周小波　李光輝　阮紅麗　李丹丹　李玉玲/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

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基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)?br/>無線遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)研究

周小波李光輝阮紅麗李丹丹李玉玲/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

為有效解決丘陵地區(qū)管道灌溉系統(tǒng)中管網(wǎng)延伸距離長、敷設(shè)閥門電源信號線工程投資大、安全隱患多的問題，本文研發(fā)了一種基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)。它是一種利用現(xiàn)代信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物有效灌溉的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，特別適用于管道長距離輸水且分水口較多的場合。它將傳統(tǒng)的各自獨(dú)立的GPRS DTU無線控制終端與PLC控制器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，研發(fā)GPRS無線控制終端，可有效實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控、手機(jī)短信控制及與PLC進(jìn)行RS485通訊的一體化控制。通過搭建無線遠(yuǎn)程控制灌溉綜合管理系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測與遠(yuǎn)程報(bào)警，構(gòu)建手機(jī)短信控制、網(wǎng)絡(luò)控制、組態(tài)軟件界面控制與手動(dòng)應(yīng)急控制四維立體化體系，大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。它采用太陽能電池組件、太陽能充放電控制器及膠體電池為低功耗閥門提供電源，有效解決遠(yuǎn)距離分散安裝閥門的電源供給。它將GPRS無線控制終端、太陽能充放電控制器、太陽電池組件及膠體電池、閥門集成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，有效解決了無線遠(yuǎn)程控制閥的結(jié)構(gòu)問題，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝方便、控制靈活。

農(nóng)業(yè)灌溉在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著特別重要的地位和作用。近年來，由于農(nóng)村青壯年勞動(dòng)力缺乏、農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度低、農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)體系不健全、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展滯后，導(dǎo)致粗放的灌溉管理模式逐漸體現(xiàn)出弊端。灌溉自動(dòng)化是提高灌溉效果的必然趨勢，而沒有灌溉管道化也就沒有灌溉自動(dòng)化。然而在丘陵地區(qū)管道灌溉系統(tǒng)中，管網(wǎng)延伸距離長，敷設(shè)閥門電源信號線工程投資大，安全隱患多。如何研發(fā)一種適合丘陵地區(qū)管網(wǎng)輸水的灌溉系統(tǒng)就成為了亟需解決的核心問題之一。

1系統(tǒng)組成

基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)主要由無線遠(yuǎn)程控制閥、GPRS傳輸系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)控制終端、水泵及控制系統(tǒng)組成。用戶利用手機(jī)等終端，通過GPRS傳輸系統(tǒng)給無線遠(yuǎn)程控制閥發(fā)送啟停指令，無線遠(yuǎn)程控制閥接收指令后執(zhí)行啟停動(dòng)作，并給手機(jī)等終端反饋執(zhí)行狀態(tài)；該執(zhí)行狀態(tài)同時(shí)通過GPRS傳輸系統(tǒng)進(jìn)入中心數(shù)據(jù)控制終端，并在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及其專用管理軟件上實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制程序流程圖如圖2所示。

2無線遠(yuǎn)程控制閥

無線遠(yuǎn)程控制閥主要包括開關(guān)控制模塊、膠體電池、太陽電池組件、開關(guān)控制連接器、閥門。無線遠(yuǎn)程控制閥將無線傳輸?shù)木幋a單元及發(fā)射單元與接收單元及譯碼單元進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將傳統(tǒng)的各自獨(dú)立的GPRS DTU無線控制終端與PLC控制器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，研發(fā)智能GPRS無線控制終端，可有效實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控、手機(jī)短信控制及與PLC進(jìn)行RS485通訊的一體化控制，構(gòu)建整體式開關(guān)控制模塊，可有效實(shí)現(xiàn)輸入指令的遠(yuǎn)程輸入及輸出信號的無線發(fā)送。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

圖2　系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制程序流程圖

開關(guān)控制模塊接收用戶無線輸入指令后，執(zhí)行動(dòng)作輸出至開關(guān)控制連接器，開關(guān)控制連接器將信號傳送至閥門，控制其開啟或關(guān)閉；太陽能電池組件的正負(fù)極分別接入太陽能充放電控制器電源端的正負(fù)極，作為膠體電池的充電電源；膠體電池通過串聯(lián)后的正負(fù)極分別接入太陽能充放電控制器蓄電池端的正負(fù)極，作為系統(tǒng)的充放電電源；太陽能充放電控制器負(fù)載端的正負(fù)極分別接入開關(guān)控制模塊的正負(fù)極，為開關(guān)控制模塊提供電源；太陽能充放電控制器具有對膠體電池的過充和過放電的保護(hù)功能，遠(yuǎn)程控制硬件連接如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程控制硬件連接圖

3 GPRS傳輸系統(tǒng)

GPRS傳輸系統(tǒng)通信網(wǎng)覆蓋面積大，系統(tǒng)響應(yīng)快，組網(wǎng)靈活，作為無線遠(yuǎn)程控制閥與中心數(shù)據(jù)控制終端之間的橋梁，使兩者之間的信號能夠傳輸與交互。

4中心數(shù)據(jù)控制終端

中心數(shù)據(jù)控制終端主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及專用管理軟件等，通過構(gòu)建無線遠(yuǎn)程控制灌溉綜合管理系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測與遠(yuǎn)程報(bào)警；構(gòu)建手機(jī)短信控制、網(wǎng)絡(luò)控制、組態(tài)軟件界面控制多維立體化體系(還可配置手動(dòng)應(yīng)急控制)，使系統(tǒng)具有多用戶身份自動(dòng)識別及數(shù)據(jù)管理功能，大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

5水泵及控制系統(tǒng)

水泵及控制系統(tǒng)主要包括PLC主機(jī)、變頻器、水泵機(jī)組。PLC主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及專用管理軟件連接，接收控制指令后，實(shí)現(xiàn)變頻器的變工況自動(dòng)調(diào)節(jié)及保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的自動(dòng)起停及可靠運(yùn)行，為灌溉系統(tǒng)提供水源。

6系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)為整體式結(jié)構(gòu)，太陽電池組件與2 m高的φ89*4立管連接，立管與固定于地面之上的鋼板連接；太陽電池組件背面的連接孔通過螺栓與一根連接條連接，連接條上分別固定有開關(guān)控制模塊和太陽能充放電控制器，連接電纜從立管里面往下穿與閥門及膠體電池連接。

膠體電池安裝于防水蓄電池地埋箱內(nèi)；防水蓄電池地埋箱與閥門固定在一個(gè)箱體內(nèi)，閥門的進(jìn)、出水口露在箱體外，與管路連接；箱體安裝于地面以下，周圍用土回填夯實(shí)；箱體頂端為一塊鋼板，與2 m高的φ89*4立管連接。

它采用太陽電池組件及膠體電池為低功耗現(xiàn)地設(shè)備閥門提供電源，有效解決了遠(yuǎn)距離分散安裝閥門的電源供給。它將開關(guān)控制模塊、太陽能充放電控制器、太陽電池組件及膠體電池、閥門集成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，有效解決了無線遠(yuǎn)程控制閥的結(jié)構(gòu)問題，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝方便、控制靈活。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

7　結(jié)論

近年來，管道輸水技術(shù)在四川省多地的灌區(qū)改造中得到應(yīng)用。迫切需要一種現(xiàn)代化的灌溉管理設(shè)備，將操作人員從復(fù)雜的灌溉管理中解放出來。本文提出的無線遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物有效灌溉的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，特別適用于管道長距離輸水且分水口較多的應(yīng)用場合，為解決上述客觀現(xiàn)實(shí)問題提供了一種有效解決方案。從而為促進(jìn)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益起到了積極的作用。