）技术员可在任意地点通过浏览器查看视频及气象数据。
表8-2-11气象环境监测系统组成清单
序号
设备名称
型号
数量
1
远传模块
DTU-100
1
2
监测主机
SMC1814
1
3
温湿度传感器
HYS10
1
4
风速传感器
WDS10
1
5
风向传感器
WDS10
1
6
辐射传感器
SRS10
1
7
雨量传感器
RF10
1
8
叶片湿度传感器
LWS10
1
9
CO2浓度传感器
CO2-10
1
10
大气压强传感器
PRS10
1
11
太阳能电池板及蓄电池
3W/10AH
1
12
安装支架
全铝合金支架
1
13
传输卡
30M每月
1
14
避雷器

1
15
高清网络摄像机
300万像素，360度旋转
1
16
防雷接地

17
防护围栏
塑钢材质，80cm高，按延米计算
16m
2、无线网络传输平台
网络传输方式：LAN网络、MAN网络、WAN网络；
局域网（LAN）：一般限定在较小的区域内，小于10km的范围，信道传输速率可达1~20Mbps，结构简单，布线容易。通常采用有线的方式连接起来。
城域网（MAN）：规模局限在一座城市的范围内，10～100km的区域。
广域网（WAN）：网络跨越国界、洲界，甚至全球范围。广域网信道传输速率较低，一般小于0.1Mbps，结构比较复杂。

3、数据管理平台
平台包括：接收和发送各个监控点的采集的数据（机井监控信息、田间设备信息、土壤墒情（旱情）预报信息、近地小气候环境信息、气象信息所有数据)及传送控制命令；运行灌溉管理软件，实施灌溉计划管理、灌溉预警管理、灌溉调度管理、远程自动化控制管理等功能、水费征收管理。
云数据管理平台是对项目内所有基础数据、监测数据综合管理的平台。平台通过对泵站、可控灌溉阀门等状态信息、控制信息、田间水位、墒情、流量等测量信息及雨情、风情、温度等气象信息的实时采集，经过可编程控制器的逻辑判断和处理，实现基于预定控制模型的自动灌溉、自动控制，并自动形成数据报表及相应的统计信息报表等功能，同时可选择实现远程登陆访问功能。
平台通过运行灌溉管理软件，实施灌溉计划管理、灌溉预警管理、灌溉调度管理、远程自动化控制管理等功能、水费征收管理。
平台通过接收监测站及人工监测实时数据，提供灌区的水情、雨情、工情以实时信息及历史数据的存储、整理，为用户提供实时遥测数据显示和历史数据、墒情测报成果、配水调度成果查询等。平台根据灌区的雨情和墒情等信息进行土壤墒情预报。墒情测报的精度直接关系到配水调度决策是否科学合理。根据土壤分布类别、作物种植及生长周期、灌溉定额等信息，按照系统对应灌溉面积生成干支管道灌水制度的配水计划。综合考虑来水情况和土壤墒情初步确定灌溉调度方案，通过方案优选功能，以灌溉效益最大为目标函数对灌溉调度方案进行优选。用户可以根据实际情况，对各影响因素设定相应的权重，系统将根据用户的选择确定最优方案。

图5-8 灌溉管理软件图
4、应用平台（监控中心及移动管理控制端）
在应用平台上，用户可以通过手机、PDA、计算机等信息终端接收农田墒情信息、气象信息，并可通过INTERNET网远程控制灌溉设备，也可以通过GPRS/3G网络、现场短距离无线自组网络等方式实现远程及本地控制。对政府管理部门而言，则可以通过该平台，提升农情、农业气象、农田水利的综合管理水平。

监控中心根据项目建设需要设置县级主监控中心1个，村级主监控中心1个。是灌溉自动化系统的集中和分片管理的中心。建设模式如图所示。监控中心具体配置包括：

物联网远程信息服务
视频发布:
利用网络通信技术Socket技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了系统管理、用户管理、设备监控数据显示等功能，便于客户通过Internet网络实时查看园区人员工作及作物的生长状态。
环境信息发布:
采用先进的C/S（客户端/服务器）结构，把园区各温室监测的环境信息发布到网页上，客户端只需要使用标准的IE浏览器就可以实现实时查看园区生长环境信息的功能。

5、主要技术参数
1. 机井智能监控
机井智能控制器要求针对灌溉水泵智能测控需求一体化专业设计开发，支持电量、水量、水位、压力、刷卡和无线通讯等多种功能；
机井智能控制器支持掉电报警提示，自动转换低功耗运行模式，持续水位等信息采集和报警；
机井智能控制器支持多级控制：用户可以通过电脑、手机随时随地实现控制； 可选IC卡现地管理；
机井智能控制器集成智能监测：实时监测地下水位、管道流量、水泵用电量，统计分析灌溉用水（用电）总量和效率，实现计费管理；
机井智能控制器支持运行安全管理：水泵缺相、过流保护；过滤器需要清洗提示；掉电提示续航；
机井智能控制器可选信息汇集：作为田间无线阀控和采集网关，实现灌溉单元设备和运行管理。
2. 田间阀门控制
采用无线自组网技术，实现田间阀门控制，自动中继路由能力不小于5节，单跳视距不小于500m，无线响应延时小于10秒；
田间阀门控制器无需任何设置，防水防潮，具有故障、防盗报警功能，系统报警延时1分钟左右；
移动管理终端融合GPRS和自组网无线通信能力，支持远程和现地无线控制阀门启闭，获取阀门状态和田间采集数据；
田间阀门采用脉冲磁保持控制方式，具有状态反馈，监视灌水状态，反馈延时小于20秒；
田间阀门控制器支持土壤水分/温度、管道压力/流量传感器的接入功能，具有越线报警功能；
田间阀门控制器超低能耗运行、内置一次性电池使用寿命质保3个灌溉季度；
3. 农田信息采集
采用无线自组网技术，实现农田和大棚内信息采集，自动中继路由能力不小于5节，单跳视距不小于500m，无线响应延时小于10秒；
农田剖面三层无线土壤水分/温度传感器采用圆锥式探头结构，直径小于13mm，并且无线采集器集成一体，三层剖面深度10/20/40cm，方便使用和维护，无需现场配置，具有越线报警功能；
近地小气候无线传感器集成光照、空气温湿度和土壤水分温度于一体，无需现场配置，具有越线报警功能，方便使用和维护；
无线传感器超低能耗运行、内置一次性电池使用寿命质保3个灌溉季度；
4.农田信息采集与发布设备
九要素气象站包括空气温湿度、太阳辐射、风速风向、雨量、大气压力、二氧化碳和叶片湿度实时采集，通过GPRS与平台通信，集成太阳能供电，保障全天候连续信息采集；
六层旱情/墒情监测站按照国家监测规范，实时监测10/20/40/60/80/100厘米的土壤水分和10/40厘米的土壤温度；
视频监控能够动态监视大田作物、大棚蔬菜、机井泵房，移动管理终端支持定点拍摄作物长势，上传云平台管理；
信息发布设备采用LED点阵大屏显示，支持远程更新显示内容，实时发布预警信息，具有语音广播功能；
5.软件平台
开发平台：软件平台须基于JAVA平台开发，且数据库支持MySQL、SQL Server、Sybase等常见数据库，以提高系统的可扩展性与兼容性；
灌溉监控管理软件：支持灌溉无线控制启闭，制定轮灌计划，统计每个阀门灌水时间，实时监控管网压力和流量，保障灌溉系统的运行稳定。
数据查询分析模块：平台软件支持地下水位、温度、流量数据的实时数据、历史数据查询，支持周、月、季度的数据报表；同时对同一地区地下水位动态进行分析，给政府部门提供决策参考依据。
GIS地理信息模块：平台软件包含GIS模块，支持分图层进行管理。
要求支持对镇、乡、村的基本信息进行管理；
要求支持对国道、省道、县道、河流、水库、机井控制站图层进行管理；
地图支持距离测量、面积测量等基本操作；
用户管理模块：软件平台支持多级用户管理及访问权限管理。管理员用户可以对用户基本信息、账户信息进行管理；一般用户可以对自己的用水消费、充值等记录进行查询；
灌溉信息智能处理模块：通过实时监测的气象、墒情、作物长势等信息，预测预报灌水量和灌溉开始时间，提高灌溉管理的科学性；
计量收费管理模块：根据用水定额和计量收费方式，实现农户缴费、水资源收费管理，支持用户通过电话、SMS短信、Internet互联网查询账户信息，支持管理员对用户进行充值操作，支持对月、年收费情况进行统计；
信息发布管理模块：远程设置LED点阵显示大屏内容，自动管理系统用户手机短信预警和信息发布。
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