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        案例展示
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        自動化灌溉設計方案

        自動化灌溉與信息化管理系統方案............................................. 1

        1、現場智能感知平臺:.................................................................. 4

        1.1、井房首部設備智能監控系統............................................... 5

        1.2、田間無線灌溉控制系統....................................................... 7

        1.3.無線土壤墑情監測系統..................................................... 10

        1.4.綜合智能氣象監測系統..................................................... 11

        2、無線網絡傳輸平臺.................................................................... 15

        3、數據管理平臺............................................................................ 16

        4、應用平臺(監控中心及移動管理控制端)............................ 17

        5、主要技術參數............................................................................ 20

         

        自動化灌溉與信息化管理系統方案

        自動化灌溉與信息化管理系統是針對農業大田種植分布廣、監測點多、布線和供電困難等特點,融合最新的物聯網和云計算技術,采用高精度土壤溫濕度傳感器和智能氣象站,遠程在線采集土壤墑情、氣象信息,實現墑情自動預報、灌溉用水量智能決策、遠程/自動控制灌溉等功能。

        該系統根據不同地域的土壤類型、灌溉水源、灌溉方式、種植作物等劃分不同類型區,在不同類型區內選擇代表性的地塊,建設具有土壤含水量,地下水位,降雨量等信息自動采集、傳輸功能的監測點;通過灌溉預報軟件結合信息實時監測系統,獲得作物最佳灌溉時間、灌溉水量及需采取的節水措施為主要內容的灌溉預報結果,定期向群眾發布,科學指導農民實時實量灌溉,達到節水目的。

        系統組成:

        大田灌溉自動化與信息化管理系統分為現場智能感知平臺、無線網絡傳輸平臺、云數據管理平臺、應用平臺(監控中心及移動管理控制端)四個層次,其中,田間脈沖電磁閥、無線閥門控制器、遠程水泵智能控制器、云服務器、主控制中心和村級(企業)控制中心、移動控制終端等組成灌溉無線控制系統,能夠實現現地無線遙控、遠程隨時隨地監控、輪灌組定時自動輪灌等控制方式,并且實時監測機井和閥門狀態,灌溉流量和管網壓力,保障運行安全,及時提示報警信息。在此基礎上,擴充田間土壤墑情監測、農田氣象監測、作物和泵房視頻監測等內容,指導科學灌溉,提高灌溉的智能化程度。

        0.jpg

        灌溉自動化系統總體層次分布圖

        系統特點:

        Ø  全無線傳輸,自組網協議,電池供電、不需要任何布線,系統安裝維護方便;

        Ø  無線采用全球免費的公共頻段(2.4GHz),省去傳統無線的運營費用;

        Ø  公網無線和現場無線融合,且具有冗余備份能力,提高了系統可靠性和安全性,突破了系統現地訪問限制;

        Ø  無線閥控和采集節點超低能耗設計、內置電池保證使用3年;系統定時采集網絡節點電壓、工作溫度與通訊鏈路狀態,實現網絡自診斷功能;

        Ø 所支持的電磁閥產品線廣泛,不僅支持Netafim、Rain&nbsp;BirdHunter等灌溉公司的電磁閥,同時也支持國外著名的閥制造企業Bermad、DorotTECHNIDRO的產品;

        Ø 移動管理終端創新開發,突破了只能固定地點操作的限制,方便灌溉管理;

        Ø 自動化功能多層次設計滿足不同灌溉管理需要,提高了系統的適應性;

        Ø 系統采用組件化和模塊化設計,無線閥控節點、無線采集節點和機井控制站可以按照項目需要自由擴展,方便項目設計,方便后續升級維護。

        Ø 支持土壤墑情、作物長勢信息和農田小氣候信息的采集,強大的UniLog管理軟件能根據所采集的氣象信息推算最適宜的農田灌溉時間和灌溉量,并做出智能的管理決策;

        Ø 管理軟件集成GPRS/GSM技術,支持基于短信的智能報警,支持基于Internet的遠程管理。

        Ø 依托云數據中心,灌溉自動化系統實現統一專家運維服務,現場維護人員只需要根據系統和專業運維人員建議,安裝拆卸設備和排除故障等。讓高科技傻瓜化,讓自動化的使用維護和基礎滴灌工程一樣簡單。

        1、現場智能感知平臺:

        平臺包括有:井房首部設備智能監控系統、田間灌溉控制系統、田間土壤墑情信息監測系統、近地小氣候環境信息監測系統、智能氣象站、作物長勢遠程監測系統。

        1.1、井房首部設備智能監控系統

        井房首部樞紐設備包括:變頻器、一體式水泵智能控制器、壓力傳感器、流量傳感器、地下水位/溫度傳感器、過濾裝置、安全防護裝置,自動化施肥裝置和測控裝置等。

        過濾裝置作用是將水中的固體大顆粒、雜質等過濾,防止這些污物進入滴灌系統堵塞滴頭或在系統中形成沉淀。施肥裝置的作用是使易溶于水并施于根系的肥料、農藥、化控藥品等在施肥罐內充分溶解,然后再通過滴灌系統輸送到作物根部,便于作物吸收,充分發揮肥效,同時減少肥料浪費,測控裝置的作用是方便系統的操作、運行管理、保證系統安全。本系統設有逆止閥、排氣閥、壓力表、水表、流量控制閥門。

        井房首部設備智能監控系統實現機井水泵的啟閉、電機保護、電量的計量、運行狀態監測,同時還對水源地地下水位、出水口壓力和流量進行監測。

        圖片1.jpg

        井房智能監控站功能及原理如下:

        遠程的測控:智能井房控制終端通過GPRS無線,接收控制中心發送的命令,對水泵變頻器進行采集和控制,實現遠程的水泵啟停、電量采集的首部控制管理;

        變頻恒壓管理:變頻器根據灌溉所設定的壓力,對灌溉主管道進行恒壓調變頻調控,以保證足夠的灌溉壓力。根據水泵功率大小可選;

        管網監測管理:智能井房終端通過監測安裝在過濾器的前后的兩個壓力傳感器的壓差值,來判斷是否需要對過濾器進行清理,以保證管網的高效穩定;

        灌溉用水統計:智能井房連接地下水位傳感器、流量傳感器,實時監測水源井地下水位動態情況以及灌溉水的使用情況,當地下水位值低于設定值是,發出預警信息。

         井房智能監控站設備組成清單表

        序號

        產品名稱

        型號

        數量

        備注

        1

        智能泵站控制器

        定制

        1

        內置電能量采集和遠程傳輸模塊

        2

        水泵變頻啟動器

        定制

        1


        3

        安全防護箱

        定制

        1


        4

        地下水位傳感器

        定制

        1

        20m量程,40米線纜

        5

        管道壓力傳感器

        定制

        2


        6

        脈沖流量計

        定制

        1


        1.2、田間無線灌溉控制系統

        田間無線灌溉控制系統通過無線控制器與井房智能監控站連接,通過對泵站、可控灌溉閥門等狀態信息、控制信息、田間水位、墑情、流量等測量信息及雨情、風情、溫度等氣象信息的實時采集,經過可編程控制器的邏輯判斷和處理,實現基于預定控制模型的自動灌溉、自動控制,并自動形成數據報表及相應的統計信息報表等功能,同時可選擇實現遠程登陸訪問功能。

        田間無線灌溉控制節點由無線閥門控制器、脈沖電磁閥、狀態反饋、田間信息傳感器(土壤溫度、土壤水分傳感器、流量和壓力傳感器)組成。無線閥門控制器通過線纜連接電磁閥和狀態反饋,實現電磁閥啟閉控制和狀態監測。

        無線閥控節點設備安裝

        田間無線閥控器采用高性能蓄電池供電,具有無線通訊組網功能,能夠支持控制兩路脈沖電池閥、接收兩路狀態反饋,同時可根據需要接入土壤水分、溫度、流量和壓力傳感器。是無線通訊的終端節點。

        電磁閥是實現田間灌溉閥門自動控制的樞紐設備,它通過電纜直接連接到核心可編程控制器或就近的田間控制器,根據可編程控制器上設置的灌溉施肥程序自動執行來自控制器的運行指令,實現灌溉閥門的自動啟動和關閉。

        傳感器系統用于監控灌溉系統運行狀況的傳感設備,可以采集灌溉系統本身的設備運行信息、土壤和氣象等環境信息,以及作物的生理反饋信息,傳感器可以作為灌溉控制條件實現智能灌溉控制。灌溉自動控制系統的傳感器主要包括液位計、壓力傳感器、溫度濕度傳感器、電磁流量計、土壤水分以及作物生長精密傳感器等。

        無線通訊系統采用全無線漫游組網,田間不鋪設線路,通過分區管理,級聯通訊,實現數據的遠程傳輸。每一個電磁閥都有1個專用地址,根據輪灌制度確定開啟的電磁閥,控制中心給開啟的電磁閥的專用地址下命令,電磁閥開啟灌水。

        無線閥門控制器與脈沖電磁閥和狀態反饋形成無線灌溉控制節點,實現閥門的無線啟閉,不再需要管理人員下地手動啟閉閥門。無線閥門控制器內置高能電池,正常使用壽命不低于3年。

        無線閥控組成清單表

        序號

        設備名稱

        型號

        1

        電磁閥

        定制

        2

        無線閥控器

        定制

        3

        土壤水分/溫度傳感器

        定制

        4

        管道壓力傳感器

        定制

        5

        無線閥控器安裝配件

        定制

        6

        無線中繼點

        定制

        7

        室外網關

        定制

        1.3.無線土壤墑情監測系統

             土壤墑情監測系統能夠實現對土壤墑情的長時間連續監測。用戶可以根據監測需要,靈活布置土壤溫度和土壤水分傳感器;也可將傳感器布置在不同的深度,測量剖面土壤水分情況。系統采用 GPRS 網絡采集傳輸模式,傳感器沒有數量上的限制,監測點之間沒有距離限制。系統還提供了額外的擴展能力,可根據監測需求增加對應傳感器,監測土壤溫度、土壤電導率、土壤PH值、以及空氣溫度、空氣濕度、光照強度、風速風向、雨量等信息,從而滿足系統功能升級的需要。

            土壤墑情監測系統能夠全面、科學、真實地反映被監測區的土壤變化,可及時、準確地提供各監測點的土壤墑情狀況,為減災抗旱提供了重要的基礎信息。

        土壤水分傳感器的安裝位置,要求離滴管帶10cm,安裝深度分三層10cm、20cm、40cm, 安裝位置的選擇每個灌溉單元中的2個代表處,每個噴灌單元12個分區點。


        表。無線土壤墑情監測組成清單

        序號

        設備名稱

        規格

        型號

        1

        GPRS數據傳輸模塊

        太陽能自供電

        定制

        2

        數據采集器

        電池供電/4輸出/6輸入

        定制

        3

        土壤水分傳感器

        量程0-100%vol/精度3%

        定制

        4

        土壤溫度傳感器


        定制

        5

        太陽能供電系

        太陽能自供電10W/9000mhA

        定制

        6

        設備固定支架

        用于設備與支撐桿的固定/三角型支架

        定制

        1.4.綜合智能氣象監測系統

        綜合智能氣象監測系統由9要素氣象監測站、6層土壤墑情監測站以及作物長勢遠程監測系統組成;

        氣象監測站,監測因子(風速、風向、雨量、太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、大氣壓強傳感器、CO2濃度傳感器、葉面濕度傳感器),自動記錄農田環境信息,并通過GPRS/GSM網遠程上報至數據中心;趯r田氣象信息的監測,中心軟件可以計算出每天每小時的ET值(土壤蒸發和植物蒸騰之和),以便進行高效的、科學的灌溉管理。作物長勢遠程監測系統具有視頻監控、無線覆蓋等功能,主要用于獲取農田環境氣象信息,遠程查看農田作物生長情況。

        綜合智能氣象監測系統由氣象傳感器、GPRS無線采集器、太陽能供電系統、鋁合金安裝支架、作物長勢遠程監測系統等組成。

        氣象傳感器:包括風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、太陽輻射傳感器、空氣溫濕度傳感器、大氣壓強傳感器、CO2濃度傳感器、葉面濕度傳感器;

        GPRS無線采集器:采集氣象數據,并通過GPRS/GSM網發送數據中心;

        太陽能供電系統:包括太陽能電池板、充放電控制器、充電電池組,保證采集系統的能量供給,在持續陰雨天連續工作長達15天;

        防護圍欄:白色塑鋼護欄,高度80cm, 圍成4x4m的監測圍場,防止牲畜進入破壞;

        作物長勢遠程監測系統特點:

        (1)系統配置高清紅外攝像頭,可進行全天候連續監控,監控距離可達120m,分辨率1280×960,水平方向360°連續旋轉,垂直方向-2°-90°,無監視盲區。

        (2)可實時監測空氣溫濕度、風速、風向、雨量、土壤溫度、土壤濕度等多種氣象參數,可存儲整個生育期內的氣象信息,具有歷史數據掉電保護功能。

        (3)系統通過遠程無線網橋和無線路由器實現農田的無線覆蓋。

        (4)技術員可在任意地點通過瀏覽器查看視頻及氣象數據。

        表8-2-11氣象環境監測系統組成清單

        序號

        設備名稱

        型號

        數量

        1

        遠傳模塊

        DTU-100

        1

        2

        監測主機

        SMC1814

        1

        3

        溫濕度傳感器

        HYS10

        1

        4

        風速傳感器

        WDS10

        1

        5

        風向傳感器

        WDS10

        1

        6

        輻射傳感器

        SRS10

        1

        7

        雨量傳感器

        RF10

        1

        8

        葉片濕度傳感器

        LWS10

        1

        9

        CO2濃度傳感器

        CO2-10

        1

        10

        大氣壓強傳感器

        PRS10

        1

        11

        太陽能電池板及蓄電池

        3W/10AH

        1

        12

        安裝支架

        全鋁合金支架

        1

        13

        傳輸卡

        30M每月

        1

        14

        避雷器


        1

        15

        高清網絡攝像機

        300萬像素,360度旋轉

        1

        16

        防雷接地



        17

        防護圍欄

        塑鋼材質,80cm高,按延米計算

        16m

        2、無線網絡傳輸平臺

        網絡傳輸方式:LAN網絡、MAN網絡、WAN網絡;

        局域網(LAN):一般限定在較小的區域內,小于10km的范圍,信道傳輸速率可達1~20Mbps,結構簡單,布線容易。通常采用有線的方式連接起來。

        城域網(MAN):規模局限在一座城市的范圍內,10~100km的區域。

        廣域網(WAN):網絡跨越國界、洲界,甚至全球范圍。廣域網信道傳輸速率較低,一般小于0.1Mbps,結構比較復雜。

        圖片11.jpg

        3、數據管理平臺

        平臺包括:接收和發送各個監控點的采集的數據(機井監控信息、田間設備信息、土壤墑情(旱情)預報信息、近地小氣候環境信息、氣象信息所有數據)及傳送控制命令;運行灌溉管理軟件,實施灌溉計劃管理、灌溉預警管理、灌溉調度管理、遠程自動化控制管理等功能、水費征收管理。

        云數據管理平臺是對項目內所有基礎數據、監測數據綜合管理的平臺。平臺通過對泵站、可控灌溉閥門等狀態信息、控制信息、田間水位、墑情、流量等測量信息及雨情、風情、溫度等氣象信息的實時采集,經過可編程控制器的邏輯判斷和處理,實現基于預定控制模型的自動灌溉、自動控制,并自動形成數據報表及相應的統計信息報表等功能,同時可選擇實現遠程登陸訪問功能。

        平臺通過運行灌溉管理軟件,實施灌溉計劃管理、灌溉預警管理、灌溉調度管理、遠程自動化控制管理等功能、水費征收管理。

        平臺通過接收監測站及人工監測實時數據,提供灌區的水情、雨情、工情以實時信息及歷史數據的存儲、整理,為用戶提供實時遙測數據顯示和歷史數據、墑情測報成果、配水調度成果查詢等。平臺根據灌區的雨情和墑情等信息進行土壤墑情預報。墑情測報的精度直接關系到配水調度決策是否科學合理。根據土壤分布類別、作物種植及生長周期、灌溉定額等信息,按照系統對應灌溉面積生成干支管道灌水制度的配水計劃。綜合考慮來水情況和土壤墑情初步確定灌溉調度方案,通過方案優選功能,以灌溉效益最大為目標函數對灌溉調度方案進行優選。用戶可以根據實際情況,對各影響因素設定相應的權重,系統將根據用戶的選擇確定最優方案。


        4、應用平臺(監控中心及移動管理控制端)

        在應用平臺上,用戶可以通過手機、PDA、計算機等信息終端接收農田墑情信息、氣象信息,并可通過INTERNET網遠程控制灌溉設備,也可以通過GPRS/3G網絡、現場短距離無線自組網絡等方式實現遠程及本地控制。對政府管理部門而言,則可以通過該平臺,提升農情、農業氣象、農田水利的綜合管理水平。

        圖片16.jpg

        監控中心根據項目建設需要設置縣級主監控中心1個,村級主監控中心1個。是灌溉自動化系統的集中和分片管理的中心。建設模式如圖所示。監控中心具體配置包括:


        物聯網遠程信息服務

        視頻發布:

        利用網絡通信技術Socket技術、數據采集技術及面向對象等軟件技術實現了系統管理、用戶管理、設備監控數據顯示等功能,便于客戶通過Internet網絡實時查看園區人員工作及作物的生長狀態。

        環境信息發布:

        采用先進的C/S(客戶端/服務器)結構,把園區各溫室監測的環境信息發布到網頁上,客戶端只需要使用標準的IE瀏覽器就可以實現實時查看園區生長環境信息的功能。

        圖片22.jpg

        5、主要技術參數

        1. 機井智能監控

        機井智能控制器要求針對灌溉水泵智能測控需求一體化專業設計開發,支持電量、水量、水位、壓力、刷卡和無線通訊等多種功能;

        機井智能控制器支持掉電報警提示,自動轉換低功耗運行模式,持續水位等信息采集和報警;

        機井智能控制器支持多級控制:用戶可以通過電腦、手機隨時隨地實現控制; 可選IC卡現地管理;

        機井智能控制器集成智能監測:實時監測地下水位、管道流量、水泵用電量,統計分析灌溉用水(用電)總量和效率,實現計費管理;

        機井智能控制器支持運行安全管理:水泵缺相、過流保護;過濾器需要清洗提示;掉電提示續航;

        機井智能控制器可選信息匯集:作為田間無線閥控和采集網關,實現灌溉單元設備和運行管理。

        2. 田間閥門控制

        采用無線自組網技術,實現田間閥門控制,自動中繼路由能力不小于5節,單跳視距不小于500m,無線響應延時小于10秒;

        田間閥門控制器無需任何設置,防水防潮,具有故障、防盜報警功能,系統報警延時1分鐘左右;

        移動管理終端融合GPRS和自組網無線通信能力,支持遠程和現地無線控制閥門啟閉,獲取閥門狀態和田間采集數據;

        田間閥門采用脈沖磁保持控制方式,具有狀態反饋,監視灌水狀態,反饋延時小于20秒;

        田間閥門控制器支持土壤水分/溫度、管道壓力/流量傳感器的接入功能,具有越線報警功能;

        田間閥門控制器超低能耗運行、內置一次性電池使用壽命質保3個灌溉季度;

        3. 農田信息采集

        采用無線自組網技術,實現農田和大棚內信息采集,自動中繼路由能力不小于5節,單跳視距不小于500m,無線響應延時小于10秒;

        農田剖面三層無線土壤水分/溫度傳感器采用圓錐式探頭結構,直徑小于13mm,并且無線采集器集成一體,三層剖面深度10/20/40cm,方便使用和維護,無需現場配置,具有越線報警功能;

        近地小氣候無線傳感器集成光照、空氣溫濕度和土壤水分溫度于一體,無需現場配置,具有越線報警功能,方便使用和維護;

        無線傳感器超低能耗運行、內置一次性電池使用壽命質保3個灌溉季度;

        4.農田信息采集與發布設備

        九要素氣象站包括空氣溫濕度、太陽輻射、風速風向、雨量、大氣壓力、二氧化碳和葉片濕度實時采集,通過GPRS與平臺通信,集成太陽能供電,保障全天候連續信息采集;

        六層旱情/墑情監測站按照國家監測規范,實時監測10/20/40/60/80/100厘米的土壤水分和10/40厘米的土壤溫度;

        視頻監控能夠動態監視大田作物、大棚蔬菜、機井泵房,移動管理終端支持定點拍攝作物長勢,上傳云平臺管理;

        信息發布設備采用LED點陣大屏顯示,支持遠程更新顯示內容,實時發布預警信息,具有語音廣播功能;

        5.軟件平臺

        開發平臺:軟件平臺須基于JAVA平臺開發,且數據庫支持MySQL、SQL Server、Sybase等常見數據庫,以提高系統的可擴展性與兼容性;

        灌溉監控管理軟件:支持灌溉無線控制啟閉,制定輪灌計劃,統計每個閥門灌水時間,實時監控管網壓力和流量,保障灌溉系統的運行穩定。

        數據查詢分析模塊:平臺軟件支持地下水位、溫度、流量數據的實時數據、歷史數據查詢,支持周、月、季度的數據報表;同時對同一地區地下水位動態進行分析,給政府部門提供決策參考依據。

        GIS地理信息模塊:平臺軟件包含GIS模塊,支持分圖層進行管理。

        要求支持對鎮、鄉、村的基本信息進行管理;

        要求支持對國道、省道、縣道、河流、水庫、機井控制站圖層進行管理;

        地圖支持距離測量、面積測量等基本操作;

        用戶管理模塊:軟件平臺支持多級用戶管理及訪問權限管理。管理員用戶可以對用戶基本信息、賬戶信息進行管理;一般用戶可以對自己的用水消費、充值等記錄進行查詢;

        灌溉信息智能處理模塊:通過實時監測的氣象、墑情、作物長勢等信息,預測預報灌水量和灌溉開始時間,提高灌溉管理的科學性;

        計量收費管理模塊:根據用水定額和計量收費方式,實現農戶繳費、水資源收費管理,支持用戶通過電話、SMS短信、Internet互聯網查詢賬戶信息,支持管理員對用戶進行充值操作,支持對月、年收費情況進行統計;

        信息發布管理模塊:遠程設置LED點陣顯示大屏內容,自動管理系統用戶手機短信預警和信息發布。


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