Comment construire un système IoT de surveillance environnementale et d'irrigation automatique

Réponse courte

Commencez par la décision que le système doit prendre

L'objectif d'un système de surveillance de l'irrigation n'est pas simplement de recueillir plus de données. Le système devrait aider à décider quand irriguer, quelle zone a besoin d'eau, si l'eau est disponible, si la pompe fonctionne correctement et si les conditions météorologiques justifient un retard ou un arrêt de l'irrigation.

Pour cela, il faut combiner plusieurs types d'informations plutôt que de compter sur une seule valeur de capteur.

Couches de mesure de base

Architecture du système

Une architecture pratique est : les capteurs se connectent par RS485 Modbus RTU, entrées analogiques ou DI à une passerelle de champ. La passerelle télécharge les données via 4G/Ethernet vers une plateforme cloud ou fournit Modbus TCP/OPC UA vers PLC/SCADA. La couche de commande utilise ensuite des relais, des sorties PLC ou des contrôleurs de vannes pour faire fonctionner l'équipement d'irrigation.

Pour les fermes hors réseau, la passerelle et les capteurs peuvent être alimentés par un panneau solaire, un régulateur de charge et un système de batterie. Le budget de puissance doit inclure tous les capteurs, le courant de pointe de la passerelle, les pics de transmission du modem et l'équipement de commande.

Pourquoi l'humidité du sol ne devrait pas être la seule entrée

Une lecture faible de l'humidité du sol peut justifier l'irrigation, mais les précipitations récentes, les précipitations prévues, le débit d'irrigation, le niveau d'eau ou une pompe défaillante peuvent modifier la décision. Une station météorologique fournit un contexte, tandis que l'écoulement ou la pression confirme que l'irrigation commandée a effectivement eu lieu. C'est la différence entre une alarme de capteur et un système de contrôle d'irrigation complet.

Le positionnement du capteur fait partie de la stratégie de contrôle

Un champ peut contenir différentes textures du sol, pentes, âges des cultures et zones d'irrigation. Les capteurs devraient représenter ces zones de gestion. Pour les cultures à racines profondes, plusieurs profondeurs peuvent révéler si l'eau ne fait que moudre la surface ou atteindre la zone racine active. Un système automatique construit sur des capteurs mal placés peut toujours être erroné même si chaque capteur est précis.

Connexion de plusieurs capteurs à la passerelle

RS485 Modbus est utile car de nombreux capteurs peuvent partager un bus de communication. Donnez à chaque appareil une adresse unique Modbus et utilisez des paramètres de série compatibles. Un capteur météorologique peut fournir plusieurs paramètres sous une seule adresse, tandis que les sondes de sol, de niveau et de qualité de l'eau utilisent leurs propres adresses. Pour les réseaux plus longs, utiliser le câblage de bus approprié et évaluer la chute de tension séparément de la distance de communication.

Sélection de passerelles pour les projets d'irrigation

Un simple site de sol et de temps peut seulement nécessiter un RS485 RTU plus 4G. Un système qui lit aussi 4-20m Un transmetteur de pression, l'état de la pompe et la tension de la batterie ont besoin de canaux analogiques et DI. Un projet de recherche ou de télédétection peut nécessiter un stockage local. A PLC/SCADA projet peut exiger Modbus TCP ou OPC UA. Sélectionnez la passerelle dans la liste complète des E/S et du système hôte.

Commande de la pompe et de la soupape

Une passerelle avec relais ou sortie numérique peut participer au contrôle de la pompe ou de la valve. Par exemple, un seuil de niveau d'eau ou d'humidité du sol peut déclencher un état de relais. Cependant, les contacts de relais de passerelle devraient être traités comme des signaux de commande, et non comme des sorties de puissance directes pour les grands moteurs. Les pompes nécessitent normalement des contacteurs, une protection du moteur et des interlocks électriques conçus pour la charge.

Les systèmes d'irrigation critiques devraient également comprendre une emprise manuelle et une logique de sécurité. La connectivité Cloud ne devrait pas être la seule façon d'arrêter une pompe dans un état dangereux.

Alarmes multiniveaux

Les plateformes de surveillance peuvent utiliser plusieurs seuils pour le même paramètre. Un système de niveau d'eau peut générer des avis, des avertissements et des états critiques à différents niveaux. Une logique similaire peut être appliquée à l'humidité du sol, à la pression, à l'EC ou à la tension de la batterie. Le seuil exact devrait être défini par l'agronome, l'exploitant ou l'ingénieur de projet; le fabricant de capteurs ne devrait pas inventer de limites agronomiques universelles pour chaque culture et sol.

Plateforme Cloud, serveur du client ou SCADA ?

Les plateformes cloud sont pratiques pour les cartes, les tableaux de bord, les alertes email/app, les tendances historiques et la gestion multi-site. Un serveur du client peut préférer MQTT ou HTTP JSON. Les fermes industrielles ou les services publics d'eau peuvent déjà utiliser PLC/SCADA et préférer Modbus TCP ou OPC UA. L'architecture de surveillance devrait s'adapter au système client plutôt que de forcer chaque projet sur un seul cloud.

Opération hors ligne

Les liens de communication agricole peuvent ne pas être fiables. La passerelle devrait continuer l'échantillonnage lorsque le réseau mobile ou le serveur du client est temporairement indisponible si le projet nécessite une continuité des données. Store-and-forward permet le téléchargement des enregistrements manqués après la récupération de la communication. L'automatisation locale qui est essentielle à la sécurité ou à la culture ne devrait pas dépendre exclusivement d'un voyage aller-retour en cloud.

Exemple 1: Irrigation de précision pour un champ

Un projet de terrain représentatif peut utiliser des capteurs d'humidité/température du sol à plusieurs profondeurs, une station météorologique, un pluviomètre et une mesure de la pression/du débit d'irrigation. Une passerelle 4G recueille les données et les télécharge sur la plateforme. Les zones d'irrigation sont contrôlées en fonction de l'humidité de la zone racine, des précipitations récentes et de l'état opérationnel. La plateforme enregistre les tendances et avertit l'opérateur lorsque les valeurs ou l'état de l'équipement deviennent anormaux.

Exemple 2 : Fertigation au drip Surveillance

Un système de fertigation peut ajouter des mesures de CE et de pH à proximité du point d'injection de la pompe ou de l'engrais et une autre mesure de CE à l'extrémité de la conduite d'égouttage. Les longs cycles de câbles doivent tenir compte à la fois de la communication RS485 et de la chute de tension. Si le point distant n'a pas d'alimentation locale, la taille du conducteur du câble et la tension d'alimentation font partie de la conception du capteur plutôt que d'une réflexion séparée.

Exemple 3: Interface eau/réservoir + irrigation

Lorsque l'irrigation dépend d'un réservoir, d'une rivière ou d'un réservoir, le niveau et le débit de l'eau peuvent être intégrés aux données météorologiques et sur le sol. La même architecture peut déclencher des alarmes d'eau à plusieurs niveaux, protéger les pompes de la circulation à sec et fournir des enregistrements historiques d'utilisation de l'eau. La télémétrie à distance peut être 4G, Ethernet ou une autre méthode de communication spécifique au projet.

Liste de contrôle de mise en service

1. Définir les zones d'irrigation et la question de gestion pour chaque emplacement du capteur.
2. Créez la liste complète des E/S et le budget de puissance du capteur/actuateur.
3. Assigner les adresses RS485 et vérifier chaque capteur avant la connexion du bus.
4. Confirmer le chemin de protocole de passerelle vers le cloud, le serveur du client ou SCADA.
5. Vérifier les unités d'ingénierie, l'échelle et les chronomètres.
6. Contrôle de la pompe d'essai/valve par des interfaces électriques appropriées et des dispositifs de verrouillage de sécurité.
7. Tester les alarmes à plusieurs seuils et confirmer les règles de réception/action.
8. Simuler la perte de réseau et confirmer l'enregistrement local ou le comportement de contrôle local sûr.
9. Vérifier le dépassement manuel et documenter qui détient les décisions relatives au seuil d'irrigation.
10. Enregistrez le câblage final, les adresses, le firmware et la configuration de la plateforme pour la maintenance.

Pourquoi les systèmes complets produisent de meilleures données Par rapport aux capteurs isolés

Une valeur de capteur devient plus utile lorsqu'elle peut être comparée à des mesures et des événements opérationnels connexes. L'humidité du sol peut être comparée aux précipitations et au débit d'irrigation; l'eau EC peut être comparée entre la pompe et l'extrémité du champ; une commande de pompe peut être comparée à l'état et à la pression de la pompe. Ce recoupement améliore la détection des défauts et aide les opérateurs à comprendre si la réponse du système correspond réellement à l'action d'irrigation prévue.

FAQ

Q1. Quels capteurs sont nécessaires pour un système d'irrigation automatique?

A1. Le minimum dépend de l'objectif de contrôle, mais les intrants courants comprennent l'humidité du sol, les conditions météorologiques et les précipitations et l'état du matériel d'irrigation. Le débit, la pression, le niveau d'eau, la CE et le pH peuvent ajouter un contexte opérationnel important.

Q2. Plusieurs capteurs de sol et de météo peuvent-ils se connecter à une passerelle IoT?

A2. Oui. Plusieurs capteurs RS485 Modbus peuvent partager un bus lorsque les adresses et les paramètres de série sont configurés correctement.

Q3. Une passerelle IoT peut-elle contrôler une pompe à eau?

A3. Une passerelle avec relais/DO peut fournir un signal de commande, mais les grandes pompes nécessitent normalement un contacteur, une protection et une conception appropriée de la commande électrique.

Q4. Peut J'ai mis plusieurs alarmes de niveau d'eau ou de sol-humidité ?

R4. Oui. Les seuils à plusieurs niveaux sont généralement appliqués dans la plateforme de surveillance ou le système de contrôle.

Q5. Le fabricant de capteurs devrait-il définir des seuils d'irrigation?

R5. Pas universellement. Les seuils dépendent de la culture, du sol, de la profondeur des racines, de la méthode d'irrigation et des objectifs de gestion et devraient être définis avec une expertise agronomique/projet.

Q6. Le système peut-il fonctionner sans Internet?

A6. La passerelle de terrain peut poursuivre l'acquisition locale si elle est conçue pour elle, et le contrôle local peut être mis en œuvre indépendamment. Les tableaux de bord en cloud nécessitent évidemment une communication pour recevoir de nouvelles données.

Q7. Quel protocole une passerelle d'irrigation devrait-elle utiliser?

A7. MQTT/HTTP sont courants pour les serveurs cloud ou clients; Modbus TCP/OPC UA sont courants pour PLC/SCADA. Sélectionnez selon le système hôte.

Q8. Pourquoi ajouter des données météorologiques à la surveillance de l'humidité du sol?

A8. Les précipitations, la température, l'humidité, le vent et les conditions solaires fournissent un contexte pour la demande d'eau des cultures et aident à éviter les décisions basées sur une seule lecture du sol.

Q9. La CE et le pH peuvent-ils être surveillés dans les systèmes de fertigation?

R9. Oui. Des capteurs EC et pH peuvent être installés à des points d'eau/engrais appropriés et intégrés par RS485 ou d'autres signaux pris en charge.

Q10. Quelle est l'étape la plus importante avant de commander le système?

A10. Fournir la disposition du site, la liste des capteurs, les distances, la disponibilité de la puissance, la méthode de communication, la plateforme requise/interface PLC et les objectifs de contrôle afin que l'architecture complète puisse être conçue correctement.