智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*

沈佳佳 江偉 王昆侖

(六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院,貴州六盤水 553000)

0 引言

人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以來(lái),灌溉的目的就是為了補(bǔ)充土壤中所需要水分,以保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng),獲取高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。但自然條件下,往往因降水量不足或縫補(bǔ)不均勻,不能很大程度上滿足農(nóng)作物的水分需求。因此人為的干預(yù)或許能夠彌補(bǔ)自然降雨造成的缺失。傳統(tǒng)的灌溉方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且效果不佳。一些地理?xiàng)l件艱苦的地區(qū),以貴州的卡斯特地貌為例,農(nóng)作物面積大多呈豎直方向分布,灌溉顯得復(fù)雜,且成本高,水資源的獲取也比較困難。在這樣的一種特殊條件下就急需研究一種運(yùn)行成本偏低且符合貴州當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況的方法作為灌溉手段。

1 灌溉方式

傳統(tǒng)的灌溉方式大多數(shù)多采用漫灌的方式,然而這種方式的所需水量較大,極易造成水資源的浪費(fèi)。在進(jìn)行漫灌作業(yè)時(shí)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力還不易控制水量。水量多了對(duì)作物不但無(wú)用反而有害。只能抽出多余的水量,增加了復(fù)雜程度[1]。因此灌溉智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要,有效的節(jié)約水資源,降低勞動(dòng)成本,不同的作物,根據(jù)其農(nóng)作物自身生長(zhǎng)性能數(shù)據(jù)庫(kù)及采集農(nóng)作物所生長(zhǎng)的土壤濕度和生長(zhǎng)環(huán)境的溫度自動(dòng)進(jìn)行匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的所需水量,自動(dòng)噴灑系統(tǒng)噴出需水量。全程智能化控制,無(wú)需人工進(jìn)行干預(yù)。充分發(fā)揮了智能化的作用,實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置,提高水資源的利用率,降低生產(chǎn)成本,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,以最少的資源付出,來(lái)獲取最大的農(nóng)業(yè)效益,建設(shè)成農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì),有利于農(nóng)業(yè)長(zhǎng)久的發(fā)展。

2 智能系統(tǒng)的組成

智能灌溉系統(tǒng)由空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器、C51單片機(jī)、壓力控制式水泵(內(nèi)置電機(jī))、電磁閥式噴頭、液晶顯示器、塑料管道組成[2]。其組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且各元件互換性強(qiáng),安裝維護(hù)方便,大大提高了維修養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。

3 蓄水池

蓄水池的作用就是為灌溉提供水資源。構(gòu)造上采用封閉式矩形,可根據(jù)地形和蓄水量的需求選取不同規(guī)格的尺寸。在農(nóng)作物地表一定深度下構(gòu)建一個(gè)蓄水池,它采用混泥土結(jié)構(gòu),混泥土具有良好的可塑性且價(jià)格低,抗壓強(qiáng)度高,耐持久性好,經(jīng)濟(jì)效益明顯。在空間上能夠有效的節(jié)約空間資源,由于采用封閉式構(gòu)造,具有防漏水和防蒸發(fā)的功能,能夠有效的減少水分的流失[3]。

4 溫度傳感器

通過(guò)溫度傳感器來(lái)識(shí)別農(nóng)作物處于什么樣的天氣環(huán)境狀況。靈敏度要求;傳感器的靈敏度越高越好,靈敏度越高所能感知的溫度變化情況就越好。可靠性要求;可靠性是傳感器的生命,在特定的環(huán)境下保證所采集的信號(hào)絕對(duì)準(zhǔn)確,才能讓控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制噴水量。AD590是美國(guó)模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器,供電電壓范圍為3～30V,輸出電流223μA(-50℃)～423μA(150℃),靈敏度為1μA/℃。當(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí),R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R的阻值不能取得太大,以保證AD590兩端電壓不低于3V[4]。AD590輸出電流信號(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源,最高可達(dá)20MΩ,所以它不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。

5 土壤濕度傳感器

農(nóng)作物是否需要補(bǔ)充水分,土壤的濕度起到了決定性的作用。傳感器需要嵌入土壤,土壤中含有一定的農(nóng)藥成分,對(duì)傳感器會(huì)有較強(qiáng)的腐蝕性。在傳感器的選擇上應(yīng)選擇具有特定抗腐蝕功能的傳感器。它的工作原理是:利用電磁脈沖原理,根據(jù)電磁波在土壤介質(zhì)中的傳播頻率來(lái)檢測(cè)土壤的表現(xiàn)介質(zhì)電常數(shù),從而得到土壤中的相對(duì)含水量。其特點(diǎn)是體積小巧、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單適用范圍較廣[5]。

6 單片機(jī)

單片機(jī)的特點(diǎn)是集成度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、在開發(fā)過(guò)程中可以利用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程,功率低、低電壓、具有斷電保護(hù)功能,通用性好具有較好的性價(jià)比。符合設(shè)計(jì)生產(chǎn)低成本的理念。針對(duì)單片機(jī)的控制部分,包括了農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的單片機(jī)電路部分。憑借AT89C51單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制,并設(shè)置了8KB的單元存儲(chǔ)程序設(shè)備,可用于信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。通過(guò)此項(xiàng)設(shè)置,系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)信息的處理,硬件部分的設(shè)計(jì)可以適當(dāng)?shù)臏p少,且不會(huì)影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

7 水泵

水泵作為灌溉系統(tǒng)的核心部件,主要功能是輸送水源或使水源增壓的機(jī)械[6]。在農(nóng)作物需要水分補(bǔ)充時(shí),控制系統(tǒng)通過(guò)控制水泵來(lái)進(jìn)行開啟,當(dāng)作物不需要水分補(bǔ)充的時(shí)候,控制系統(tǒng)控制電磁閥噴水頭來(lái)進(jìn)行關(guān)閉,此時(shí)管道中水壓繼續(xù)增壓,當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí),水泵中電機(jī)自動(dòng)斷電,水泵停止工作?；谶@一情況要求水泵需頻繁的啟停。會(huì)給電機(jī)造成過(guò)量發(fā)熱、絕緣性能下降、壽命降低的危險(xiǎn),極大可能的燒毀電機(jī),造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此在選用電機(jī)時(shí),既要考慮電機(jī)能抵抗頻繁啟停所帶來(lái)的損傷,也要考慮水泵的一個(gè)整體經(jīng)濟(jì)性。

8 電磁閥噴頭

噴水噴頭均勻的分布在需要灌溉的區(qū)域內(nèi),各個(gè)噴頭的開啟和關(guān)閉需要單獨(dú)控制。采用電磁閥式噴頭,在需要噴水時(shí),控制系統(tǒng)給噴頭一個(gè)電流信號(hào)。噴頭內(nèi)電磁閥可根據(jù)電流的大小控制噴頭開啟大小,以達(dá)到噴水量的多少。

9 各元件的安裝及分布

水泵內(nèi)置在蓄水池中,通過(guò)管道連接到每一個(gè)電磁閥噴頭。濕度傳感器安裝在每一個(gè)噴頭附近小于3m半徑范圍內(nèi)土壤中任意安裝。每個(gè)噴頭間隔6m半徑且距離土壤高度3m位置安裝[7]。一個(gè)濕度傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)噴頭,由于各個(gè)噴頭所處區(qū)域的土壤濕度可能不一樣,所需噴水量也各不相同。因此濕度傳感器采集的信息通過(guò)單片機(jī)控制其對(duì)應(yīng)的區(qū)域噴頭工作。溫度傳感器安裝一至兩個(gè)即可,安裝在單片機(jī)控制裝置附近即可,縮短線路的有效距離,實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)約成本。把單片機(jī)控制裝置安裝在蓄水池的附近以方便人為進(jìn)行介入操控的位置。

9.1 電源電路

根據(jù)灌溉的環(huán)境情況,系統(tǒng)選擇接入220V電源,因各元件工作狀態(tài)所需電流電壓不同,所以需要配置不同的電器來(lái)分別調(diào)節(jié)合適的電壓電流輸送到各元件。在噴頭和濕度傳感器的線路布置上,將低壓導(dǎo)線沿管道進(jìn)行鋪設(shè)連接,再接入單片機(jī)控制裝置[8]。溫度傳感器能夠使用低壓導(dǎo)線單獨(dú)接入單片機(jī)控制裝置。泵經(jīng)繼電器接入配電器中,繼電器由低壓導(dǎo)線接入單片機(jī)控制裝置。

9.2 顯示器

單片機(jī)控制裝置將各個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行處理后經(jīng)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示器上,其顯示的內(nèi)容有總體灌溉量、已灌溉量、還需灌溉量、水泵載荷情況、總用電量,各個(gè)元件電壓電流大小、蓄水池的蓄水量及各個(gè)數(shù)據(jù)的正常參考范圍量。管理者可以根據(jù)顯示出來(lái)的信息了解到整個(gè)灌溉的總體情況。

10 控制裝置的實(shí)現(xiàn)

10.1 數(shù)據(jù)采集

農(nóng)作物所處的生長(zhǎng)條件時(shí)刻都在發(fā)生著變化,對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施嚴(yán)密的監(jiān)控,為其適宜生長(zhǎng)的條件保駕護(hù)航。在農(nóng)作物相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集上需要使用傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器將采集到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。

10.2 數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù),進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),再計(jì)算處理。傳感器傳來(lái)的每組數(shù)據(jù)中都包含有具體的時(shí)間。單片機(jī)將其進(jìn)行儲(chǔ)存并傳輸在顯示器上進(jìn)行顯示。

10.3 控制過(guò)程

傳感器就是將采集到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中,單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理之后,首先判斷出農(nóng)作物土壤中此時(shí)的含水量,是否具備農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的條件,若不滿足,單片機(jī)對(duì)噴水元件就會(huì)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào),噴水控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)單片機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)打開電磁閥門。此時(shí)噴水頭進(jìn)行灌溉噴水。因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有閉環(huán)控制的功能。噴水控制系統(tǒng)進(jìn)行的同時(shí),土壤濕度傳感器也在實(shí)時(shí)進(jìn)行含水量的采集,當(dāng)含水量即將達(dá)到正常值時(shí),單片機(jī)將對(duì)噴水元件進(jìn)行微控制,可以時(shí)刻將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)發(fā)出的電信號(hào)對(duì)噴水元件噴水大小進(jìn)行微調(diào)控。土壤含水量達(dá)到正常值時(shí),單片機(jī)控制噴水元件停止工作。閉環(huán)控制的作用是使系統(tǒng)各個(gè)控制環(huán)節(jié)具有反饋功能,對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)補(bǔ)充水分具有重要的作用,為實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 程序流程圖Fig.1 Program flow chart

10.4 控制軟件

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)出流程圖,再根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)編寫出程序軟件代碼,程序語(yǔ)言代碼可用C語(yǔ)言編寫。程序流程圖如圖1所示。

11 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)系我國(guó)的基本國(guó)情,針對(duì)水資源欠缺這一基本問(wèn)題,根據(jù)單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng),利用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,使用閥門控制水量,以及液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示,最后通過(guò)電機(jī)的控制系統(tǒng)的節(jié)水灌溉功能,并在其他灌溉方面起到重要的作用。農(nóng)業(yè)的發(fā)展,離不開灌溉技術(shù)的進(jìn)步。在水資源日益匱乏的情況下,如何實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、節(jié)能節(jié)水的灌溉技術(shù),是今后農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展方向。在解決如何獲取水資源的問(wèn)題上,也是灌溉運(yùn)用首先要解決的問(wèn)題。某些地區(qū)主要靠降雨獲取水資源,獲取水資源的途徑單一。若遇降雨不及時(shí)的情況下,如何儲(chǔ)備水資源資源,保證水資源的充足,為灌溉提供有力的保障基礎(chǔ)。灌溉的硬件設(shè)施如何實(shí)現(xiàn)便于安裝,節(jié)能化、小型化、簡(jiǎn)單化、精準(zhǔn)化也是今后發(fā)展的主要方向。