1.概述
1.1目的和意義
我國是一個水資源嚴重缺乏，水旱災害頻繁的國家。雖然水資 源的總量居世界第6位，但是按人均水資源量計算，人均占有量只有2500立方米，約為世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被聯合國列為13個貧水國家之一。另一方面，我國水資源的分布很不平衡。北方有些地區水資源的占有量僅為900立方米，低于國際公認的1000立方米的水資源下限。有些地區的人均占有量甚至低于世界最貧水的國家埃及和以色列的水平。我國農業用水量約占總用水量的80%左右，由于農業灌溉用水的利用率普遍低下，就全國范圍而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%，因而，解決農業灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。
在灌溉系統合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。灌溉系統自動化的水平較低，這也是制約我國高效農業發展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節水灌溉制度。由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實際動態管理。采用傳感器來監測土壤的墑情和農作物的生長，實現水管理的自動化。高效農業和精細農業要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現水資源的高效，僅憑單項節水灌溉技術是不可能解決的。必須將水源開發、輸配水、灌水技術和降雨、蒸發、土壤墑情和農作物需水規律等方面統一考慮。做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水聯合調用，實現按期、按需、按量自動供水。
自動灌溉監控系統有如下優點：
1、將充分發揮現有的節水設備作用，優化調度，提高效益。
2、通過自動控制技術的應用，更加節水節能，降低灌溉成本，提高灌溉質量。
3、將使灌溉更加科學，方便、提高管理水平。
研制和推廣節水灌溉控制新技術是實現農業現代化的需要。
1.2相關研究綜述
自動灌溉技術在發達國家，特別是有大面積種植或缺水地區。按灌溉方式分為地面灌、噴灌和微灌等等。而微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌和地下滲灌。灌溉系統自動化是世界先進國家發展高效農業的重要手段，而我國目前的灌溉系統自動化的水平較低，這也是制約我國高效農業發展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節水灌溉制度，由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發展，對灌區用水進行監測預報，實行動態管理。
2.自動灌溉系統的總體設計
2.1功能設計
灌溉自控系統主要由中心主控系統、電磁閥、田間濕度傳感器、氣象觀測站等設備所組成。
操作人員可坐在控制室里，對傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數據進行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶的對整個小區進行灌溉。同時還可以利用數據查詢系統和打印系統，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌水歷史記錄等數據。
本系統由多個控制單元組成，每個控制單元管理一片區域。利用GPRS/GSM網路，由中央計算機統一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結果送入計算機，在這里進行灌溉參數設置，及對灌溉情況進行統計，并可通過專用軟件在計算機上存儲，顯示數據和圖表。同時可以人工進行特殊操作。通過互聯網獲取天氣信息，有預見性地實施灌溉。
2.2網絡結構設計
如上圖所示，我們的網絡結構分為三層，第一層為控制中心，有電腦和以太網組成;第二層為GPRS無線控制器，該層和第一層之間無需電纜連接;第三層為閥門控制器，所有的閥門控制器和GPRS無線控制器只需要用一根電纜連接。下面詳細介紹一下本方案。
首先我們可以將需要灌溉的區域分成若干個小區，劃分的原則為閥門相對集中。每個小區內采用一個無線數傳設備GPRSDTU，通過它與中心控制室通訊;在GPRSDTU上可以連接一個手動控制器，用來手動控制該區域內的閥門開關;再用一跟電纜連接到各個閥門，在閥門的位置需要接一個控制器，一個控制器可以控制1～4個閥門
該套設備只需要很少的電力，可以使用太陽能來供電。這個小區的控制系統無需任何電纜與中心控制室連接。
我們對各個小區實現同樣的控制方法，然后再通過無線連成一套系統。
這樣的控制方式的主要優點有：
1、中心控制室可以控制遠在千里之外的閥門。
2、每個小區內只需使用一根電纜連接所有的閥門。大大節約成本。
3、在電力無法到達的地方，我們可以采用太陽能供電。
4、也可以通過就地的手動控制器來控制閥門。
5、也可以通過手機短信來控制閥門。
3.控制器的設計
3.1控制器的主要功能
1)土壤含水量的監測;
2)EC值和pH值的監測;
3)電磁閥狀態的監測;
4)電磁閥狀態的控制;
5)各種監測和控制信號的通訊傳輸;
6)低電壓報警;
3.2工作原理
每個控制單元控制著1—4路電磁閥。通過傳感器采集來的多路數據，經過A/D轉換，信號處理，在微處理器中，根據不同植被需求，確定灌溉量，然后控制信號輸出，結合中央管理計算機的指令，控制電磁閥的開關，即可以實現自動灌溉。土壤濕度傳感器用來測量土壤的濕度，以了解土壤的真實灌溉情況，據此確定灌溉與否和時間長短;配有EC值和pH值傳感器，可對進出水進行EC值和pH值的檢測，以便控制自動營養液的配給。
3.3數據采集部分
數據采集部分是實現自動灌溉的重要環節。土壤濕度傳感器一般是采集土壤的水吸力大小信號，也叫土壤水分傳感器。本系統選用AQUA-TEL公司的專業土壤水分傳感器，它把土壤水吸力的大小轉化為標準的4-20mA電流信號。將傳感器埋入土壤中，放在植被的根部。多個傳感器注意其安放位置應具有代表性，這樣才能反映整塊田地的平均含水量的情況。EC傳感器和pH傳感器檢測灌溉用水的電導率和酸堿度，以確定需添加的肥料、養分多少。
