淺談自動(dòng)化控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用

中國(guó)是一個(gè)水資源匱乏、經(jīng)常發(fā)生水旱災(zāi)害的國(guó)家。水資源總量在世界上為第六，人均占水面的25.4%，世界人均水量的1.4%，排在世界前。被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧困國(guó)家之一。與此同時(shí)，中國(guó)的資源分布非常不均勻。在北方，一些地區(qū)人均占水面的9003%低于國(guó)際公認(rèn)的10003%。在一些地區(qū)，人均占有量低于世界上最貧水的國(guó)家之一埃及和以色列的水平。中國(guó)的農(nóng)業(yè)供水占總供水總量的80%，而農(nóng)業(yè)灌溉供水利用率普遍較低。在全國(guó)范圍內(nèi)，水利用率僅為45%，高水資源利用率為70%80%。因此，建立灌溉水自動(dòng)控制和提高灌溉水利用率對(duì)緩解水資源短缺非常重要。1灌溉系統(tǒng)的線性控制有線控制就是通過線路將控制信息傳輸出去,同時(shí)也可將各種信息返回到控制中心.下面以沙地節(jié)水滲灌自動(dòng)控制系統(tǒng)為例闡述有線控制的原理.1.1設(shè)置滲無檢測(cè)設(shè)施此控制系統(tǒng)主要有:(a)土壤水份監(jiān)測(cè)儀;(b)滲壇水位指示器;(c)灌溉自動(dòng)控制儀;(d)灌水閥門;(e)灌水指示燈.各部分連接如圖1所示.1.2控制儀.設(shè)計(jì)a.土壤水份自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀.通過接收土壤水份感應(yīng)器(感應(yīng)探頭)感測(cè)土壤水份信息,并予以處理、記錄和存儲(chǔ).同時(shí),將處理后的土壤水份信息傳輸給灌溉自動(dòng)控制儀.b.滲壇水位指示器.感測(cè)滲壇中儲(chǔ)水水位是否達(dá)到上限臨界點(diǎn)(若達(dá)到上限臨界點(diǎn),表示滲壇水已注滿),并將滲壇中的儲(chǔ)水信息傳輸給灌溉自動(dòng)控制儀.c.灌溉自動(dòng)控制儀.接收土壤水份監(jiān)測(cè)儀提供的土壤儲(chǔ)水信息、滲壇水位指示器提供的滲壇儲(chǔ)水信息和植物需水信息,予以處理,并將處理后的供水信息傳輸給灌水閥門,控制灌水閥門的開啟和關(guān)閉,同時(shí)開啟和關(guān)閉供水信息指示燈.各種信息是這樣處理的:土壤儲(chǔ)水信息Ai=1,0(1表示土壤儲(chǔ)水不足,0表示儲(chǔ)水充足);滲壇儲(chǔ)水信息Bi=1,0(1表示滲壇儲(chǔ)水不足,0表示儲(chǔ)水充足);植物需水信息Ci=1,0(1表示植物水份供應(yīng)不足,0表示水份供應(yīng)充足);供水信息Gi=Ai×Bi×Ci=1,0(1表示開始供水,0表示停止供水).通過線路傳輸控制信息,能夠保證信息準(zhǔn)確可靠地傳送,其自動(dòng)化的程度也是比較高的.但由于農(nóng)業(yè)灌溉的特殊性,有線控制在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用有一定的局限性,尤其是長(zhǎng)距離的架設(shè)線路,需要很大的投資,因而長(zhǎng)距離的有線控制在農(nóng)業(yè)灌溉中很難實(shí)施.有線控制一般適宜在小范圍的區(qū)域中應(yīng)用.采取無線遙控可以省去線路的架設(shè),因而在農(nóng)業(yè)灌溉中有著廣泛的應(yīng)用前景.2灌溉系統(tǒng)的無線控制2.1農(nóng)田灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過設(shè)在中心站的無線發(fā)射機(jī)和各子站點(diǎn)的接收機(jī)來完成.由于傳輸系統(tǒng)為單向無線傳輸方式,其子站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)街醒肟刂剖?需要人工干預(yù),因此,其自動(dòng)化程度較低.但目前我國(guó)灌區(qū)由于受管理水平和管理?xiàng)l件所限,采用此種方式再加上管理人員的巡視,還是可行的.尤其是這種通信方式既操作簡(jiǎn)單、易于管理又十分經(jīng)濟(jì).因?yàn)檗r(nóng)業(yè)耕種的需要和其它客觀條件的限制,我國(guó)有許多地區(qū)無法將電力線路架到灌溉區(qū)域.針對(duì)這樣的情況,筆者設(shè)計(jì)了一種方案,通過控制輸水管道中閥門的開啟和關(guān)閉來達(dá)到對(duì)農(nóng)田灌溉的控制.在子站只需要2節(jié)干電池便能提供能源.其系統(tǒng)方案如圖2所示.其中子站可以有若干個(gè).2.1.1子站數(shù)控機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)由主站(中央控制室)和子站組成.控制方式為主站向子站單向傳輸命令,主站給子站下發(fā)信號(hào)由電臺(tái)完成,子站現(xiàn)場(chǎng)獨(dú)立與閥門構(gòu)成閉環(huán)控制.其構(gòu)成如下:a.主站是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心,它主要包括486工控微機(jī)1臺(tái)、多功能接口板1塊、電臺(tái)1部、UPS后備電源及打印機(jī)等.主站構(gòu)成如圖3所示.b.子站為現(xiàn)場(chǎng)控制和測(cè)量設(shè)備,由8051單片機(jī)、無線接收機(jī)、流量傳感器、自控閥門及控制電路等部分組成.子站構(gòu)成如圖4所示.2.2.2不同閥口的流量控制a.系統(tǒng)工作原理.系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形分布結(jié)構(gòu).主站為星形結(jié)構(gòu)的中心結(jié)點(diǎn),設(shè)在灌區(qū)的中央,星形的外結(jié)點(diǎn)為各子站,分布在灌區(qū)的四周.在主站操作486工控微機(jī),選中所需發(fā)送信號(hào)的子站地址,發(fā)送控制閥門運(yùn)行的信號(hào).如要改變運(yùn)行狀態(tài),可重新發(fā)送數(shù)據(jù).閥門的控制由系統(tǒng)軟件和寫入單片機(jī)的程序來實(shí)現(xiàn).不同的地區(qū)可根據(jù)本地區(qū)灌溉的實(shí)際需要來編寫單片機(jī)的應(yīng)用程序.一般情況下需要控制的是閥門開啟的時(shí)間和通過閥門的流量.對(duì)時(shí)間的控制可分為兩種情況:(a)每天的定時(shí)開、關(guān),開啟一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉;(b)任意時(shí)間的開、關(guān),開啟一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉;同樣對(duì)流量的控制也分為兩種情況:(a)當(dāng)通過閥門的總流量達(dá)到一定值時(shí),閥門自動(dòng)關(guān)閉;(b)每次開啟后,當(dāng)通過閥門的流量達(dá)到一定值時(shí),閥門自動(dòng)關(guān)閉.同時(shí)對(duì)流量的控制為灌溉用水量進(jìn)行計(jì)費(fèi)提供數(shù)據(jù),也可了解灌區(qū)的每次灌溉的水量.主站發(fā)送的數(shù)據(jù)存入磁盤中的數(shù)據(jù)庫(kù)文件,以便今后查詢,打印等需要.子站接收機(jī)的接收頻率與發(fā)射機(jī)頻率一致,并且解碼是固定的,通過主站對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行編碼,當(dāng)發(fā)射機(jī)編碼和接收機(jī)解碼一致時(shí),收發(fā)建立聯(lián)系,此時(shí)主站所發(fā)信息只有本子站能夠接收到,其它子站由于解碼不一致,因而數(shù)據(jù)無法接收.單片機(jī)根據(jù)接收到的中央控制室的不同命令去調(diào)用相應(yīng)的子程序,就可以控制閥門的開啟時(shí)間和通過閥門的流量.子站既可以通過主站發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行.由于系統(tǒng)中使用的自控閥門僅靠電池提供微小的功率,因而必須借助流體本身所攜帶的動(dòng)能使其實(shí)現(xiàn)開閉.自控閥門由先導(dǎo)閥和主閥兩部分組成,先導(dǎo)閥控制一個(gè)小孔的開閉,小孔的開閉引起主閥的開閉.降低閥門開閉所需功率的關(guān)鍵是減小小孔的孔徑,而小孔的孔徑又影響主閥開閉的性能.此方案中使用的自控閥門在保證主閥的開閉的情況下,不換電池可使用10萬次以上.為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,所有的芯片(如:CPU處理器、并行接口、數(shù)碼顯示等)及無線接收機(jī)全部集成于一塊線路板上,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.通過編程處理和優(yōu)化芯片的制造工藝,以保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠.由于子站的運(yùn)行情況不能夠自動(dòng)返回到主站的中央控制室,因而主站和子站無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)自動(dòng)化控制的要求越來越高,在農(nóng)業(yè)灌溉中實(shí)現(xiàn)雙向無線傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制是必然的發(fā)展趨勢(shì).2.2子站式數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成雙向無線傳輸控制模式既有集中管理,又有分散控制,符合控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式,其自動(dòng)化程度比較高.當(dāng)然,其投資也是很高的,如圖5所示.中央控制室將所需數(shù)據(jù)通過傳輸設(shè)備把信號(hào)傳送出去.信號(hào)傳輸設(shè)備有調(diào)制解調(diào)器和無線電臺(tái),由微機(jī)串口發(fā)出的二進(jìn)制信號(hào),通過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制,再由無線電臺(tái)發(fā)射出去.子站系統(tǒng)一般由無線電臺(tái),調(diào)制解調(diào)器,控制器組成.控制器可采用PLC或單片機(jī),由無線電臺(tái)接收到的信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器得到一組數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)送控制器.控制器