1.概述

　　1.1目的和意义

　　我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁的国家。虽然水资 源的总量居世界第6位，但是按人均水资源量计算，人均占有量只有2500立方米，约为世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被联合国列为13个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分布很不平衡。北方有些地区水资源的占有量仅为900立方米，低于国际公认的1000立方米的水资源下限。有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。

　　在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。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，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。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。

　　自动灌溉监控系统有如下优点：

　　1、将充分发挥现有的节水设备作用，优化调度，提高效益。

　　2、通过自动控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。

　　3、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。

　　研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。

　　1.2相关研究综述

　　自动灌溉技术在发达国家，特别是有大面积种植或缺水地区。按灌溉方式分为地面灌、喷灌和微灌等等。而微灌又分为滴灌、微喷灌、涌泉灌和地下渗灌。灌溉系统自动化是世界先进国家发展高效农业的重要手段，而我国目前的灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度，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，实行动态管理。

2.自动灌溉系统的总体设计

　　2.1功能设计

　　灌溉自控系统主要由中心主控系统、电磁阀、田间湿度传感器、气象观测站等设备所组成。

　　操作人员可坐在控制室里，对传上来的气象资料、田间土壤湿度等数据进行综合分析，利用手动或自动方式，足不出户的对整个小区进行灌溉。同时还可以利用数据查询系统和打印系统，随时记录、查询、打印整个灌溉小区的气象资料、土壤湿度、灌溉设置、灌溉进程、灌水历史记录等数据。

　　本系统由多个控制单元组成，每个控制单元管理一片区域。利用GPRS/GSM网路，由中央计算机统一管理。室外的空气温湿度传感器把结果送入计算机，在这里进行灌溉参数设置，及对灌溉情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，显示数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。通过互联网获取天气信息，有预见性地实施灌溉。

　　2.2网络结构设计

　　如上图所示，我们的网络结构分为三层，第一层为控制中心，有电脑和以太网组成;第二层为GPRS无线控制器，该层和第一层之间无需电缆连接;第三层为阀门控制器，所有的阀门控制器和GPRS无线控制器只需要用一根电缆连接。下面详细介绍一下本方案。

　　首先我们可以将需要灌溉的区域分成若干个小区，划分的原则为阀门相对集中。每个小区内采用一个无线数传设备GPRSDTU，通过它与中心控制室通讯;在GPRSDTU上可以连接一个手动控制器，用来手动控制该区域内的阀门开关;再用一跟电缆连接到各个阀门，在阀门的位置需要接一个控制器，一个控制器可以控制1～4个阀门

      该套设备只需要很少的电力，可以使用太阳能来供电。这个小区的控制系统无需任何电缆与中心控制室连接。

　　我们对各个小区实现同样的控制方法，然后再通过无线连成一套系统。

　　这样的控制方式的主要优点有：

　　1、中心控制室可以控制远在千里之外的阀门。

　　2、每个小区内只需使用一根电缆连接所有的阀门。大大节约成本。

　　3、在电力无法到达的地方，我们可以采用太阳能供电。

　　4、也可以通过就地的手动控制器来控制阀门。

　　5、也可以通过手机短信来控制阀门。

3.控制器的设计

　　3.1控制器的主要功能

　　1)土壤含水量的监测;

　　2)EC值和pH值的监测;

　　3)电磁阀状态的监测;

　　4)电磁阀状态的控制;

　　5)各种监测和控制信号的通讯传输;

　　6)低电压报警;

　　3.2工作原理

　　每个控制单元控制着1—4路电磁阀。通过传感器采集来的多路数据，经过A/D转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉情况，据此确定灌溉与否和时间长短;配有EC值和pH值传感器，可对进出水进行EC值和pH值的检测，以便控制自动营养液的配给。

　　3.3数据采集部分

　　数据采集部分是实现自动灌溉的重要环节。土壤湿度传感器一般是采集土壤的水吸力大小信号，也叫土壤水分传感器。本系统选用AQUA-TEL公司的专业土壤水分传感器，它把土壤水吸力的大小转化为标准的4-20mA电流信号。将传感器埋入土壤中，放在植被的根部。多个传感器注意其安放位置应具有代表性，这样才能反映整块田地的平均含水量的情况。EC传感器和pH传感器检测灌溉用水的电导率和酸碱度，以确定需添加的肥料、养分多少。