张海曙1周明耀2汤建熙3李浩良4徐坦4胡金南4（1.扬州大学工学院电气工程系，江苏扬州，2250092扬州大学水利与建筑工程学院水利水电系，江苏扬州，225009；3.江苏省水利厅，江苏南京，210029；4.锡山市水利农机局，江苏无锡，214041）11、基于AT89C51构成的现场控制单元及采用RS-485串行接口用作通讯总线，用于农田灌溉管道系统的监测与控制，实现了农田灌溉的自动化。
农田灌溉自动化是农业现代化的重要组成部分。实现农田灌溉用水管理的自动化不仅可以提高灌溉水的利用率，而且使作物得以精细灌溉，大幅度提高水分生产率。目前，我国的农田管道输水工程己逐步推广应用，但从应用现状看其自动化程度较低，大多是人工进行测量和控制，数据难以收集和管理，不利于实现灌溉用水的精确管理。针对农田管道输水工程自动化控制要求，本文采用集散型数据采集管理技术4，设计了一套农田灌溉管道工程自动化测控系统。通过现场总线，将各现场控制单元和更高层次的控制设备（如微型计算机）连接起来，各现场控制单元自成系统，能单独满足测控现场的工作需求，并且可以在上位机中统一组态，易于实现分散控制，提高整个控制系统的可靠性。
应用在无锡市安镇农业现代化示范区管道灌溉工程自动化测控中收到了很好的效果。
1农田灌溉管道工程自动化系统组成农田管道灌溉工程自动化测控系统由支管控制阀信号处理传输系统及泵站信号集中控制处理显示系统、农田水分采集传输处理系统、农田气候要素采集传输系统、管道工作参数采集传输系统等组成，均由现场控制单元控制。整个系统包括主控机现场控制单元农田水分吸力传感器、液位传感器农田水位传感器潜井水位测量仪、管道压力传感器、空气温度湿度传感器光照传感器、风速传感器气压传感器等。本系统实现对8个灌溉小区农作物生产水分状况进行监测和控制。采用了如所示的系统结构。在各个灌溉小区，各设一套基于AT89C51单片机的现场控制单元。对采集的数据进行存贮预处理，并控制现场闸阀（电动闸阀）和水泵动作。本系统吸收了现场总线的做法，将所有的现场单元挂接在RS- 485通信线上，利用RS-485通信距离长，抗干扰性能好的特点，实现对整个灌溉区域内控制设备的通讯和控制。通过RS-48通基金项目：水利部水利技术开发基金项目（S9753）；江苏省水利科技重点项目（9742）讯线路，上位机可以对各现场单元进行参数设置，数据传递，命令控制等。如上位机关闭或出故障，现场单元仍然可进行数据的采集存贮和显示，并接受管理人员的现场操作。
综上所述，该系统实质为一分散控制系统，各现场单元具有独立的数据采集，运算，控制功能，可以由上位机或由人工控制其各种动作。各种现场被测数据通过RS- 485通讯接口传送到上位机内完成显示、计算、数据图表编制、存盘等监控功能。
2管道节水灌溉自动化控制系统硬件结构考虑到该系统应用于农业现代化生产上的多用性和通用性。现场单元主要由AT89C51EEPROMA/D转换器、实时时钟芯片、开关量接口电路、RS485接口等组成。能够实现与上位机的通讯与控制。全部电路均装于一个机箱内，结构紧凑，灵活通用。
本系统监测的参数为泵站进水池水位、泵站出水管压力、田间水层深度、地下水位埋藏深度、土壤水分吸力、排水沟水位、农田气候。系统通道分为2个泵站设计水位通道、管道流量通道、排水沟水位通道、田间水位通道、田间土壤水分吸力通道、空气温度通道、空气湿度通道、光照通道、风速通道、气压通道。以上模拟输入量，经信号调理电路转换为0~5V电量，提供给现场单元。
3现场控制单元现场控制单元分别有两个：一个是泵站进水池水位泵站出水管压力监测；另一个是田间水层深度，地下水位埋藏深度，土壤水分吸力、排水沟水位、空气温度、空气湿度、光照强度、2m高度处风速以及大气压监测。下位机的硬件结构框图如。主要功能模块为：EEPROM程序存储器的单片微机，其核心部件是一个8位高性能中央处理器CPU.控制单片机的各个部件具体完成指定的操作，它由8位运算器ALU布尔处理器定时、控制部件和若干寄存器等组成。
数据采集模块。由带多路开关的A/D转换器及信号调理电路组成。信号由传感器供给。A/D转换器选用TLC2543，具有11个模拟输入通道，分辨率12bit，转换时间为10s，内含米样与保持器，三线制串行输出。
存储器模块。由于农田灌溉用水管理系统需要大量的数据，数据的存储也就成了一个比较重要的问题，为了长久地保存数据，简化硬件电路，选用ATMEL公司的AT24C01和AT24C256芯片作为外部数据存储器，AT24C01（128字节）用来存储下位机号和参数的整定值。AT24C256（32KB字节）用来存储数据。这两种芯片属于AT24XXXX系列二线制"C串行EEPROM芯片，是一种采用CMOS工艺制成的8个引脚的串行可电擦除及编程的存储器，擦除写入寿命达到10万次以上。
片内写入的数据保存寿命达10a以上，采用单一电源+ 5V.低功耗工作电流1mA备用状态时只有10MA，三态输出，与TTL电平兼容。
输出控制模块。阀门的打开关闭通过继电器来控制，采用PNP达林顿复合管作为继电器的驱动电路（见），由CPU输出的开关信号驱动相应的微型继电器控制水泵、闸阀、闸门等灌排执行机构。
键盘和显示接口。键盘和显示部分可以实现人机对话和各种参数的输入以及各测量点的测试值、设备号的设置。显示部分采用LED数码管来显示各种参数。键盘由4个按键组成，分别实现阀门打开、阀门关闭、功能选择和参数的输入。
供。
通信接口。与上位机的通信采用RS-48装口来实现。RS-485适用于收发双方共用一对线路的半双工通信或在多个节点（站）之间共用。RS- 485示准允许网络中*多连接32个节点，但由于分时共用一对通信线，因此在任何时刻都只允许一个发送器发送数据，线路上连接的其它发送器都必须脱离总线即进入高阻态。该种方式非常适用于实时性要求不高的农田灌溉用水管理数据的通讯，对于中小型灌区其通信距离及数据传输速率均可满足使用要求。
4上位机系统软件设计本测控系统是一套分散监测控制的计算机测控系统，以Pentium及以上的高档微机作为上位机。在本系统中上位机程序制作选择了VISUALBASIC6.0作为开发环境。系统软件主要由以下几部分组成：主控程序，预置参数子程序，数据处理子程序，闭环控制子程序，数据显示子程序。主控程序运行环境为Windows95/98.主控程序为图形界面，能够显示被控田块图形；预置参数子程序有两个功能：其一是实现下位机初始数据的输入及变更，输入及修改控制域值。该系统将对10个支管控制区每种作物不同生育阶段设置田间水深，地下水位埋深、土壤水分吸力、排水沟水位等控制域值。
其二是开机时间的设定及修改；数据处理子程序也有两个功能：计算作物需水量土壤含水量灌溉需水量和控制地下水位埋深；闭环控制子程序：本系统对监控农田所输入的数据是相互独立的。实测值与相应时段内的域值比较，达到上、下限时被控执行机构执行相应动作，8个区域设定的控制域值和执行机构均独立工作，互不影响。灌溉泵站还设有过载、过流过压以及温度保护装置，并在超限时报警。各控制量分别为：进水池出水管管道压力、田间水息田间地下水位埋深农田土壤水分吸力、排水沟水位空气温度、湿度。
农田灌溉管道工程自动化测控系统经调试、安装及使用，结果表明该系统性能良好、可靠稳定操作方便，能够满足农田灌溉用水精确管理的需要。该系统同样适用于设施农业的环境监控。