灌溉系统自动化控制设计(一)

灌溉系统自动化控制设计（一）

李鸣

喷微灌系统的自动化，必须要有自动灌溉的控制器，甚至更多的装置，它们由土壤湿度传感器、控制器和电磁阀组成一个控制系统。灌溉系统应当能够按照土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉（包括沟灌、喷灌、滴灌、渗灌），达到高产、高效和节水的目的。灌溉控制系统也应当适用于园林灌溉、庭院花圃、苗圃、果园、菜地的灌溉需要。自动灌溉控制系统可以实现科学灌溉，节能、省水，使菜地和农地产量和产品的质量明显提高。

智能化，精准化的自动灌溉控制技术是伴随着信息产业和计算机应用技术、传感器制造技术、塑料工业技术的提高而逐步提高，并实现更加现代化和智能化的。

第一节. 概述

灌溉自动控制系统正在以前所未有的速度快速发展，快速的发展与目前信息产业发展的结合越来越紧密。总的来说，高速发展的控制技术与技术水平的提高不是人们能够想象得到的。目前，灌溉控制系统的在结构设计，通讯方式和传感器使用上已经出现了以下几种常见的控制系统。

基于物联网的灌溉控制系统。

物联网是基于传感器技术的新型网络技术，在现代农业中，大量的传感器节点构成了一张张功能各异的监控网络，通过各种传感器采集与作物生产有关的各种生产信息和环境参数，可以帮助农户及时发现问题，准确地捕捉发生问题的地点，对耕作、播种、施肥、灌溉等田间作业进行数字化控制，使农业灌溉的各种资源，包括水资源的利用更加精准化和效率最大化。

基于物联网的无线传感器由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线通信形成的一个多跳自组织的网络。就是说传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。其主要目的是采集与处理该网络覆盖范围内监测参数的信息。无线传感网络在农业中的一个重要应用是在温室等农业设施中，采用不同的传感器和执行机构对土壤水分，空气温湿度和光照强度，二氧化碳浓度等影响作物生长的环境信息进行实时监测，系统根据监测到的数据将室内水、肥、气、光、热等植物生长所必需的条件控制到最佳状态，保证作物的增产增收。

基于单板机PLC的灌溉控制系统。

另一种是使用单板机PLC 开发的自动控制灌溉系统。它的设计工作原理是通过可编

程的PLC 控制灌溉电磁阀, 并采用管道输水，通过喷微灌系统来灌溉农田。PLC灌溉控制系统是一种可用于高可靠性环境的实时监测网络系统, 适用于各种需要对温度和湿度等环

境参数有监测要求的场合, 尤其是不方便布线的应用场合, 能对大范围内多点的温度和湿度等信息进行联网监测并记录。通过温度、湿度、液位、流量等传感器采集相应的数据信息, 经

过专业的数传电台送入PLC 中, 程序判断何时灌溉、灌溉用时以及灌溉用水量。

基于专业生产商的成套控制系统。

以色列、美国等一些发达国家已采用先进节水灌溉控制系统。目前，已经由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实施动态自动化控制管理。这种成套的灌溉专用自动控制系统采用传感器来监测田间现场的气象情况，土壤的墒情和农作物的生长，实时、完全智能地实现灌溉用水管理的自动化。

真正的灌溉自动控制系统应当是以对灌溉的各种要素进行实时监控，全面分析，综合运用管理手段高效地利用水资源。要真正实现水资源的高效利用，仅凭单项节水灌溉技术是不能解决的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。

一、喷微灌系统自动化控制的意义

为提高农田灌溉或园林灌溉，两者的灌溉用水的利用率，降低灌溉用水成本。根据土壤含水量的在线监测与控制，或通过现场采集的气象数据，推断作物或植物的需水量，实现灌溉的自动化。这种灌溉控制系统充分地利用气象条件和作物耗水量的实时数据，去推断灌溉需要的灌水量，它的意义就是通过精确灌溉，达到了更高的节水要求。在水资源严重缺乏的今天，更多的节水，意味着更少地使用不可再生的人类共同资源。

同时，由于互联网技术的日新月异，结合物联网的技术概念，最新的灌溉控制系统，提出一种基于无线传感器网络和Internet 技术的农田自动灌溉控制方法。重点分析了传感器网络节点路由协议，实现了系统硬件与软件设计，将各种传感器构成智能化传感器网络，从而全面提升了系统的自动化与监测水平。灌溉控制网络在Internet 基础上，实现了农田节水灌溉的自动控制，用户可以使用智能手机或无线PDA 就可以方便地进行土壤含水量的在线监测与灌溉控制。

从节水效果来讲，自动控制灌溉系统能做到精量灌水。所以无论从生态效益，还是从节水方面来讲，自动灌溉系统都要明显优于手动灌溉。下面我们就来看一下自动灌溉系统。

二、自动灌溉系统的常用形式

自动控制的目的是使生产或其它过程按照人们编制的工作程序自动进行，当被控制的对象运行时，无需人的直接参与。按结构形式的不同，自动控制分为开环和闭环两种；自动控制系统中具有反馈信号，称为“闭环系统”，否则就叫做“开环系统”。同样，自动灌溉系统也分闭环控制灌溉系统和开环控制灌溉系统；需要指出，无论闭环还是开环控制灌溉系统，均为全自动灌溉系统，亦即实现了机组（或主阀门）、过滤器自动冲洗和管网水流分配的全过程自动控制。在园林绿地灌溉中普遍应用的中央计算机控制系统是典型的闭环控制

灌溉系统，而时序控制系统为典型的开环控制灌溉系统。在此介绍一种常用的中央计算机控制系统和一种时序控制灌溉系统：

三、基于自动气象站的中央计算机控制灌溉系统

这种系统属于闭环控制灌溉系统，自动气象站中的气温、雨量、温度、湿度、风速等传感器，作为系统的信号反馈设备，此信号供中央计算机采集和决策后，自动指挥灌溉系统运行。

1.控制部分的基本工作原理

由气象传感器把与植物需水相关的气象参量（该参量可援引国外的实验数据，国内尚未空白），反馈给中央计算机控制决策设备，通过中央计算机预装的专用软件，运算出植物前一天损耗的水量，并决策今天是否补充水分和补多少水分；若需补水，中央计算机向集群控制装置发出指令，集群控制装置将指令解译后发至由其控制的各控制器；控制器接到指令即控制其辖区内的机组（或总阀门）和电磁阀的启闭，在一定的时间内按一定的顺序自动完成园林绿地的灌溉并自动停机。

2.控制部件之间的数据传输方式

中央计算机和自动气象站之间为双向通讯，通过有线或无线方式实现短途或远程数据传输。中央计算机和每个集群控制装置之间可采用公共有线电话网、公共无线电话网、自建无线网、光缆或数据传输线等多种方式，实现双向远程或短途传输。集群控制装置与各信号传输，一般距离较近，采用普通地埋电线即可。

一台中央计算机可辖多台集群控制装置，每台集群控制装置有能操作多台控制器，每个控制器也可控制多个电磁阀，因此从理论上讲，通过增加各级控制设备的数量，这种控制系统可以无限扩容，从而能够满足不同规格系统的自动控制。它可适用于小到某个公园绿地灌溉的自动控制，大至控制整座城市的所有绿地的灌溉系统。像工业自控系统一样，系统容量越大，则平均投资成本俞低，生产效率也越高。在一些发达国家的园林绿地灌溉中，这种控制系统被广泛采用。例如，在美国拉斯维加斯城，只用三套中央控制系统，将所有草坪和花卉实现自动灌溉，一套用于控制全城的公园绿地、饭店草坪、街道花卉等灌溉，另两套则

用于130多所大学的所有绿地灌溉。由此可见，基于自动气象站的中央计算机控制灌溉系统，

一旦在城市绿地的灌溉中得以应用，会给城市绿地的维护管理带来质的飞跃。

3.自动控制系统与手动控制系统的比较

自动控制灌溉系统的设计思路是相对手动系统而言的。手动灌溉系统的设计一般遵循的是：以日后操作方便为核心、集中供水为主导、兼顾经济和合理性的设计思路。

众所周知，管网投资的高低直接影响灌溉系统的总造价，而任何灌溉系统只要确定了合适的灌水器，在合理的设计条件下，将水送至灌水器的单位面积上的平均管网长度也就确定；因此在合理设计中，希望从减少管网长度上追求降低管网投资已不可能，而唯一出路是追求减小各级管径从而降低管网投资；而在合理的流速下，管中的过流量越大，管径也越粗，为了减小管径，也只有减小管中的过流量，这就要求系统总流量进入管网后必须充分分流，使得各级管道中都有水体流动，因而决定了控制管网水流的工作阀，必然要位于控制范围内的不同方位的分干管上。

但手动系统为了充分考虑日后操作方便，不得不牺牲上述的经济性和合理性而换得操作的方便性，只能将阀门布置在控制范围内的同一方位的一条分干上或距离最近的两条分干上，致使系统总流量向一个方位的分干重供水，无谓增大了各级管径，必然要增大投资；同时，手动系统工作时，只有一个方位的分干中有水流动，其他分干虽然管径增大了，却处于闲置状态，不仅造成系统资源的浪费，而且大大降低整个系统的利用率。

自动控制灌溉系统已实现从机组启闭、过滤器冲洗直至管网水流分配的自动化，所以在管网布置时不必顾虑人去操作的方便性，所有操作将由控制器完成。因此自动控制灌溉系统的设计思路为：以经济合理为中心，以充分分散供水为主导，在系统处于工作状态时，使得各级分干中均有水体流动，从而充分减少各级管径，降低系统总造价。

要达到降低总造价的目的，还可以通过其他途径，比如选择流量较小的灌水器，单个灌水器的流量减小了，而灌水器数量不变（注意：这要求该灌水器拥有较远的射程，这样才能达到相同的灌水覆盖面，从而保证均匀度），单个灌水区域所需的供水管管径就可以降低，甚至可以将单个灌区的控制面积扩大，灌区的总数量自然减少，相应的控制设备和电线等相关设备及其配件的需求量相应减少，工程量也将相应减少，整个系统的总投资量会下降一个比例，达到一个即经济又实用的效果。

通过以上的介绍和相互比较，我们可以得出这样的结论：基于自动气象站的中央计算机控制灌溉系统，通过不同作物的需水特性，不同地区的气候条件，不同土质的水利特性和实际灌溉是不同的天气情况精确灌溉，实时监控，是真正意义上的节水灌溉，它是我们喷灌发展的趋势，也是我们喷灌工作者的奋斗的目标。

四、喷灌系统自动控制的类型、组成与工作原理

喷灌系统自动化控制的类型。

控制系统的类型很多，从不同角度分类，有不同的类型。从通讯方式分就有以下类型。1. 有线通讯控制系统。有线通讯控制系统就是控制器之间或控制器与计算机之间采用通讯电缆联接，它们之间通过通讯电缆交换信息，传送信号和控制命令。

2. 无线通讯控制系统。无线通讯控制系统就是控制器之间或控制器与计算机之间采用无线电通讯方式相互联系，交换信息，发送信号和控制命令。

3. 田间独立控制系统。就是控制器是个独立的系统，它不需要与其它控制器或计算机通讯。

从控制器的控制线布线方式分有：

1. 传统信号线方式。控制器发送的信号和命令通过布设信号导线或控制线实现信号或控制命令的发送到执行机构，即发送到电磁阀的电磁头上，它通过联接在电磁头上的一根对应的控制线和一根公共线通过电磁阀完成对管道水流的控制。

2. 两线制解码器方式。控制器与电磁阀的控制元件，电磁头之间采用两根可通过加载识别码的导线连接，这两根导线把所有需要连接的电磁阀全部接到这两根线上，通过加载的识别码区分各自属于自己电磁头的信号。

从设备组成来分有以下几种:

1. 基于PLC或计算机编程的控制系统。这些系统就有根据现场灌溉的需求，自己组装的灌溉自动控制系统，多见于使用可编程控制器PLC编制的程序控制系统，或利用计算机，通

过公用接口实现的灌溉控制系统。

2. 基于物联网的灌溉控制系统。这种系统就是利用现有的、成熟的物联网技术，利用物联网的公共资源，包括硬件和软件的资源组成以灌溉控制为目的的控制系统。例如使用互联网常用的路由器，局域网的网线来连接各个传感器或控制执行机构，如电磁头等等。

3. 基于成熟的技术，由专业灌溉产品生产厂家制造的灌溉专用控制系统。这些产品的代表厂家有美国亨特公司和以色列摩托罗拉等公司制造的专业灌溉控制器。亨特公司具有全套专业灌溉控制系统的产品，他们的产品从控制器到电磁阀，从计算机控制软件到两线制控制系统专用的解码器系统，从有线控制器到无线控制器，从电话线、手机通讯到互联网通讯软件和硬件设备，几乎涵盖了所有种类的灌溉控制器或控制系统的成套或配件产品。有了这些成熟的产品，基本不需要人们再去自己组装灌溉控制系统，因为组装成的系统，其生产量小，属于特殊制造的产品，价格也不会很低，可靠性和性价比也不会很好。