卷盤供水式噴灌機智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究*

唐嘉利，黨 濤，朱 茵

(內蒙古嘉利節(jié)水灌溉有限責任公司，內蒙古 錫林郭勒盟 011200)

0 引言

卷盤供水式噴灌機基于大斷面、小壓力設計原理，采用水渦輪式動力驅動系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)小流量下較高的噴灌速度，滿足大面積農田節(jié)水灌溉的需求。PE(聚乙烯)管中的水流經水渦輪驅動加速后形成高壓水流到達噴頭處，根據農田浸濕程度調節(jié)控制噴頭出水量大小，實現(xiàn)農田“按需噴灌，節(jié)水灌溉”的作業(yè)原則。因此，通過智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)實時收集農田土壤數(shù)據參數(shù)，計算農作物需水量，自適應控制噴灌出口流速及作業(yè)時間，對利用卷盤供水式噴灌機達到節(jié)水和農田增產效果具有重要研究意義和工程實用價值[1]。

1 農田作物需水量計算

農田作物需水量計算是噴灌機智能監(jiān)測系統(tǒng)設計的核心，是確定農作物灌溉方案與評估用水量的理論依據[2]。在維持土壤持水量60%～80%作業(yè)條件下，單位體積(cm3)土壤層內水的質量M水(g)為：

M水=(60%～80%)×P×ρ水.

(1)

其中：P為土壤持水量，內蒙古錫林郭勒盟土壤持水量約為20%；ρ水為水的密度，ρ水=1 g/cm3。

對應的單位體積(cm3)土壤層相對含水量Swc為：

(2)

其中：ρ土為烘干土壤的密度，ρ土=1.4 g/cm3。

由公式(1)和公式(2)計算得到：M水=0.12 g～0.16 g，Swc=8.56%～11.36%。因此可將智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測敏感度設定在8.56%～11.36%區(qū)間范圍內，以便于噴頭流量及流速的自適應控制[3]。

在實際農田灌溉過程中，假定供水管網提供的是恒定水壓，根據伯努利方程可知，在恒定水流及噴頭出水量一定的條件下，灌溉時間取決于灌溉水量值。文獻[4]研究表明，只要通過噴灌監(jiān)測系統(tǒng)控制開啟灌溉閥門時間長短就可以實現(xiàn)精準控制農作物灌溉水量，滿足農作物土壤所需水分的平衡要求[5]。一次灌溉持續(xù)時間t(min)的計算公式為：

(3)

其中：Kc為農作物之間生長的間隙系數(shù)；L為灌溉單位面積所需水量，mm3；S1為噴管間距，mm；S2為噴頭間距，mm；Q為噴頭流量，mm3/h。

智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)通過土壤層中的水分傳感器采集數(shù)據，實時將數(shù)據反饋到監(jiān)測系統(tǒng)，從而準確控制噴灌持續(xù)時間。

2 智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)組成

智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設計理念，控制系統(tǒng)整體由控制主機(上位機)和數(shù)據采集系統(tǒng)(下位機)組成，數(shù)據傳輸通過CAN總線網絡實現(xiàn)。智能噴灌監(jiān)測控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 智能噴灌監(jiān)測控制系統(tǒng)原理圖

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要包括上位機硬件和下位機硬件[6]。其中，下位機硬件主要由土壤層水分傳感器、微處理單片機STC89C52和實時CAN數(shù)據傳輸控制器組成。土壤層水分傳感器用于監(jiān)測噴灌后土壤層含水量，本文選用電磁脈沖型頻域反射傳感器，通過檢測土壤層表觀介電常數(shù)來表征土壤層水分含量。微處理系統(tǒng)STC89C52作為下位機智能控制節(jié)點的核心，起到連接傳感器數(shù)據采集模塊與實時CAN數(shù)據傳輸?shù)墓δ?，其采用美國STC公司生產的89C52型單片機，它是一款抗干擾能力強、低功耗、高傳輸速率的微處理系統(tǒng)。實時CAN數(shù)據傳輸控制器采用Philips公司的SJA1000控制器，CAN數(shù)據傳輸遵循標準的CANL和CANH通訊協(xié)議，確保土壤層水分傳感器采集到的數(shù)據能夠高效快速無損地傳輸?shù)缴衔粰C主控制系統(tǒng)[7]。下位機硬件系統(tǒng)智能節(jié)點數(shù)據通訊連接如圖2所示。

圖2 下位機硬件系統(tǒng)智能節(jié)點數(shù)據通訊連接

智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)控制主機作為上位機，其功能是進行數(shù)據的分析處理及數(shù)據的實時顯示。上位機根據噴灌要求適時發(fā)送控制指令到下位機，實現(xiàn)噴灌機噴頭流量大小及噴灌時間長短的控制。此外，上位機接收土壤水分傳感器的實時數(shù)據，通過軟件算法利用CAN數(shù)據傳輸通道自適應調整噴灌工序及農田作業(yè)方案[8]。智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)總體控制邏輯框圖如圖3所示。

圖3 智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)總體控制邏輯框圖

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計主要包括主控制程序開發(fā)、傳感器數(shù)據采樣程序及CAN總線數(shù)據傳輸程序開發(fā)等。土壤層水分傳感器執(zhí)行“采樣-模數(shù)/轉換-輸出”的循環(huán)工作模式，通過I/O數(shù)據端口的通訊程序執(zhí)行上述操作。CAN總線數(shù)據傳輸程序開發(fā)是基于CAN報文初始化、接收發(fā)送、解碼的設計原則。初始化過程中主要執(zhí)行CAN控制器SJA1000工作模式、傳輸波特率等設置；接收發(fā)送則是執(zhí)行CAN報文數(shù)據幀的設置；解碼是讀取CAN傳輸?shù)恼鎸崝?shù)據的程序編譯過程。主控制程序采用串級控制的設計方法，將上位機作為主控制器，下位機作為副控制器，土壤層水分傳感器將農田含水量信號實時發(fā)送到主、副控制器中，將最終的決策信息由CAN總線傳輸?shù)絿姽鄼C噴頭的執(zhí)行元件，從而實現(xiàn)農田噴灌作業(yè)的閉環(huán)反饋控制[9]。

3 智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

利用Visual Studio 2016編譯器中的MFC功能，開發(fā)了融合數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據通訊、CAN通訊、灌溉控制的智能噴灌監(jiān)測控制系統(tǒng)的人機交互界面，如圖4所示。利用該人機交互界面可以實時監(jiān)測噴頭壓力、土壤層水分等數(shù)據，并可根據實時數(shù)據反饋將灌溉模式切換到自動狀態(tài)，實現(xiàn)遠程控制。

圖4 智能灌溉人機交互界面

選用內蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗一塊試驗用田，通過設置智能監(jiān)測系統(tǒng)為自動運行狀態(tài)，即人機界面顯示為自控允許、正在自控狀態(tài)，此時所有噴灌閥門均已打開；系統(tǒng)根據土壤水分傳感器采集到的數(shù)據自適應調整泵站1#和泵站2#的供水壓力，使得某一時刻高位池水位為3.23 m，此時通過人機界面實時數(shù)據顯示可知，土壤層水分維持到20%附近，已達到智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)的土壤水分監(jiān)測敏感度區(qū)間范圍，表明監(jiān)測系統(tǒng)總體性能比較穩(wěn)定。

4 結論

本文利用CAN總線網絡搭建了智能噴灌監(jiān)測系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)模塊化設計原則，進行了監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)開發(fā)，最終形成融合控制主機(上位機)和數(shù)據采集系統(tǒng)(下位機)的串級控制系統(tǒng)。Visual Studio 2016編譯器的MFC開發(fā)的智能噴灌人機交互界面可實時數(shù)據顯示，為卷盤供水式噴灌機市場化推廣普及奠定了堅實基礎。