智能监控灌溉系统总体设计探讨

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摘要:通过对智能监控灌溉系统的应用进行研究,设计了一种采用智能监控系统进行数据采集,并将数据通过总线控制传输方式与中央监控计算机之间进行交互,实现智能灌溉监控系统的组网及指令传输。测试结果表明:中央监控计算机中的灌溉专家系统对监控终端采集到的信息参数进行分析,并生成控制指令,传输至灌溉驱动系统,实现智能灌溉。

关键词:智能灌溉系统;智能监控;数据采集;中央监控计算机

自动化智能灌溉可有效提高水资源利用率,增加农作物的生产种植效益[1]。自动化智能灌溉采用传感技术监控作物生长状态、环境信息及土壤温湿度参数,经过自动化数据处理及控制后,实现灌溉自动化[1]。按照灌溉控制过程的自动化程度可将灌溉系统分为自动灌溉智能控制系统和半自动灌溉系统:自动灌溉智能控制系统运行过程中,不需要人工干预,设定好的控制参数后,根据传感监控参数与设定参数的对比结果,生成灌溉控制指令,实现灌溉过程的自动化控制;半自动灌溉系统中没有传感监控系统,无法按照环境信息进行控制过程调节[2-3]。笔者通过利用传感技术、信息交互技术、计算机及电气控制技术,搭建一种智能监控自动化灌溉系统,利用智能监控传感器采集作物生长状态、环境信息及土壤温湿度参数状态,并经总线控制传输至中央监控计算机,与灌溉专家系统参数进行对比,生成灌溉控制指令,驱动灌溉执行机构,实现灌溉自动化。

1智能监控灌溉系统总体设计

所设计的智能监控灌溉系统采用总线控制的灌溉方式,预留无线扩展接口,由多个监控系统终端组成,并采用总线控制的方式连接至中央监控计算机[4],如图1所示。监控系统终端包含温湿度传感器信息、天气预报信息及土壤湿度参数等。中央监控计算机利用内置的灌溉专家系统对监控终端信息进行处理,制定灌溉控制指令,有效进行农田灌溉[5-6]。灌溉系统的信息化水平直接决定了监控信息传输以及控制指令的传输有效性。

2系统硬件设计

智能监控系统中的温湿度传感器能够对土壤当中的水吸力信号大小进行监控,并转化为土壤的湿度信息传输至中央监控计算机[7]。在土壤湿度传感器使用过程中,将传感器埋入土壤当中,安装时要求湿度传感器水平放置,且不能直接暴露于空气当中,传感器之间的间距最小距离应大于1m[8]。本文选用的土壤湿度传感器参数如表1所示。智能监控系统传感器采集到的物理信号进行采样保持处理后,经A/D转换电路处理,传输至中央监控计算机,智能监控系统传感检测电路如图2所示。中央监控计算机生成的控制指令,经输出通道传输至灌溉驱动系统,指令输出通道包含控制继电器和输出接口;输出接口直接控制继电器的通断及继电器对指令信号对驱动电路开关的控制。继电器对灌溉电磁阀进行控制,实现灌溉过程自动化[9]。智能监控控制系统采用总线控制方式实现系统信息传输,运用双绞线完成多监控点的网络分布,监控终端检测信号通过总线接口传输至中央监控计算机,如图3所示。

3系统软件设计

灌溉控制系统软件将实时采集到的传感数据与灌溉专家系统参数进行对比,并生成控制指令,实现灌溉系统的智能化控制[10]。图4所示为灌溉控制系统软件主程序流程图。灌溉系统传感器输出数据信号为0~5V标准电压信号,经A/D转换后生成数字信号,经数据处理软件运行后,形成中央监控计算机能够识别的输入信号[11]。设定湿度值0~100%RH和温度值0~50℃在数据处理软件中对应参数值为000H~FFFH。在系统软件中,参数值每变化014H时,湿度值变化1%RH,同理参数值每变化029H时,湿度值变化1℃。湿度参数和温度参数与系统软件转换关系可表示为在信息传输过程中,信息系统总线接收数据灵敏度为±200mV,当输入信号大于或等于200mV时,系统总线接收高电平信号;当输入信号小于或等于-200mV时,系统总线接收低电平信号;当输入信号处于-200~200mV之间时,系统总线接收到不确定状态信号。在进行系统数据通信之前,中央监控计算机采用高电平信号对总线输入进行驱动,并进行短时间保持,当进行有效采集信息输入时,总线系统软件输入信号发生阶跃,并开始完整数据接收与处理。中央监控计算机与系统总线之间通过串行通信进行数据交互,计算机CPU与总系串口之间采用一种并行的通讯方式,实现CPU与数据设备之间的数据转换。当信号数据输入至中央监控计算机时,数据格式由bit格式转化为byte格式;当指令数据由中央监控计算机输出至外围数据设备时,数据格式由byte格式转化为bit格式。智能灌溉控制系统中数据管理软件模块可对系统历史参数和用户信息进行管理,并可在使用过程中生成各种报表和曲线数据,支持用户数据查询和修改。数据管理软件可有效管理系统参数状态、灌溉控制指令运行过程管理以及进行灌溉过程管理。

4系统测试分析

为验证智能监控自动灌溉系统的运行可靠性,对传感监控系统中传感器节点的数据监测有效性和智能灌溉执行过程进行测试。在进行传感器节点的数据监测有效性测试时,分别通过灌溉系统程序采集和串口手动调试两种方式获取传感器监测数据,并对比两组数据的一致性,来判断智能灌溉系统的数据采集可靠性。试验过程中,对同一节点处的土壤湿度数据在0.5h内重复监测3次,取其平均值,空气温度数据按照0.5h内的名义值进行取值,当二者偏差率小于5%时,判断两组数据具有一致性。传感器数据采集可靠性试验数据如表2所示。在进行智能灌溉执行过程测试时,通过对系统采集到的传感数据进行人工判断,决策是否需要进行自动灌溉,同时与智能灌溉系统的决策指令及执行过程进行对比,通过二者一致性判断智能灌溉系统执行过程可靠性。在试验区域内,设定当土壤湿度小于45%RH时,当前土壤状态需进行灌溉,当环境温度小于15℃时,当前节点需要进行10min灌溉,当环境温度处于15~25℃时,当前节点需要进行20min灌溉,环境温度大于25℃时,当前节点需要进行30min灌溉。当土壤湿度大于45%RH时,当前节点暂不需要进行灌溉。智能灌溉系统执行过程可靠性试验数据如图3所示。

5结论

随着电子信息技术和计算机控制技术的发展,智能化、自动化已经逐渐步入农业生产设备当中,基于智能监控技术设计的自动灌溉控制系统,通过输入不同作物的灌溉需求,可适应不同应用环境的灌溉需求。试验结果表明:该系统促进了农田灌溉过程的自动化水平发展,改善了水资源利用率,可有效提高农业生产经济效益。

作者：程志通 单位：义乌工商职业技术学院