新型農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)

鄒德旺

摘 要：在當(dāng)前水資源緊缺和科技新農(nóng)村如火如荼發(fā)展的情況下，農(nóng)業(yè)水資源的合理利用和灌溉技術(shù)的有效提高是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是一個(gè)長(zhǎng)期受到各界關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。文章采用了自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉裝置和監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)WIFI模塊進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了一套行之有效的節(jié)水灌溉聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉技術(shù)；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；WIFI模塊

中圖分類號(hào)：S275 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0124-02

Abstract： With the shortage of water resources and the rapid development of the new countryside's science and technology， the rational utilization of agricultural water resources and the effective improvement of irrigation technology are urgent problems to be solved， which are also problems that have been concerned about by all circles for a long time. In this paper， an effective water-saving irrigation linkage control system is realized by adopting the water-saving irrigation device and monitoring equipment designed independently and innovatively， and transmitting through the WIFI module.

Keywords： water-saving irrigation technology； data monitoring； WIFI module

引言

我國(guó)國(guó)土面積廣大，地勢(shì)情況復(fù)雜，但是由于我國(guó)人口眾多，各類資源人均占有量相當(dāng)少。全國(guó)每年水資源缺少量達(dá)到400億立方米，尤其在農(nóng)業(yè)灌溉方面，缺水量達(dá)到300億立方米。目前，正值我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，環(huán)境問(wèn)題不應(yīng)成為我國(guó)快速發(fā)展的絆腳石。在我國(guó)，水資源浪費(fèi)和不合理使用的情況非常普遍，相關(guān)品配套設(shè)施發(fā)展也不夠完善，在農(nóng)業(yè)方面，灌溉技術(shù)的長(zhǎng)久得不到進(jìn)步和發(fā)展，使得水資源大量的被浪費(fèi)與不合理的使用，人民的生命財(cái)產(chǎn)也相應(yīng)的受到了很大的傷害。針對(duì)這樣的情況，更新節(jié)水灌溉的技術(shù)、合理調(diào)配灌溉的策略、制定科學(xué)的水利工程建設(shè)計(jì)劃等是勢(shì)在必行的，這些措施既能夠節(jié)約用水，發(fā)展符合新時(shí)代要求的新型農(nóng)業(yè)，也能夠提高農(nóng)民的收入水平。

在農(nóng)業(yè)的水資源灌溉中，首先出現(xiàn)的問(wèn)題就是水資源的短缺問(wèn)題，這來(lái)自于多個(gè)方面。由于我國(guó)正在發(fā)展成為世界第一大工廠，工業(yè)的迅猛發(fā)展在帶來(lái)好處與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也造成了水資源的極大污染，各地區(qū)水質(zhì)的惡化局面越來(lái)越嚴(yán)重。工業(yè)的排污現(xiàn)象越愈加嚴(yán)重使得本就缺乏的水資源進(jìn)一步減少，這也是工業(yè)對(duì)于水資源污染的主要的污染源之一，全國(guó)每年排放污水量達(dá)到335億立方米。隨著人民生活水平與生活質(zhì)量的日益提高，人民生活節(jié)奏的逐步加快；生活污水的排放也使得水資源浪費(fèi)愈加的嚴(yán)重，很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民區(qū)并沒(méi)有相應(yīng)的污水治理措施，直接排放河流等水流域，造成了污染水源的逐步擴(kuò)散，污染面積越來(lái)越大。另外，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉當(dāng)中，化肥藥物等亂用的現(xiàn)象造成的水源、土壤、植被等被污染的情況愈加嚴(yán)重，當(dāng)前來(lái)說(shuō)，對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉中水資源的有效利用和控制成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文在以上農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的基本情況之下，并在對(duì)土壤進(jìn)行研究與監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，并在農(nóng)作物生長(zhǎng)期間對(duì)其進(jìn)行一定時(shí)間間隔的監(jiān)測(cè)，從而形成一套自動(dòng)控制的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境主要采用了智能WIFI模塊。硬件控制系統(tǒng)主要包括了兩個(gè)部分，一個(gè)是灌溉控制器部分，另一個(gè)是地面數(shù)據(jù)采集整理部分。灌溉控制器的作用是接受地面土壤數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行整合處理，其內(nèi)部的專家診斷環(huán)節(jié)是基于一套強(qiáng)大的智能診斷系統(tǒng)，診斷后下達(dá)指令，是否進(jìn)行相關(guān)的灌溉操作；另外一個(gè)數(shù)據(jù)采集部分是采集了關(guān)于土壤的和水分的的信息之后傳輸?shù)焦喔瓤刂破?。系統(tǒng)的整體框圖如下圖1。

1.2 系統(tǒng)整體工作過(guò)程

中央控制計(jì)算機(jī)定時(shí)向數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，此處信號(hào)的傳輸通過(guò)特定的WIFI通信模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收到信號(hào)以后通過(guò)CAN總線聯(lián)系下行的各個(gè)土壤水分傳感器實(shí)時(shí)在線地收集關(guān)于土壤和水分的相關(guān)信息，此處的信息主要有土壤的含水率數(shù)據(jù)，收集之后傳感器再通過(guò)CAN總線數(shù)據(jù)整合并返回到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合處理傳送至灌溉控制系統(tǒng)并且同時(shí)傳回中央處理器進(jìn)行存儲(chǔ)備份。灌溉控制器部分收到數(shù)據(jù)以后也通過(guò)CAN總線對(duì)下行的各個(gè)閥門控制器進(jìn)行控制通斷，即進(jìn)行節(jié)水灌溉。在灌溉指定時(shí)間之后，土壤水分傳感器再次監(jiān)測(cè)土壤中的含水率，達(dá)到指定的要求之后即傳輸信號(hào)給灌溉控制器停止灌溉，周而復(fù)始，這就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其搜集到的數(shù)據(jù)要傳輸?shù)焦喔瓤刂破骱椭刑幚砥鳟?dāng)中。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理器在每一塊農(nóng)田當(dāng)中都需要進(jìn)行安置。由于農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鋪設(shè)時(shí)每一塊農(nóng)田都安裝一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個(gè)采集系統(tǒng)當(dāng)中都需要安裝一塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電，確保每一個(gè)采集系統(tǒng)模塊都能夠獨(dú)立的運(yùn)作。每一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板、蓄電池、數(shù)據(jù)采集控制器、短信模塊以及多個(gè)土壤水分傳感器。太陽(yáng)能電池板的功率均設(shè)置為20W；數(shù)據(jù)采系統(tǒng)的核心采用STM32單片機(jī)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。endprint

1.4 系統(tǒng)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)自動(dòng)灌溉控制軟件部分采用簡(jiǎn)潔的C語(yǔ)言編程，也是基于C語(yǔ)言編制了操作界面。軟件中設(shè)置了短信收發(fā)時(shí)間、數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)時(shí)間、土壤水分傳感器的校正公式等。軟件部分主要連接系統(tǒng)的兩大主要部分，就是數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)，對(duì)兩大系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與控制。

1.5 灌溉自動(dòng)控制

中央處理控制器的另外一個(gè)重要的功能是生成一個(gè)每日的節(jié)水灌溉計(jì)劃，下發(fā)至灌溉控制器和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制器執(zhí)行。節(jié)水灌溉計(jì)劃會(huì)定期進(jìn)行修正，由于每一次的土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)上傳至中央控制器，所以在土壤含水率比較高的時(shí)候，灌溉計(jì)劃會(huì)自動(dòng)地將灌溉頻率降低，將灌溉時(shí)間減少。在土壤的含水率較低的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)校正灌溉計(jì)劃，將灌溉的時(shí)間加長(zhǎng)，將灌溉的頻率提高，以確保灌溉的合理性和科學(xué)性。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)設(shè)計(jì)的灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)地劃取了400m2的農(nóng)田，該片農(nóng)田主要種植糧食作物和花卉植物，在內(nèi)部安置了至少4個(gè)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。其中每一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的土壤水分傳感器都掩埋在同樣的深度，太陽(yáng)能電池板均放置在一定的高度和一定的角度，保證變量的一致性。

在試驗(yàn)中，整個(gè)系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在人為干預(yù)的情況下和在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下均能穩(wěn)定的維持作物生長(zhǎng)，而不出現(xiàn)作物死亡、土壤干涸以及農(nóng)田水量過(guò)多的現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)表明，整個(gè)系統(tǒng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)并運(yùn)行或者在有人為干預(yù)的情況下，都能運(yùn)行正常。作物灌溉頻率合適，灌溉水量能自動(dòng)根據(jù)土壤的含水量進(jìn)行調(diào)整，農(nóng)田當(dāng)中的作物和花卉等植物都正常生長(zhǎng)，土壤的含水量能保持在8%-26%之間，基本穩(wěn)定在了預(yù)先設(shè)定值的附近，比較合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今社會(huì)的發(fā)展正在以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的腳步更加大步邁進(jìn)。在我國(guó)當(dāng)前的水資源緊缺的情況下，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是一項(xiàng)重要的工程。農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉既解決了水資源匱乏的問(wèn)題，又能保證農(nóng)民生命財(cái)產(chǎn)的安全。本文基于以上的現(xiàn)實(shí)情況設(shè)計(jì)了一套農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從農(nóng)田數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與采集到灌溉自動(dòng)控制的全自動(dòng)化運(yùn)行，減少了人為工作。本文將該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用于農(nóng)田中，進(jìn)行了試驗(yàn)，得出的結(jié)果和預(yù)期一致能夠有效地進(jìn)行自動(dòng)化控制并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地灌溉。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一個(gè)環(huán)節(jié)，為以后的農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展提供了一個(gè)良好的建議和參考，對(duì)農(nóng)作物節(jié)水灌溉策略是一個(gè)很重要的建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊耿煌，郭開(kāi)榮，李亞偉.基于GSM短信平臺(tái)的灌溉自動(dòng)控制器的開(kāi)發(fā)[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36（6）：753-755.

[2]蔡甲冰，劉鈺，雷廷武，等.精量灌溉決策定量指標(biāo)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（4）：531-535.

[3]計(jì)利剛.農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（07）：56.endprint