节水灌溉智能远程监控系统设计与实现.pdf

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1、!#$%#&#%!$&#($)%*#+,$%-!#$!%$!摘要!设计出一种智能化农田节水灌溉系统系统控制采用三级结构#上位机$服务器中心和客户机系统以组态软件和!#$%&()*+,为软件开发平台%通过分析大量灌溉资料%利用模糊理论实现最优化供水量计算%并通过-./*网对农田下位机远程控制各种方式的灌溉 该系统在江苏某市运行一年来%稳定可靠%节水效果明显%实现灌区智能化$信息化和水资源优化配置关键词!智能&远程监控&节水灌溉中图分类号!#$文献标识码!文章编号!%&$()*+)&+(&,&-+&-节水灌溉智能远程监控系统设计与实现胡 钢#徐绪堪!#任 萍$%&河海大学常州校区科技与国际合作部#

2、江苏 常州!$!&!&河海大学常州校区信息管理系#江苏 常州!$!($&河海大学常州校区计算机信息学院#江苏 常州!$!)作者简介!胡钢)*+,-(%男%教授%硕士生导师&主要研究控制系统与通信在经济高速发展的同时%我国淡水资源缺乏的问题日益突出%尤其是农业灌溉%最好的解决方法是最大限度地实施节水 对于目前我国农田水利的灌溉%大多采用决策者的主观经验进行灌水%由于决策者的判断难以避免主观性和片面性%致使水的浪费 为了解决以上问题%设计出智能化农田节水灌溉系统%采用三级控制结构%借助模糊理论%利用组态软件和./0123 455进行软件开发%采用6789网进行灌区*下位机(和控制中心无线数据传输和

3、远程控制%实现灌区智能化+信息化和水资源优化配置灌区自动化管理系统是以信息为基础%运用各种高新科技手段%对灌区水资源相关各类信息进行实时采集$传输及处理%以现代农田灌溉用水管理理论为理论基础%以计算机技术$信息处理为依托%对农田灌溉水资源进行实时优化配置$调动%以远程控制及自动化技术$通讯技术为手段%对灌区的灌溉工程设施进行远程控制操作和实时监测各相关工程设施的运行状况%保证了整个系统的实时性和可靠性!智能化农田节水灌溉系统总体结构智能化农田节水灌溉系统主要实时采集田间水位和某段时期降雨量数据%通过下位机把数据传送到中央级控制中心%结合该灌区近+:年灌溉资料%基于模糊理论的分析方法%通过后台信

4、息处理软件计算出最佳供水量%最后远程控制前台灌溉泵%实现灌区智能化%并提高单方水的最大效益本控制系统是由计算机远程控制水泵和阀门%同时对多台仪表进行数据采集%并做相应的处理 为确保系统通信的正常运行%系统采用由控制主机$89:;,+通讯线$现场控制单元$传感器构成的具有三级结构的集散型控制系统*?A?传输至远程控制系统整个节水灌溉系统从功能上可分为!前台采集控制子系统$模糊理论决策子系统和数据库管理子系统三大系统&包括的模块主要有!泵站控制模块$闸门控制模块$雨量采集模块$稻田水分!,排灌机械第!卷 第期水位采集模块!关键设备检测模块!数据库查询模块!通信模块!模糊理论决策模块等等#系统总体功

5、能结构图如图!所示$前台采集控制系统主要放在田间的下位机中后台数据处理系统主要放在客户机中$图!系统总体功能结构图!前台采集控制系统节水灌溉前台采集控制系统采用组态软件设计节水灌溉现场控制中心#$%包括查看水位曲线%雨量!水流量以及操作日志可以直接远程控制水泵和每个电磁阀&共有&个$该控制界面均采用动画设计 用动画方式显示整个系统流程$如图所示界面上的数码表可以实时显示各种数据使操作管理员随时了解控区范围内的情况$当硬件发生损坏或其它异常情况时系统还会自动报警提醒操作管理员迅速采取相应的措施#!%$图节水灌溉前台采集控制系统界面图后台数据处理子系统在前台采集控制系统采集到实时水位和雨量数据后接

6、下来的任务就由后台数据处理子系统来完成 包括通过数据网和()*+模块把数据传送到后台数据库中 利用,-./01 23+45 6&设计相应数据处理程序可以看到各种采集变量的历史曲线图%实时数据%阀门状态以及各种数据通信#%$#$通信模块设计通信模块采用()*+硬件模块和登录()*+网#$%获得移动内网给其分配的4)地址及动态端口然后向中心服务器进行75)84)连接连接建立成功后下位机与中心服务器或者中心服务器与客户机开始数据通信$通信方式采用双方确认的校验机制完成数据接收和发送#9%$协议格式定义如下6&$日常农田水利信息帧头$:农田水利信息:校验和&!查询控制信息帧头!:查询控制信息:校验和&

7、控制反馈信息帧头:控制反馈信息:校验和&9控制信息帧头9:控制信息:校验和&;反馈确认信息帧头;:反馈确认信息:校验和为了方便识别信息类别和数据接收处理各种信息协议的帧头各不相同 占用$个字节校验和采用!个字节 其它是用来存放传送的数据$例如以下代码为读取阀门状态命令$4?A B CD=E0FG01GEHC 7IEJK发读取阀门状态命令4E=$6QJ0R1EF B 7=/EQ1.E 401HCQJF 4QJF 4QJF 4EN/B&LJJ6VZEJ6所有对设备的操作和采集各种数据都自动记入数据库U以便查询和决策控制#如图9所示为流量历史记录查询#?!?#?#?$%&?()?*+?胡 钢 等(节

8、水灌溉智能远程监控系统设计与实现!)!#$%#&#%!$&#($)%*#+,$%-!#$!%$!图!流量历史记录查询!模糊控制决策子系统为了更加有效地利用水资源!提高水利用效率!本系统在计算水稻最佳供水量时借助模糊理论!模仿人的探索式判定规则方法!分析以往的灌溉经验!利用模糊理论建立智能节水灌溉模型!该模型是非线性的!也摆脱了固定的数学模型缺点!具备一定的经验知识 首先要充分分析历年该灌区水稻耗水量#降雨量等数据!建立田间水位#降雨量和水稻生长期三个隶属函数表&#!形成经验知识库$规则库%为了方便维护和修改!本系统将该规则库和隶属函数表存放到数据库中存取 将水稻生长日期#田间水位和某段时期降雨

9、量前台控制系统采集实时数据作为输入量!得到模糊控制器的输入变量!根据模糊理论取大取小计算原则等模糊理论的方法!依照建立好的规则库!进行模糊推理和判断!最后将处理结果进行去模糊化处理!就可得到水稻实际需要的最佳供水量!并将数据直接存放到前台控制系统的数据库中#!方便前台远程控制 模糊控制决策子系统处理流程图如图$所示图模糊控制决策子系统处理流程图规则库建立是模糊控制器核心 由于模糊控制器中是三输入单输出的结构!所以采用多重复合模糊条件语句 即!如果$条件%和$条件!%和$条件&%则$结果%!否则如果$条件%和$条件%和$条件(%则$结果)%!&!否则如果$条件*+%和$条件*!%和$条件*&%则

10、$结果,%需要的供水量结果用模糊集-大!中!小.表示(#!如表)所示!/表示水稻需要的供水量!0表示降雨量!1表示田间水位表#节水灌溉模糊控制规则表用!表示每一条规则模糊乘的结果!例如!23#小4*5!小678*$小!%!9&小!小$小最后利用模糊和计算最后的规则!%9!%!%!&!%:其结果为%&行%&列的矩阵!为推理和决策提供有利依据例如!从田间采集实时数据!当前日期为;月)日!该时期降雨量&为,!与该时期最佳供水量&?:,非常接近 前台控制系统便控制供水量为&=,结束语节水灌溉智能远程监控系统运行一年来!节水效果良好 而且系统结构简单#操作和维护方便#系统性能稳定#节水效果明显 可为现代

11、农业可持续发展提供有利支持和保障参考文献!+#江冰!宋培卿=节水灌溉远程控制系统的设计与实现#=计算机工程A)BBC$B%(+:+?+:=#徐绪堪!邓建高等=一种D8E信息系统质量模糊评价模型的构建#=计算机科学ABB($FG%H+IB?+I)=C#李春葆A张植民编著=J2KL4M N4K2O数据库系统设计与开发P#=北京(清华大学出版社=(#胡钢!沈波等=南通市三联灌区节水灌溉自动控制系统研制#=水利水科学进展A!BB($(%&?&;=:#张晓光A宋继荣A林家骏=节水灌溉的模糊控制#=自动化仪表A!BB!Q+RH$?;%=;#刘普寅A吴孟达=模糊理论及其应用P#=长沙H国防科技大学出版社A)

12、BBB=#胡钢!张学武=S/0T网金融/UT系统通信协议及软件研究#=计算机工程与设计A)BBIQRH%)I?%);=Q下转第!页R#$%$&负大#()负小*#+)中*#,)正小*#!)正大*#-)小*&()大*%,)大*%,)大*%,)中*%+)中*%+)中*&+)大*%,)大*%,)中*%+)中*%+)小*%()大*&,)中*%+)中*%+)中*%+)小*%()小*%()?!?#$%&()?*+,-./%?01!#$%#&#%!$&#($)%*#+,$%-!#$!%$!#$%&()*+%,-./0+1*0)*0&2 3#45 6.0&!#$%&()#$%&%()%*%+,-.%$.$+/0

13、$.1,2,(*3$4$2,56$7 8,65+*9#$%&%+:;78-*9:;01?,(1+2*%($2$.7?%.5,A$?,B 565 C7+7%,971%C 5+5$?5,%7C,7 71+7 71$D7?+2%B7+/$BB%.$.*/$4%+7%,%565 C7+7%,%C 6+%?$+C,C,B A+C7$E-5$/?$(2+7%(6$71,/.+?$C,24$D7?+2%B79F7 71$BB%.$.*/$4%+7%,%C+5?,F2$6 71+7$/C 7,F$?$C,24$/,AE!G65-+4$HE;C,B7A+?$.+?$C,24$+F,4$5?,F2$6E01$C,

14、B7A+?$.+/$7$?6%$71$2,A$C7$2$.7?%.5,A$?5$?7,A+7$?%71$565 C7+7%,+/(%4$,7+,57%6%I%(?6$71$/E JC5$.%+22*C,6$&/($6$7 6$71,/C+?$(%4$%71$5+5$?7,$?(*KC+4&%(A,?L,B 565 C7+7%,E 01$5,CC%F%2%7*,B$C7+F2%C1%($?(*KC+4%(.?%7$?%,%C C7/%$/+2C,E-;G65 C7+7%,M J$?(*KC+4%(M 8?%7$?%,M JD7?+2%B7M JBB%.$.*/$4%+7%,!上接第(页?)-0+

15、9)-).*AB&2.C#D#E.*3#45 F0B 1&)G).*?*0/)*+,%-.!/0 1)&2%(-.34+5()&-)N+81$(O+7$?P$C,?.$3$C%(+/-?4$*P$C$+?.1 QC7%77$9 N+81$(!=;!9 81%+78-*.:H R.,?/%(7,71$2,($?,5$?+7%,/?+7%,%2,A 2%B7 1$+/,5$?+7%(.,/%7%,+/71$C7$5.1+($,B 565 C7+7%,#C 2%B7 1$+/%?$.$7 S+%P%4$?#C A+7$?A+*$(%$?%(,B,.$+,7B+229 71$?$)C$+?.1,565

16、#C C7?.7?$C$2$.7%,1+C F$6+/$9+/+$A L%/,B 7F2+?565%7 A%71.,$($+?/?%4$A+C/$4$2,5$/B%?C72*9 A1%.1 1+C F$C.$CCB22*+552%$/7,5?+.7%.+2$(%$?%(E O%71 C%652$C7?.)7?$9.,4$%$7 6+%7$+.$+/1%(1$BB%.%$.*9 71%C L%/,B 6+.1%$/$C$?4$C C5?$+/%(E-;8,$($+?/?%4$9 0F2+?5659 S+%P%4$?#C A+7$?A+*$(%$?%(,B,.$+,7B+22上接第*页I&45*)

17、B)-0/)3&-(/9E#90&0 F9)*69/0+J*0+90&3*&K):654/0,)7:9 38!%&9)-!:5+;%-!:E#$%&%(T%4$?C%7*UB 0$.1,2,(*9#$%&%(:;!9 81%+M!E 81%+Q?%(+7%,V 3?+%+($3$4$2,56$7 8$7$?9#$%&%(:;WH9 81%+L8-*9:;01$5,C7$4+2+7%,A,?L%A+7$?C+4%(%?%(+7%,5?,&$.7%C 6.1 2+7$%,?.,7?*9 5+?7%.&2+?2*71$C*C7$6+7%.?$C$+?.1,B%7C 71$,?*+/6$71,/%C

18、C7%22%F2+LE X+L%(C$,B.$?7+%6$71,/7,$4+2&+7$71$A+7$?C+4%(%?%(+7%,5?,&$.79+.,65?$1$C%4$4+2+7%,4+2$.+F$27%6+7$2*/?+A B,?$4+2&+7%,+/.,65+?%C,E01%C 5+5$?+/4+.$/71$%/$D C*71$C%C 6$71,/A%71 627%KC7+($9627%K,F&$.7%4$+/71$C.$CCB2/$(?$6$71,/7,(+%+.,65?$1$C%4$5,C7$4+2+7%,E01%C 6$71,/%C C%652$7,C$9+/.+?$B2$.7 7

19、1$+.7+2.,/%7%,B$+.1 5?,&$.79+/6+L$71$.,65?$1$C%4$5,C7$4+2+7%,%71%CB%$2/($?+2%I$/+C C,+C 5,CC%F2$E-;O+7$?C+4%(%?%(+7%,M 8,65?$1$C%4$5,C7$4+2+7%,上接第HY页?)-0+9 J45E)4)90&2 J)EE0+):)4&)I&*&E6%-)4 2&*F9)*69/0+J*0+90&58 0(-4/?)-L8-*9:$01$C*C7$6/$C%($/%C+F2$7,.,7?,2%?%(+7%,A%71%7$22%($.$+.,?/%(7,$4%?,6$7#C.

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