无线灌溉控制系统的设计与试验.pdf
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1、新疆农机化圆园24 年第 2 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2024.02.016中图分类号:S275.6文献标识码院A0 引言近年来新疆地区的农田灌溉方式已由传统的大水漫灌转变为滴灌,农田智能滴灌也逐渐成为农田灌溉的主要方式。然而新疆耕地面积大,不同地区和不同环境的地块所需灌溉水量不同,如何进行水肥的高效管理是制约新疆农业发展的新问题。人工控制不同地块的滴灌阀门开关劳动强度大,效率低,通过在大田中铺设线缆来控制各个阀门的通断虽然可以做到省时省力,但田间作业环境复杂化,严重影响了农机设备的正常运行,因此引入无线控制是较为良好的解决办法,利用无线传感网络技术对灌溉
2、系统各个部分进行组网可有效解决灌溉基础设施建设困难的问题。本文拟构建基于 LoRa 通信技术的农业灌溉控制系统,不仅节省了有线自动化控制设施的安装和维护费用,能更有效及时的对滴灌电磁阀进行准确控制,降低运维成本,根据大田种植环境信息的反馈完成对农田的灌溉,实现科学有效管理1。1 LoRa 无线通讯技术概述LoRa 是 LPWAN(Low-Power Wide-Area Network)技术的代表,是一种低功耗广覆盖的物联网通信技术。表 1为各无线传输技术参数对比,相较于在物联网中使用广泛的 NB-IoT 和 ZigBee 等其他通信技术,LoRa 具有灵敏度高、占用系统资源少、待机功耗低等优点
3、2。由表 1 可看出相较于其他常见通信方式,LoRa 覆盖范围更广且功耗更低。在相同功耗下,LoRa 的传输距离比其他通讯手段长 35 倍,适合应用于农业大田生产。单从能耗问题来讲,若大田环境监测设备能耗较高,一旦文章编号院1007-7782渊2024冤02-0055-04无线灌溉控制系统的设计与试验杨会民1,2,陈毅飞1,2,齐亚聪1,罗文杰1,周 欣1,喻 晨1,蒋永新1,2(1.新疆农业科学院农业机械化研究所,新疆 乌鲁木齐 830091;2 农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站,新疆 乌鲁木齐830091)摘要院南疆的温带大陆性气候为棉花生长提供了良好的自然条件,该地区棉花种植范围
4、广,但干旱少雨。为解决传统灌溉方式自动化程度低、水资源浪费严重等问题,本文以 LoRa 无线通信、传感器、远程控制等技术,设计了一套基于 LoRa 通信技术的农业灌溉控制系统。该系统采用高精度土壤墒情传感器,远程在线采集土壤温湿度,远程控制电磁阀开关等控制方式,获得作物最佳灌溉时间、灌溉水量。试验结果表明:应用该系统进行灌溉后,灌溉效率有了显著提高,灌溉均匀度可达95%以上,效果良好,可为大田灌溉提供参考。关键词院远程控制;节水灌溉;通信技术;试验DesignandtestofwirelessirrigationcontrolsystemYang Huimin1,2,Chen Yifei1,2
5、,Qi Yacong1,Luo Wenjie1,Zhou Xin1,Yu Chen1,Jiang Yongxin1,2(1.Research Institute of Agricultural Mechanization,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumqi,830091,Xinjiang,China;2.Ministry of Agriculture Cotton,Fruit and Agricultural Facilities Equipment Science Observation Experimental Station,
6、Urumqi,830091,Xinjiang,China)Abstract:ThetemperatecontinentalclimateinsouthernXinjiangprovidesgoodnaturalgrowthconditionforcotton,thisareahasalarge range of cotton cultivation,but it is dry and short of rain.In order to solve the problems such as low level of automation andserious waste of water res
7、ources in traditional irrigation methods,an agricultural irrigation control system based on LoRacommunication technology was designed.This system can obtain the best irrigation time and best irrigation amount of waterthrough high-precision soil moisture senor,remote online collection of soil tempera
8、ture and humidity,remote control of solenoidvalve switch.The test result show that the irrigation efficiency has been significantly improved after utilization of this system,theirrigationuniformitycanreach95%orabove,whichisagoodeffectandcanprovidereferencesforirrigationoffields.Key words:Remote cont
9、rol;Water saving irrigation;Communication technology;Test基金项目院四川省区域创新合作项目(2022YFQ0051)修回日期院2023-11-21窑 节水灌溉 窑55援援新疆农机化圆园24 年第 2 期电源供应不足,系统功能就会下降,甚至陷入瘫痪状态,因此监测和控制系统的能耗必须低。WiFi 和蓝牙传输距离短且能耗高,LoRa 无线通信技术支持超低能耗和长距离通信,可使用锂电池供电,供电时间可达数年之久3。表 1 常见无线通信技术参数LoRa 通信采用跳频扩频的调制技术,抗干扰能力强,覆盖范围可达 10 km,在不同频段下 LoRa 可跳
10、频数量也不同。同等频段划分了不同数量的跳频通道,如在 433MHz频段划分出 8个信道来实现 8个基本的载频。LoRa 通讯技术采用可调节式扩频因子,一次发送数据过程中的扩频因子可设置在 712 范围内,系统的可拓展性得到了有效增强。由扩频通信的技术原理可知扩频因子关系到通讯的抗干扰能力,二者呈正相相关关系,即扩频的倍数提高时通讯的抗干扰性能也会提升,因此在 LoRa 无线通讯网络中对终端距离较近的系统采用扩频因子较小的配置,对终端距离较远的系统采用扩频因子较大的配置,可综合每个终端距离及通信状况灵活更改4。LoRa 在通讯速率方面支持通讯速率可配置,通信速率与编码率、传输带宽以及扩频因子之间
11、的关系如式(1)。=伊2蓸蔀伊(1)式中通讯速率(Date Rate),bps;编码率(Code Rate);信息带宽(Bandwidth),s;扩频因子(Spreading Factor)。由公式可知数据通讯速率与扩频因子成反比,当扩频因子增大时等量的信息在传输时需要更长的时间。数据通讯速率与编码率成正比,当编码率增大时数据通讯数率将会提高,提高信息带宽时设备的数据通讯数率也会提高5。LoRa 支持的带宽及速率如表 2,由表 2 可看出 L-oRa 拥有较高的通讯速率,因此适用于温室农业大棚多终端的使用场景。表 2 LoRa支持的带宽及速率2 系统总体设计利用 LoRa 通信技术将安装在农田
12、中的墒情传感器以及电磁阀组成无线传感控制网络来实现田间环境信息及设备工作状态信息的实时监测,通过网关接收采集信息,然后网关通过内部的 4G 模块将接收的信息传输到 4G 网络6。传入 4G 网络的环境和设备信息通过互联网传输到主控计算机。用户使用计算机或手机通过 4G 网络访问主控计算机并获取田间环境及设备信息以及发送控制指令远程控制田间电磁阀的通断。灌溉控制系统主要有 3 方面功能:环境信息感知、数据传输以及指令控制。在灌溉管道内设置流量监测与脉冲电磁阀,通过 LoRa 无线通讯技术进行远程控制,可检测土壤温湿度、统计电磁阀开合信息以及检测与统计灌溉管道流量信息。灌溉系统总体结构如图 1。灌
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