节水灌溉计算机控制系统的研制

徐志斌  何迎春  胡  钢  马亚培

摘  要  本文介绍一种采用组态软件和控制模块相配合的节水灌溉计算机自动控制系统。系统利用计算机控制水泵及电磁阀，实现滴灌、喷灌、徽灌和低压管道等灌溉方式的自动化，同时将所有灌溉事件自动输入数据库，形成各种报哀，以便对灌溉数据进行统计分析。

关键词  节水灌溉  计算机  控制系统

　　江苏泰兴市省级节水灌溉示范项目需在8.6lhm2的耕地上全面实现节水灌溉。为此，项目组利用组态软件作为开发平台，研制出一种采用组态软件和控制模块相配合的节水灌溉远程自动控制系统。该系统结构简单、成本低、性能稳定，对灌区全面实现科学灌溉具有一定的借鉴作用。  

　　该系统由固定喷灌1区、2区，大棚滴灌1区、2区，露地微灌区，草坪喷灌1区、2区，低压管道输水灌溉l区、2区共9部分组成。采用滴灌、喷灌、微喷灌和低压管道输水灌溉4种灌溉方式：控制系统主要是利用计算机远程控制1台水泵、4台加压泵以及36个电磁阀。其中最远的电磁阀距离主控机房约1000m。

  一、网络结构

    传输系统采用总线式结构，所有的节点共享一个公共物理通道(总线)。这种结构的特点是网络不封闭，很容易加扩新节点，节点之间通过总线直接通信，速度较快；当某个节点出现故障时不会影响其他节点的正常工作，更不会导致系统瘫痪。但总线式结构对硬件的要求相对较高，因为总线式网络的各个节点都挂在一条总线亡，总线的负载很重。考虑到该系统传输的数据量相对较小，以及系统结构的可扩容性，故采用了总线式结构。

    一条485总线上挂接17个模块(11个继电器输出模块，6个数字量输入模块)，控制41台设备(水泵、加压泵、电磁阀)，如图1所示。  

二、硬件设计  

　图1　控制系统图

1．系统总线设计

  RS－85是RS－422A的变形，要使用专用的接收、发送芯片，芯片一般采用差分式接收和发送数据，提高了抗共模干扰的能力，因此传输距离可达1200m左右。

    RS-485扩展了RS-422A的性能，允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备。负载设备可以是接收器或收发器：RS-485每个通道要用两条信号线，如果其中一条是逻辑“1”状态，另一条是逻辑“O”状态。RS-485电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器儿部分组成。驱动器输出为±2～12V，接收器可检测的输入信号可低至2000mV。

2．通信介质的选择

    计算机的远程数据通信一般要采用调制解凋器，其传输介质本应使用专用的同轴通信电缆，也可使用双绞线、电话线和电力线。在实际使用中，可根据传输特性(包括其容量及传输频率)、连接性(点对点或单点对多点)、地域范围(网络上点与点之间的最大距离)、抗干扰性(介质对干扰的屏蔽能力)、成本(包括组件部分、安装和维修成本)几个方面对介质进行比较。

    双绞线可应用于点对点或单点对多点应用场合。双绞线容易与电磁场耦合，故对干扰和噪声十分敏感，可用金属编织物或护套来屏蔽双绞线，屏蔽后的双绞线可加强抗于扰能力。与其他介质相比，双绞线在距离、带宽和数据传输速率方面受到限制，低频传输其抗干扰能力可与同轴电缆相同；但当频率高于10～100kHz时，同轴电缆抗干扰能力就会优于双绞线。双绞线的优点在于较为便宜、安装成本低。因此，该系统采用屏蔽双绞线作为通信介质。

3．阻抗匹配

    信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象使信号扭曲，从而影响信号的远距离传送，因此必须采用电阻匹配的方法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般为110～130Ω。通常在传输线末端接120Ω的电阻，进行阻抗匹配。

4．系统硬件设计

    该系统需控制1个给水泵、4个加压泵以及36个电磁阀。为了工程的需要，在该系统中共采用11个继电器输出模块、6个数字量输入模块。由“数字量输入模块”采集输入数字量信号以获得灌溉信息，由“继电器输出模块”输出开关控制信号控制电磁阀以及泵的状态。每个继电器输出模块能输出4路信号如图2所示，而每个数字量输入模块能接收8路信号如图3所示。  

图2　输出控制信号

图3　输入报警（需水）信号

三、软件设计

    该系统采用了多线路技术、COm组件技术。系统运行期间，通过驱动程序和外部设备进行数据交换。每个驱动程序都是一个COm对象，这种方式使通信程序和前台软件构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统能够达到一个较大规模，系统软件框图如图4所示。

  1. 前台控制软件的设计  

　　前台控制软件由三部分组成：动画显示控制界面、报警显示界面、按键互锁。整个控制画面采用动画设计，用动画的方式显示整个系统的流程，方便直观。

    报警显示界面上标有36个电磁阀、1个给水泵和4个加压泵的位置。如有报警信号(需水信号)产生，报警显示界面就会提醒操作员进行操作。如果系统是在全自动方式下运行，则系统将自动发出控制信号打开相应的设备，开始(停止)灌溉，同时把设备打开(关闭)信息自动输入数据库。

    软件部分同时设计了整个系统的逻辑关系，按键互锁。如果要打开某个电磁阀灌溉，则相应的加压泵、水泵自动打开。反之，如果某个加压泵或水泵辖下的电磁阀已全部关闭了，则该加压泵或水泵也将自动关闭。

图4　软件框图

2. 通信模块的设计

    通过驱动程序和外部设备进行数据交换，每个驱动程序都是一个com对象。

3. 历史记录数据库的设计

    系统采用微软的Access数据库，使用微软的Odbc数据库引擎。所有设备的操作过程都自动输入数据库，并自动形成灌溉报表。

    数据库将自动记录下每个电磁阀的状态改变时间、日期、操作员姓名以及电磁阀的序号，为以后科学分析、科学灌溉提供依据。

  (作者单位：徐志斌、何迎春、马亚培为泰兴市农业技术推广中心，胡钢为河海大学计算机及信息工程学院)
    责任编辑　唐瑾