基于作物需水機(jī)制的遠(yuǎn)程無線自動化噴灌系統(tǒng)研究

李鐵成 何軍 劉展 李家明

摘要 我國水資源短缺與水資源浪費并存的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，而農(nóng)業(yè)用水效率不高，農(nóng)田灌溉水的利用效率低下就是其中之一。其原因主要是灌溉方式不合理，造成水資源浪費嚴(yán)重、利用效率低下，加劇了水資源的短缺。近年來，國家對節(jié)灌技術(shù)的發(fā)展愈加重視，出現(xiàn)了許多新型的節(jié)水灌溉裝置，提出基于作物需水機(jī)制的遠(yuǎn)程無線自動化噴灌系統(tǒng)，是以單片機(jī)為自動化控制中樞，采用Arduino技術(shù)設(shè)計，可以實時監(jiān)測大田不同部分的缺水情況，并對缺水部分田地定點噴灌直至達(dá)到適宜含水量范圍，從根本上改變了以人為經(jīng)驗為依據(jù)的粗獷的灌溉方式，可以節(jié)省大量的資源。

關(guān)鍵詞 需水機(jī)制；單片機(jī)；無線傳感；作物需水量上下限

Study on Remote Wireless Automated Sprinkler Irrigation System Based on Crop Water Requirement Mechanism

LI Tie-cheng，HE Jun*，LIU Zhan et al （College of Hydraulic & Environmental Engineering，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002）

Abstract Water shortage and water resources waste coexistence of the phenomenon is very serious in our country，the efficiency of agricultural water use is not high，the inefficiency of irrigation water use is one of them.The main reason is irrational irrigation，resulting in serious waste of water resources，the use of inefficient，exacerbated the status of water shortages.In recent years，the state of development pay more attention to saving irrigation technology，there have been many new water-saving irrigation equipment，remote wireless sprinkler irrigation system is based on single-chip automatic control center，the design uses the Arduino technology，it can real-time monitor different parts of the field dry or not，the lack of water and some of their fields until it reaches the set point sprinkler water content range，fundamentally changed the man-made experience based on the rugged irrigation，can save a lot of resources.

Key words Water requirement mechanism；Single chip microcomputer； Wireless sensor； Crop water requirement upper and lower limits

近年來，國家農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉裝備應(yīng)用出現(xiàn)了西快東慢、中部遲緩的狀況，如新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、山西等地區(qū)已經(jīng)把節(jié)水灌溉技術(shù)成功應(yīng)用在棉花、玉米、馬鈴薯等大田作物上，如地膜覆蓋下的滴灌技術(shù)，西部、西北部地區(qū)已經(jīng)用了五六年的時間，而中東部節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用只限于目前的蔬菜、瓜果等設(shè)施農(nóng)業(yè)種植方面。由于受地理條件、氣候、降雨量的大環(huán)境影響，我國的東北部、東南部節(jié)水灌溉裝備技術(shù)比較滯后，目前上述地區(qū)真正用在大田作物的節(jié)水灌溉甚少，大部分還是靠地表水或降雨維持[1]。國家也因此開始逐漸重視農(nóng)業(yè)節(jié)水，加快了農(nóng)田水利工程建設(shè)的投入進(jìn)程，此舉有效解決了農(nóng)田水利工程的節(jié)水硬件基礎(chǔ)設(shè)施薄弱問題。但在水利工程建設(shè)運營過程中，缺乏有效的節(jié)水灌溉管理，在大部分農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)民節(jié)水意識不夠，對于節(jié)水灌溉所帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及生態(tài)環(huán)境效益等的認(rèn)識不到位，仍然普遍采用傳統(tǒng)的大水漫灌，導(dǎo)致節(jié)水灌溉工程難以發(fā)揮有效的作用。而在實際工程設(shè)計中，一些設(shè)計人員缺乏對當(dāng)?shù)氐赜颦h(huán)境、經(jīng)濟(jì)狀況及種植農(nóng)作物等因素的了解，憑借以往的水利工程設(shè)計經(jīng)驗和相關(guān)資料完成節(jié)水灌溉設(shè)計，使得工程與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展缺乏完整的契合，大大降低了節(jié)水性能的發(fā)揮，使得節(jié)水灌溉工程流于形式，難以發(fā)揮實際作用[2]。因此加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水的政策、法規(guī)的制定和管理，因地制宜地發(fā)展各項節(jié)水技術(shù)的綜合集成，最大限度地減少農(nóng)田灌溉各個環(huán)節(jié)水的損失，提高水資源的總體利用效率，才能實現(xiàn)真正意義上的全方位節(jié)水。

無線自動化灌溉系統(tǒng)是一種根據(jù)作物在所處生育期的適宜需水量進(jìn)行灌溉的裝置。該裝置的實用性在于能讓作物附近的土壤保持在適宜的濕度范圍內(nèi)，而當(dāng)土壤濕度處在該范圍內(nèi)時，植物能夠獲得正常生長所需的水分，這樣就最大程度地避免了灌溉水的損失。該裝置的實時性在于傳感器每1 ms便通過紅外發(fā)射器向連接在單片機(jī)上的紅外接收器傳輸1個數(shù)據(jù)電信號，單片機(jī)每1 ms便進(jìn)行1次是否噴水的判斷，同時發(fā)出1次噴水與否的命令。該裝置的普適性在于根據(jù)作物不同的需水機(jī)制對含水量上下限的設(shè)置，可以滿足各種作物的灌溉要求[3]。同時，通過增加與單片機(jī)所連的傳感器和水泵的數(shù)量，可實現(xiàn)對大區(qū)域種植的作物灌溉，所以該裝置可用于大區(qū)域、多種類的灌溉，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 程序設(shè)計原理

基于作物需水機(jī)制的遠(yuǎn)程無線自動化噴灌系統(tǒng)，是以單片機(jī)為自動化控制中樞，可通過Arduino軟件編寫程序，并通過數(shù)據(jù)線，將程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)中。程序涉及的主要功能函數(shù)有：①analog Read函數(shù)，用于讀取引腳的模擬電壓值，接收傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)電信號。②if函數(shù)，用于條件判斷，植物根系層附近的土壤含水量低于適宜含水量下限，則進(jìn)行噴灌，若處于適宜含水量上下限之間或高于上限，則不進(jìn)行噴灌。③digital Write函數(shù)，用于啟動引腳的上拉電阻，控制電磁繼電器、警示燈以及蜂鳴器的啟閉。④delay函數(shù)，用于控制實時監(jiān)測頻率，頻率越高，實時性越高[4]。

圖1為裝置的邏輯電路，單片機(jī)上連接有傳感器、LED燈、蜂鳴器和電磁繼電器，電磁繼電器又與水泵、噴頭和外接電源連接成串聯(lián)回路。當(dāng)作物缺水時，單片機(jī)接收到傳感器的高電信號，單片機(jī)控制開啟電磁繼電器，串聯(lián)回路連通，水泵開啟，通過噴頭噴灌作物，且LED燈亮，蜂鳴器以高頻率發(fā)聲；當(dāng)作物不缺水時，單片機(jī)接收到傳感器的低電信號，單片機(jī)控制關(guān)閉電磁繼電器，串聯(lián)回路斷開，且LED燈關(guān)閉，蜂鳴器以低頻率發(fā)聲。

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)分為3個部分：單片機(jī)主板控制部分、實時監(jiān)測及反饋部分和噴灌部分。單片機(jī)主板控制部分由單片機(jī)主板和電池相連組成，通過Arduino軟件編寫核心程序，然后將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)主板中；實時監(jiān)測部分由傳感器和被監(jiān)測的作物組成，其中傳感器插入到作物根系層附近的土壤中，通過紅外發(fā)射器不斷向控制部分傳輸電信號；水泵噴灌部分由電磁繼電器、水泵和電源組成，其中電磁繼電器通過紅外接收器接收控制部分的指令。

1.3 工作方式

裝置示意圖如圖2所示。在使用該裝置之前首先在電腦上使用Arduino軟件將程序編寫好，然后通過USB接口將程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)主板中。傳感器以1 000次/s的頻率對作物根系附近的土壤含水量進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果實時傳輸給單片機(jī)主板。單片機(jī)主板通過其中的設(shè)定程序?qū)魅氲暮恐蹬c預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，如果低于下限值就下達(dá)噴水指令給電磁繼電器，電磁繼電器再通過對電路閉合的控制使水泵通過噴頭噴水，同時LED燈亮起，蜂鳴器以較高頻率響起。當(dāng)傳感器測得含水量值達(dá)到上限值時，單片機(jī)主板下達(dá)停止噴水指令給電磁繼電器，電磁繼電器通過控制電路斷開來控制水泵停止噴水，同時LED燈熄滅，蜂鳴器響起的頻率變低。

2 結(jié)論與討論

農(nóng)田供水從水源到形成作物產(chǎn)量要經(jīng)過4個環(huán)節(jié)。首先是從水源取水，通過輸水、配水等一系列工程設(shè)施把水送到所需灌溉的作物地塊；其次是通過田間灌水技術(shù)將水源來水轉(zhuǎn)化為土壤水；第三是通過作物根系吸水，由土壤水轉(zhuǎn)化為生物水；最后是通過作物的一系列生理過程在作物水分的參與下形成作物產(chǎn)量。每一環(huán)節(jié)都會有水的損失，提高水的利用率和利用效率的關(guān)鍵在于探討各個環(huán)節(jié)的節(jié)水途徑、技術(shù)措施及其潛力，盡可能地減少每一環(huán)節(jié)中水的無效損耗。無線自動化灌溉系統(tǒng)是一種根據(jù)作物在所處生育期的適宜需水量進(jìn)行灌溉的裝置，是一種新型田間灌水裝置，是當(dāng)前節(jié)水灌溉發(fā)展的主要方面。這種灌水裝置靠減少輸水損失、提高灌水均勻度來提高土壤儲水量與水源取水量的比率和作物耗水量與土壤儲水量的比例來提高水的利用率和利用效率[5]。該裝置能讓作物根系附近的土壤時刻保持在一個適宜的濕度范圍內(nèi)，每1 ms便進(jìn)行1次是否噴水的判斷，同時發(fā)出噴水與否的命令，且可以根據(jù)作物不同的需水機(jī)制對含水量上下限進(jìn)行程序修改，滿足各種作物的灌溉要求。該裝置從根本上改變了以往粗獷的灌溉方式，具有實用性、實時性、普適性，順應(yīng)我國的節(jié)水灌溉趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

節(jié)水農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)合理用水的高度概括，是一項農(nóng)業(yè)、水利技術(shù)緊密結(jié)合，水、土、作物資源綜合開發(fā)的宏大的系統(tǒng)工程，節(jié)水灌溉僅僅是節(jié)水農(nóng)業(yè)的一部分，通過農(nóng)田節(jié)水灌溉的應(yīng)用能夠降低農(nóng)業(yè)水資源的浪費，改善我國水資源嚴(yán)重缺乏的國情，根據(jù)不同農(nóng)作物在不同生長階段中所需要的水分，有針對性地科學(xué)灌溉，對于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。相關(guān)部門必須加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程的建設(shè)，強(qiáng)化農(nóng)民的節(jié)水意識，不斷優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，確保節(jié)水灌溉在農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用和價值[6]，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)

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[3] 姚林，鄭華斌，劉建霞，等.中國水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].生態(tài)學(xué)雜志，2014，33（5）：1381-1387.

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[6] 李艷秋.農(nóng)田節(jié)水灌溉中存在的主要問題及應(yīng)對策略[J].科技風(fēng)，2013（16）：221.