วิธีสร้างระบบ IoT สำหรับการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมและการชลประทานอัตโนมัติ

เริ่มต้นด้วยการตัดสินใจที่ระบบต้องทำ

วัตถุประสงค์ของระบบติดตามตรวจสอบชลประทานไม่ใช่เพียงเพื่อรวบรวมข้อมูลมากขึ้นเท่านั้น ระบบควรช่วยตัดสินใจว่าควรชลประทานเมื่อใด โซนใดต้องการน้ำ มีน้ำเพียงพอหรือไม่ ปั๊มทำงานอย่างถูกต้องหรือไม่ และสภาพอากาศเป็นตัวกำหนดความล่าช้าหรือการหยุดชลประทานหรือไม่

ซึ่งต้องมีการรวมข้อมูลหลายประเภทเข้าด้วยกัน แทนที่จะอาศัยค่าเซ็นเซอร์เพียงค่าเดียว

เลเยอร์การวัดหลัก

สถาปัตยกรรมระบบ

สถาปัตยกรรมที่ใช้งานได้จริงคือ: เซ็นเซอร์เชื่อมต่อผ่าน RS485 Modbus RTU, อินพุตแบบอะนาล็อกหรือ DI ไปยังเกตเวย์ฟิลด์ เกตเวย์อัปโหลดข้อมูลผ่าน 4G/อีเธอร์เน็ตไปยังแพลตฟอร์มคลาวด์ หรือจัดเตรียม Modbus TCP/OPC UA ให้กับ PLC/SCADA จากนั้นชั้นควบคุมจะใช้รีเลย์ เอาต์พุต PLC หรือตัวควบคุมวาล์วเพื่อควบคุมอุปกรณ์ชลประทาน

สำหรับฟาร์มนอกระบบกริด เกตเวย์และเซ็นเซอร์สามารถขับเคลื่อนจากแผงโซลาร์เซลล์ ตัวควบคุมการชาร์จ และระบบแบตเตอรี่ งบประมาณด้านพลังงานจะต้องรวมเซ็นเซอร์ทั้งหมด กระแสไฟสูงสุดของเกตเวย์ จุดสูงสุดของการส่งผ่านโมเด็ม และอุปกรณ์ควบคุมทั้งหมด

เหตุใดความชื้นในดินจึงไม่ควรเป็นเพียงอินพุตเดียว

การอ่านค่าความชื้นในดินต่ำอาจพิสูจน์ให้เห็นถึงการชลประทาน แต่ปริมาณน้ำฝนล่าสุด ฝนที่คาดการณ์ไว้ การไหลของชลประทาน ระดับน้ำ หรือปั๊มที่ไม่ทำงานสามารถเปลี่ยนการตัดสินใจได้ สถานีตรวจอากาศจะให้บริบท ในขณะที่การไหลหรือความดันยืนยันว่ามีการชลประทานตามคำสั่งเกิดขึ้นจริง นี่คือข้อแตกต่างระหว่างเซ็นเซอร์แจ้งเตือนและระบบควบคุมการชลประทานที่สมบูรณ์

การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์เป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์การควบคุม

ฟิลด์หนึ่งอาจมีพื้นผิวดิน ความลาดชัน อายุของพืชผล และเขตชลประทานที่แตกต่างกัน เซ็นเซอร์ควรเป็นตัวแทนของโซนการจัดการเหล่านี้ สำหรับพืชที่มีการหยั่งรากลึก ความลึกหลายระดับสามารถบอกได้ว่าน้ำเพียงทำให้พื้นผิวเปียกหรือไปถึงบริเวณรากที่ทำงานอยู่หรือไม่ ระบบอัตโนมัติที่สร้างขึ้นจากเซนเซอร์ที่วางในตำแหน่งที่ไม่ดีอาจเกิดข้อผิดพลาดได้อย่างต่อเนื่อง แม้ว่าเซ็นเซอร์ทุกตัวจะมีความแม่นยำก็ตาม

การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์หลายตัวเข้ากับเกตเวย์

RS485 Modbus มีประโยชน์เนื่องจากเซ็นเซอร์จำนวนมากสามารถใช้บัสการสื่อสารร่วมกันได้ ให้ที่อยู่ Modbus แก่อุปกรณ์ทุกเครื่อง และใช้การตั้งค่าอนุกรมที่เข้ากันได้ เซ็นเซอร์ตรวจอากาศอาจมีพารามิเตอร์หลายตัวภายใต้ที่อยู่เดียว ในขณะที่หัววัดดิน ระดับ และคุณภาพน้ำใช้ที่อยู่ของตัวเอง สำหรับเครือข่ายที่ยาวขึ้น ให้ใช้การเดินสายบัสที่เหมาะสมและประเมินแรงดันไฟฟ้าตกแยกจากระยะการสื่อสาร

การเลือกเกตเวย์สำหรับโครงการชลประทาน

ไซต์ดินและสภาพอากาศที่เรียบง่ายอาจต้องการเพียง RS485 RTU plus 4G เท่านั้น ระบบที่อ่านเครื่องส่งสัญญาณแรงดัน 4–20mA สถานะของปั๊ม และแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ยังต้องการช่องอะนาล็อกและ DI การวิจัยหรือโครงการระยะไกลอาจต้องใช้พื้นที่จัดเก็บในตัวเครื่อง โปรเจ็กต์ PLC/SCADA อาจต้องใช้ Modbus TCP หรือ OPC UA เลือกเกตเวย์จากรายการ I/O และระบบโฮสต์ทั้งหมด

การควบคุมปั๊มและวาล์ว

เกตเวย์ที่มีรีเลย์หรือเอาต์พุตดิจิทัลสามารถมีส่วนร่วมในการควบคุมปั๊มหรือวาล์วได้ ตัวอย่างเช่น ระดับน้ำหรือเกณฑ์ความชื้นในดินสามารถกระตุ้นสถานะรีเลย์ได้ อย่างไรก็ตาม หน้าสัมผัสรีเลย์เกตเวย์ควรถือเป็นสัญญาณควบคุม ไม่ใช่เอาต์พุตกำลังโดยตรงสำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่ โดยปกติแล้วปั๊มจะต้องมีคอนแทคเตอร์ อุปกรณ์ป้องกันมอเตอร์ และอินเตอร์ล็อคทางไฟฟ้าที่ออกแบบมาสำหรับโหลด

ระบบชลประทานที่สำคัญควรรวมถึงการแทนที่ด้วยตนเองและตรรกะที่ปลอดภัยเมื่อเกิดข้อผิดพลาด การเชื่อมต่อระบบคลาวด์ไม่ควรเป็นวิธีเดียวที่จะหยุดปั๊มในสภาวะที่ไม่ปลอดภัย

สัญญาณเตือนหลายระดับ

แพลตฟอร์มการตรวจสอบสามารถใช้เกณฑ์หลายเกณฑ์สำหรับพารามิเตอร์เดียวกันได้ ระบบระดับน้ำสามารถสร้างคำแนะนำ คำเตือน และสถานะวิกฤติในระดับต่างๆ ตรรกะที่คล้ายกันนี้สามารถนำไปใช้กับความชื้นในดิน ความดัน EC หรือแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ เกณฑ์ที่แน่นอนควรถูกกำหนดโดยนักปฐพีวิทยา ผู้ปฏิบัติงาน หรือวิศวกรโครงการ ผู้ผลิตเซ็นเซอร์ไม่ควรคิดค้นข้อจำกัดทางการเกษตรสากลสำหรับพืชผลและดินทุกชนิด

แพลตฟอร์มคลาวด์ เซิร์ฟเวอร์ลูกค้า หรือ SCADA

แพลตฟอร์มคลาวด์สะดวกสำหรับแผนที่ แดชบอร์ด การแจ้งเตือนทางอีเมล/แอป แนวโน้มในอดีต และการจัดการหลายไซต์ เซิร์ฟเวอร์ของลูกค้าอาจเลือกใช้ MQTT หรือ HTTP JSON ฟาร์มอุตสาหกรรมหรือสาธารณูปโภคด้านน้ำอาจใช้ PLC/SCADA อยู่แล้ว และต้องการ Modbus TCP หรือ OPC UA สถาปัตยกรรมการตรวจสอบควรปรับให้เข้ากับระบบของลูกค้า แทนที่จะบังคับทุกโครงการไว้บนคลาวด์เดียว

การดำเนินงานออฟไลน์

การเชื่อมโยงการสื่อสารทางการเกษตรอาจไม่น่าเชื่อถือ เกตเวย์ควรสุ่มตัวอย่างต่อไปเมื่อเครือข่ายมือถือหรือเซิร์ฟเวอร์ของลูกค้าไม่พร้อมใช้งานชั่วคราว หากโปรเจ็กต์ต้องการความต่อเนื่องของข้อมูล จัดเก็บและส่งต่อช่วยให้สามารถอัปโหลดบันทึกที่ไม่ได้รับหลังจากการกู้คืนการสื่อสารแล้ว ระบบอัตโนมัติในพื้นที่ที่ปลอดภัยหรือมีความสำคัญต่อพืชผลไม่ควรขึ้นอยู่กับการเดินทางไปกลับบนคลาวด์เพียงอย่างเดียว

ตัวอย่างที่ 1: การชลประทานที่แม่นยำสำหรับสนาม

โครงการภาคสนามที่เป็นตัวแทนอาจใช้เซ็นเซอร์ความชื้น/อุณหภูมิของดินที่ระดับความลึกหลายระดับ สถานีตรวจอากาศ มาตรวัดปริมาณน้ำฝน และการวัดแรงดัน/การไหลของชลประทาน เกตเวย์ 4G รวบรวมข้อมูลและอัปโหลดไปยังแพลตฟอร์ม โซนชลประทานได้รับการควบคุมตามความชื้นของโซนราก ปริมาณน้ำฝนล่าสุด และสถานะการดำเนินงาน แพลตฟอร์มจะบันทึกแนวโน้มและแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานเมื่อค่าหรือสถานะอุปกรณ์ผิดปกติ

ตัวอย่างที่ 2: การติดตามการปฏิสนธิแบบหยด

ระบบการให้ปุ๋ยอาจเพิ่มการวัด EC และ pH ใกล้กับปั๊มหรือจุดฉีดปุ๋ย และการวัด EC อีกครั้งที่ปลายสุดของเส้นหยด การต่อสายยาวต้องพิจารณาทั้งการสื่อสาร RS485 และแรงดันไฟฟ้าตก หากจุดระยะไกลไม่มีไฟฟ้าในพื้นที่ ขนาดตัวนำสายเคเบิลและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบเซ็นเซอร์ แทนที่จะคิดแยกกันในภายหลัง

ตัวอย่างที่ 3: น้ำในแม่น้ำหรืออ่างเก็บน้ำ + ส่วนต่อประสานการชลประทาน

ในกรณีที่การชลประทานขึ้นอยู่กับอ่างเก็บน้ำ แม่น้ำ หรือแท็งก์ ระดับน้ำและการไหลของน้ำสามารถรวมเข้ากับข้อมูลสภาพอากาศและดินได้ สถาปัตยกรรมเดียวกันนี้สามารถกระตุ้นการแจ้งเตือนน้ำได้หลายระดับ ปกป้องปั๊มจากการทำงานแบบแห้ง และจัดทำบันทึกการใช้น้ำในอดีต การวัดและส่งข้อมูลระยะไกลอาจเป็น 4G, อีเธอร์เน็ต หรือวิธีการสื่อสารเฉพาะโครงการอื่น ๆ

รายการตรวจสอบการว่าจ้าง

1. กำหนดโซนชลประทานและคำถามการจัดการสำหรับตำแหน่งเซ็นเซอร์ทุกตำแหน่ง
2. สร้างรายการ I/O เซ็นเซอร์/แอคชูเอเตอร์และงบประมาณด้านพลังงานทั้งหมด
3. กำหนดที่อยู่ RS485 และตรวจสอบเซ็นเซอร์แต่ละตัวก่อนเชื่อมต่อบัส
4. ยืนยันเส้นทางโปรโตคอลเกตเวย์ไปยังคลาวด์ เซิร์ฟเวอร์ของลูกค้า หรือ SCADA
5. ตรวจสอบหน่วยวิศวกรรม การปรับขนาด และการประทับเวลา
6. ทดสอบการควบคุมปั๊ม/วาล์วผ่านอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าที่เหมาะสมและอินเตอร์ล็อคเพื่อความปลอดภัย
7. ทดสอบการแจ้งเตือนที่เกณฑ์ต่างๆ และยืนยันผู้รับ/กฎการดำเนินการ
8. จำลองการสูญเสียเครือข่ายและยืนยันการบันทึกในเครื่องหรือพฤติกรรมการควบคุมภายในที่ปลอดภัย
9. ตรวจสอบการแทนที่ด้วยตนเองและเอกสารที่เป็นเจ้าของการตัดสินใจเกณฑ์การชลประทาน
10. บันทึกการเดินสายขั้นสุดท้าย ที่อยู่ เฟิร์มแวร์ และการกำหนดค่าแพลตฟอร์มสำหรับการบำรุงรักษา

เหตุใดระบบที่สมบูรณ์จึงสร้างข้อมูลได้ดีกว่าเซ็นเซอร์แบบแยกเดี่ยว

ค่าเซ็นเซอร์จะมีประโยชน์มากขึ้นเมื่อสามารถเปรียบเทียบกับการวัดและเหตุการณ์การปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องได้ ความชื้นในดินสามารถเปรียบเทียบได้กับปริมาณน้ำฝนและการไหลของชลประทาน น้ำ EC สามารถเปรียบเทียบได้ระหว่างปั๊มและปลายสนาม คำสั่งปั๊มสามารถเปรียบเทียบได้กับสถานะการทำงานและความดัน การตรวจสอบข้ามนี้ช่วยปรับปรุงการตรวจจับข้อผิดพลาด และช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าใจว่าการตอบสนองของระบบตรงกับการดำเนินการชลประทานที่ตั้งใจไว้จริงหรือไม่

ระบบ IoT สำหรับตรวจสภาพแวดล้อมและให้น้ำอัตโนมัติต้องมีทั้งเส้นทางวัดจากเซ็นเซอร์ผ่านเครื่องบันทึกหรือเกตเวย์ไปยังแพลตฟอร์ม และเส้นทางควบคุมจากสภาพดินหรืออากาศที่ตรวจสอบแล้วไปยังวาล์วและปั๊ม การอินเตอร์ล็อก การสั่งมือ และสถานะปลอดภัยควรทำงานได้โดยไม่พึ่งคลาวด์ พร้อมบันทึกจุด หน่วย จุดตั้ง ฮิสเทอรีซิส และเหตุการณ์

การตรวจติดตาม EC และ pH ในระบบให้ปุ๋ย

ใช่. สามารถติดตั้งเซ็นเซอร์ EC และ pH ได้ที่จุดน้ำ/ปุ๋ยที่เหมาะสม และบูรณาการผ่าน RS485 หรือสัญญาณอื่นๆ ที่รองรับ บันทึกช่วงที่ตกลงไว้ การตอบสนองต่อสัญญาณเตือน การตรวจสอบอินเทอร์เฟซ และหลักฐานการบำรุงรักษาไว้ในเอกสารทดสอบเดินระบบหรือเอกสารตรวจรับ

ข้อมูลที่ต้องยืนยันก่อนสั่งซื้อระบบ

จัดเตรียมเค้าโครงไซต์งาน รายการเซ็นเซอร์ ระยะทาง ความพร้อมใช้งานของพลังงาน วิธีการสื่อสาร แพลตฟอร์ม/อินเทอร์เฟซ PLC ที่จำเป็น และวัตถุประสงค์การควบคุม เพื่อให้สามารถออกแบบสถาปัตยกรรมที่สมบูรณ์ได้อย่างถูกต้อง

คำถามที่พบบ่อย

Q1: เซ็นเซอร์ใดบ้างที่จำเป็นสำหรับระบบชลประทานอัตโนมัติ?

A1. ค่าขั้นต่ำขึ้นอยู่กับเป้าหมายการควบคุม แต่ปัจจัยทั่วไป ได้แก่ ความชื้นในดิน สภาพอากาศ/ปริมาณน้ำฝน และสถานะของอุปกรณ์ชลประทาน อัตราการไหล ความดัน ระดับน้ำ EC และ pH สามารถเพิ่มบริบทการปฏิบัติงานที่สำคัญได้

Q2: เซ็นเซอร์วัดดินและสภาพอากาศหลายตัวสามารถเชื่อมต่อกับเกตเวย์ IoT เดียวได้หรือไม่

A2. ใช่. เซ็นเซอร์ RS485 Modbus หลายตัวสามารถแชร์บัสเดียวได้เมื่อมีการกำหนดค่าที่อยู่และการตั้งค่าอนุกรมอย่างถูกต้อง บันทึกช่วงที่ตกลงไว้ การตอบสนองต่อสัญญาณเตือน การตรวจสอบอินเทอร์เฟซ และหลักฐานการบำรุงรักษาไว้ในเอกสารทดสอบเดินระบบหรือเอกสารตรวจรับ

Q3: เกตเวย์ IoT สามารถควบคุมปั๊มน้ำได้หรือไม่

A3. เกตเวย์ที่มีรีเลย์/DO สามารถให้สัญญาณควบคุมได้ แต่โดยปกติแล้วปั๊มขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีคอนแทคเตอร์ การป้องกัน และการออกแบบการควบคุมไฟฟ้าที่เหมาะสม

Q4: ฉันสามารถตั้งค่าการเตือนระดับน้ำหรือความชื้นในดินได้หลายรายการหรือไม่

A4. ใช่. โดยทั่วไปเกณฑ์หลายระดับจะถูกนำไปใช้ในแพลตฟอร์มการตรวจสอบหรือระบบควบคุม บันทึกช่วงที่ตกลงไว้ การตอบสนองต่อสัญญาณเตือน การตรวจสอบอินเทอร์เฟซ และหลักฐานการบำรุงรักษาไว้ในเอกสารทดสอบเดินระบบหรือเอกสารตรวจรับ

Q5: ผู้ผลิตเซ็นเซอร์ควรกำหนดเกณฑ์การชลประทานหรือไม่

A5. ไม่เป็นสากล เกณฑ์ขึ้นอยู่กับพืชผล ดิน ความลึกของราก วิธีการชลประทาน และเป้าหมายการจัดการ และควรกำหนดโดยความเชี่ยวชาญทางการเกษตร/โครงการ

Q6: ระบบสามารถทำงานได้โดยไม่ใช้อินเทอร์เน็ตหรือไม่?

A6. เกตเวย์ฟิลด์สามารถดำเนินการซื้อในท้องถิ่นต่อไปได้หากได้รับการออกแบบมา และการควบคุมภายในสามารถดำเนินการได้อย่างอิสระ แดชบอร์ดระบบคลาวด์จำเป็นต้องมีการสื่อสารเพื่อรับข้อมูลใหม่อย่างชัดเจน

Q7: เกตเวย์ชลประทานควรใช้โปรโตคอลใด

A7. MQTT/HTTP เป็นเรื่องปกติสำหรับเซิร์ฟเวอร์คลาวด์หรือเซิร์ฟเวอร์ลูกค้า Modbus TCP/OPC UA เป็นเรื่องธรรมดาสำหรับ PLC/SCADA เลือกตามระบบโฮสต์

Q8: เหตุใดจึงต้องเพิ่มข้อมูลสภาพอากาศในการตรวจติดตามความชื้นในดิน

A8. สภาพปริมาณฝน อุณหภูมิ ความชื้น ลม และแสงอาทิตย์ให้บริบทสำหรับความต้องการน้ำของพืชผล และช่วยหลีกเลี่ยงการตัดสินใจโดยอาศัยการอ่านค่าดินเพียงอย่างเดียว

สรุป

สำหรับ วิธีสร้างระบบ IoT สำหรับการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมและการชลประทานอัตโนมัติ ข้อกำหนดโครงการควรเชื่อมโยงสภาพพื้นที่ การตั้งค่าอินเทอร์เฟซ การทดสอบเดินระบบ และบันทึกบำรุงรักษา ยืนยันขอบเขตเหล่านี้ก่อนอนุมัติรุ่น และเก็บหลักฐานตรวจรับที่วัดได้ไว้สำหรับแก้ปัญหาและขยายระบบ