基于作物需水機制的遠程無線自動化噴灌系統研究

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象十分嚴重，而農業用水效率不高，農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，造成水資源浪費嚴重、利用效率低下，加劇了水資源的短缺。近年來，國家對節灌技術的發展愈加重視，出現了許多新型的節水灌溉裝置，提出基于作物需水機制的遠程無線自動化噴灌系統，是以單片機為自動化控制中樞，采用Arduino技術設計，可以實時監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到適宜含水量范圍，從根本上改變了以人為經驗為依據的粗獷的灌溉方式，可以節省大量的資源。

關鍵詞 需水機制；單片機；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，國家農業節水灌溉裝備應用出現了西快東慢、中部遲緩的狀況，如新疆、甘肅、寧夏、內蒙、山西等地區已經把節水灌溉技術成功應用在棉花、玉米、馬鈴薯等大田作物上，如地膜覆蓋下的滴灌技術，西部、西北部地區已經用了五六年的時間，而中東部節水灌溉技術應用只限于目前的蔬菜、瓜果等設施農業種植方面。由于受地理條件、氣候、降雨量的大環境影響，我國的東北部、東南部節水灌溉裝備技術比較滯后，目前上述地區真正用在大田作物的節水灌溉甚少，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業節水，加快了農田水利工程建設的投入進程，此舉有效解決了農田水利工程的節水硬件基礎設施薄弱問題。但在水利工程建設運營過程中，缺乏有效的節水灌溉管理，在大部分農村地區，農民節水意識不夠，對于節水灌溉所帶來的經濟效益、社會效益及生態環境效益等的認識不到位，仍然普遍采用傳統的大水漫灌，導致節水灌溉工程難以發揮有效的作用。而在實際工程設計中，一些設計人員缺乏對當地地域環境、經濟狀況及種植農作物等因素的了解，憑借以往的水利工程設計經驗和相關資料完成節水灌溉設計，使得工程與當地經濟發展缺乏完整的契合，大大降低了節水性能的發揮，使得節水灌溉工程流于形式，難以發揮實際作用[2]。因此加強農業用水的政策、法規的制定和管理，因地制宜地發展各項節水技術的綜合集成，最大限度地減少農田灌溉各個環節水的損失，提高水資源的總體利用效率，才能實現真正意義上的全方位節水。

無線自動化灌溉系統是一種根據作物在所處生育期的適宜需水量進行灌溉的裝置。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，而當土壤濕度處在該范圍內時，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便通過紅外發射器向連接在單片機上的紅外接收器傳輸1個數據電信號，單片機每1 ms便進行1次是否噴水的判斷，同時發出1次噴水與否的命令。該裝置的普適性在于根據作物不同的需水機制對含水量上下限的設置，可以滿足各種作物的灌溉要求[3]。同時，通過增加與單片機所連的傳感器和水泵的數量，可實現對大區域種植的作物灌溉，所以該裝置可用于大區域、多種類的灌溉，具有廣闊的應用前景和巨大的發展潛力。

1 系統設計

1.1 程序設計原理

基于作物需水機制的遠程無線自動化噴灌系統，是以單片機為自動化控制中樞，可通過Arduino軟件編寫程序，并通過數據線，將程序寫入到單片機中。程序涉及的主要功能函數有：①analog Read函數，用于讀取引腳的模擬電壓值，接收傳感器傳輸的數據電信號。②if函數，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，則進行噴灌，若處于適宜含水量上下限之間或高于上限，則不進行噴灌。③digital Write函數，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，用于控制實時監測頻率，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回路。當作物缺水時，單片機接收到傳感器的高電信號，單片機控制開啟電磁繼電器，串聯回路連通，水泵開啟，通過噴頭噴灌作物，且LED燈亮，蜂鳴器以高頻率發聲；當作物不缺水時，單片機接收到傳感器的低電信號，單片機控制關閉電磁繼電器，串聯回路斷開，且LED燈關閉，蜂鳴器以低頻率發聲。

1.2 系統組成

該系統分為3個部分：單片機主板控制部分、實時監測及反饋部分和噴灌部分。單片機主板控制部分由單片機主板和電池相連組成，通過Arduino軟件編寫核心程序，然后將程序寫入單片機主板中；實時監測部分由傳感器和被監測的作物組成，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接口將程序寫入到單片機主板中。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行測量，并將測量結果實時傳輸給單片機主板。單片機主板通過其中的設定程序將傳入的含水量值與預設值進行判斷，如果低于下限值就下達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。當傳感器測得含水量值達到上限值時，單片機主板下達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 結論與討論

農田供水從水源到形成作物產量要經過4個環節。首先是從水源取水，通過輸水、配水等一系列工程設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將水源來水轉化為土壤水；第三是通過作物根系吸水，由土壤水轉化為生物水；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量。每一環節都會有水的損失，提高水的利用率和利用效率的關鍵在于探討各個環節的節水途徑、技術措施及其潛力，盡可能地減少每一環節中水的無效損耗。無線自動化灌溉系統是一種根據作物在所處生育期的適宜需水量進行灌溉的裝置，是一種新型田間灌水裝置，是當前節水灌溉發展的主要方面。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，每1 ms便進行1次是否噴水的判斷，同時發出噴水與否的命令，且可以根據作物不同的需水機制對含水量上下限進行程序修改，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，順應我國的節水灌溉趨勢，具有廣闊的應用前景和巨大的發展潛力。

節水農業是農業合理用水的高度概括，是一項農業、水利技術緊密結合，水、土、作物資源綜合開發的宏大的系統工程，節水灌溉僅僅是節水農業的一部分，通過農田節水灌溉的應用能夠降低農業水資源的浪費，改善我國水資源嚴重缺乏的國情，根據不同農作物在不同生長階段中所需要的水分，有針對性地科學灌溉，對于我國農業發展具有重要意義。相關部門必須加強農業節水灌溉工程的建設，強化農民的節水意識，不斷優化農業產業結構，確保節水灌溉在農業發展中發揮更大的作用和價值[6]，為實現農業現代化添磚加瓦。

參考文獻

[1] 張賀增，張春平.淺析我國節水灌溉發展現狀、存在的問題及發展趨勢[J].農業裝備技術，2015，41（2）：11-13.

[2] 王金偉.農田節水灌溉中存在的問題與對策分析[J].現代經濟信息，2015（22）：328.

[3] 姚林，鄭華斌，劉建霞，等.中國水稻節水灌溉技術的現狀及發展趨勢[J].生態學雜志，2014，33（5）：1381-1387.

[4] 鄺小磊.單片機應用技術綜述[J].電子工程師，2001，27（3）：12-16，20.

[5] 孫景生，康紹忠.我國水資源利用現狀與節水灌溉發展對策[J].農業工程學報，2000，16（2）：1-5.

[6] 李艷秋.農田節水灌溉中存在的主要問題及應對策略[J].科技風，2013（16）：221.