畢業設計（**）
開題報告
題目現代化農業設施節水灌溉控制系統的設計
附頁：現代化農業設施節水灌溉控制系統設計可行性方案分析
1 研究背景
我國傳統的灌溉方法是採用大水漫灌，它是一種是作物分布區域的土壤含水量達到飽和，然後逐步下滲補給下層土壤，確保作物根系對水分的需求，通常稱為灌溉土壤。其水分利用率僅20%~30%，使植物根系處於其理想的水、氣組合條件的時間僅有40%~50%。灌溉是為了植物生長，節水灌溉是為了提高作物產量和水分利用率，克服灌溉土壤的不足之處。
所以，在20世紀90年代，國際上提出了灌溉植物的新概念，其主要內涵：一是把灌溉的水分盡可能地被植物利用，二是通過灌溉確保植物根系盡可能的處於最適宜的土壤濕度範圍內，三是借助灌溉手段，調節土壤水、肥、氣、熱等四大要素，使其達到優化組合，並使土壤肥力達到極大值。灌溉植物的方法是以多次少量的灌溉，能夠確保植物根系周圍95%以上的時間處於最理想的環境中，水分利用率可達70%~80%。
灌溉植物概念的提出，改變了我們傳統的灌溉思想，是節水灌溉技術發展的重要理論基礎，也是我國南方水資源較為優越的地區同樣必須實行節水灌溉的理論依據。
提高水資源利用率，實現精細灌溉、適時灌溉，發展高效農業，其中重中之重是應用遙感、遙測監測土壤墒情和作物生長等新技術，對灌區灌溉用水進行監測預報，實現水管理的自動遙控，對灌區實行動態管理，實施節水灌溉智慧型化管理。我國農業節水灌溉自動化研究正處於起步階段，目前主要依靠人工測量和控制，侷限於節水灌溉單項技術的推廣和應用，技術整合和自動化水平較低，不利於用水的精細管理和合理化灌溉，尤其是福建省在這方面的研究還是空白。由於各地的實際情況（氣象、土壤、作物）有差別，不能採取同一套決策軟體對水資源進行優化排程和實時灌溉，有必要根據當地的實際情況進行研發。
隨著計算機技術、通訊技術和自動控制技術的迅速發展，以及各種智慧型儀表的大量湧現，各種農業生產過程的自動化水平得到了很大的提高。特別是各種智慧型測量，控制儀表和高可靠性可程式設計控制器plc出現以後，設計者可以根據具體的控制要求，選擇合適的儀表殼控制單元進行系統整合。這樣，系統的設計開發才能周期短，可靠性高，成本低。
為此，研發了由「大棚節水灌溉自動化控制系統」、「大田節水灌溉自動化控制系統」、「作物栽培專家諮詢系統」3個子系統組成的節水灌溉自動化控制系統，並應用於福建省莆田涵江區顯應現代生態農業基地。
2 主要內容
綜合農作物的生長過程對外部環境的主要要求，採用科學控制方法且具備廣
泛用途的節水灌溉系統，是節水灌溉科學實施的核心問題。基於此，本課題的主要內容是研製開發適合我國國情的、低成本、易推廣的、主要應用於溫室大棚的節水灌溉自動控制系統，為實現我國農業高效節水灌溉提供技術裝備。
由於不同農作物有不同的需水特性，灌水時間、灌水量既影響農產品的產量，也影響農產品的質量，因此，設施農業的高效節水灌溉自動控制技術主要是向適時適量、按需灌溉的方向發展。所以，本課題的研究主要包括兩個方面，一是測，即獲取土壤水分資訊，並根據土壤水分資訊及作物需水特性來決定灌溉時間與灌溉量的多少。這將擺脫以往僅憑經驗灌溉的灌溉模式，使作物灌溉決策建立在科學的基礎之上；二是控，要研究如何根據土壤條件、土壤水分資訊及作物需水特性進行合理的灌溉決策，即將傳統的憑經驗由人工手動閥門控制灌溉方式改為自動進行適時適量、按需精確灌溉控制，從而達到提高水的利用率、優質高產、節省大量人力，實現高效農業的目的。
3 設計方案
節水灌溉自動控制系統的研究方案是將感測技術與微控制器控制相結合，設計乙個簡單、低成本、易推廣的控制系統，能夠實時檢測土壤及作物的一些灌溉控制引數，根據檢測結果按需、精確灌溉，到達高效節水、優質高產的目的。整個控制系統主要應該有四個模組：檢測模組、資料處理模組、顯示模組及控制模組。
4 技術路線
本系統通過感測器接受輸入訊號（溫度、濕度），然後對所採集的資料進行
比較分析後，微控制器控制系統發出是否灌水的指令。系統根據指令來啟動電機，實現節水灌溉的自動執行。
5 關鍵問題
（1）引數的測量
不同的作物對水分的需求量是不一樣的。按需、精準灌溉就是要根據作物的需水特性來控制灌溉量，使土壤的含水量能剛好達到作物的需求。這樣做的目的不僅僅是節水，還能夠促使作物更好的生長，達到優質高產。
因為對作物來說，土壤含水量並不是越多越好，對某些作物來說，水分太多反而會抑制生長，適量的水分對作物的生長才是最有益的。
要實現按需、精確灌溉，土壤水分是必須測量的最主要的引數。水分是天然土壤的乙個重要組成部分，它不僅影響土壤的物理性質，制約著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，是構成土壤肥力的乙個重要因素，而且它本身更是一切植物賴以生存的基本條件。準確及時測定土壤水分含量有利於研究和了解土壤水分動態變化規律和空間立體分布；同時，掌握不同作物在同一時期對土壤水分含量的不同要求，同一作物在不同時期對土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對作物產量的影響，這在理論和生產上都有著重要的意義，例如，進行耕耘、灌溉、施肥等各種農業措施時，通常都需要考慮土壤水分狀況，特別是在進行灌溉、排水規劃設計時，更需要掌握土壤水分的狀況及其動態。
能夠準確及時地測定出土壤水分含量，對適時適量地進行灌溉和排水有著重要作用。此外，土壤中過多的有害物質也靠水的淡化來排除。由以上的分析可以看出，對作物生長來說土壤水分是所有引數中最重要的，是必須測量的。
（2）感測器的數量
針對土壤情況不同，需要的感測器數量是不一樣的。有的土壤一致性好，只需乙個感測器測量土壤墒情就可，但有的土壤一致性差，就需要多支感測器來測量土壤墒情。同時，土壤的面積有大有小，也決定了需要不同數量的感測器。
因此，控制系統在設計時要配備多支感測器。而且，配備多支感測器也能增強控制系統功能，能夠同時控制不同作物的灌溉。但是，感測器的數量也不能太多，感測器太多也會增加控制系統的成本。
在控制系統設計時要綜合考慮所需配備的感測器數量。
（3）作物缺水判斷
不同的作物對水分的需求是不同的；周圍環境不同，作物的需水量也會有所不同；即使同一作物，在不同生長階段對水分的需求也不同。我國的作物有幾千種，不同的作物有不同的缺水狀況；我國面積廣大，氣候條件變化無常。怎樣才能使控制系統適應不同的作物，在不同氣候條件和不同季節都能實現按需灌溉，這是控制系統通用性設計最主要要解決的問題。
如果解決不好，控制系統也就失去了其推廣的意義。
（4）灌溉控制方式
目前我國各個設施農業中灌溉系統的水狀況不一樣，有的採用電機控制水流、有的採用水幫浦加壓後才能進行灌溉，有的採用電磁閥代替閥門控制水流灌溉。因此，控制系統在設計時要考慮到控制訊號的通用性，既能控制電機、水幫浦，又能控制電磁閥。
我國面積廣大，土壤種類很多，不同的土質滲水能力不一樣，比如砂土，滲水能力很強，水分能夠很快地滲入作物根部，水分感測器能及時的測出灌溉後的土壤含水量；而粘土滲水能力較弱，灌溉後水分堆積在地表層，要經過一段時間才能滲到作物根部，水分感測器就不能及時正確測出土壤水分含量，就會導致澆水過多，浪費水資源。因此，要提高控制系統的通用性，在設計時就要考慮如何控制系統的灌溉控制滿足不同土壤的需求。
6 時間安排
（1） 2010.2.20—2010.3.20實習期間，熟悉現場，了解裝置。
（2） 2010.3.20—2010.4.1搜尋資料，完成開題報告。
（3） 2010.4.1—2010.4.20硬體除錯，排除故障直至滿足設計要求。
（4） 2010.4.20—2010.5.10軟體除錯，排除故障直至滿足設計要求。
（5） 2010.5.10—2010.5.30整理資料，按要求撰寫**，完成初稿。
（6） 2010.6**整定，**最終定稿，準備答辯。
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