新型農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)

鄒德旺

摘 要：在當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)的有效提高是一個亟待解決的問題，也是一個長期受到各界關(guān)注的一個問題。文章采用了自主創(chuàng)新設(shè)計的節(jié)水灌溉裝置和監(jiān)測設(shè)備，通過WIFI模塊進行傳輸，實現(xiàn)了一套行之有效的節(jié)水灌溉聯(lián)動控制系統(tǒng)。

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

中圖分類號：S275 文獻標志碼：A 文章編號：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

我國國土面積廣大，地勢情況復(fù)雜，但是由于我國人口眾多，各類資源人均占有量相當少。全國每年水資源缺少量達到400億立方米，尤其在農(nóng)業(yè)灌溉方面，缺水量達到300億立方米。目前，正值我國經(jīng)濟快速發(fā)展的關(guān)鍵時期，環(huán)境問題不應(yīng)成為我國快速發(fā)展的絆腳石。在我國，水資源浪費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)的長久得不到進步和發(fā)展，使得水資源大量的被浪費與不合理的使用，人民的生命財產(chǎn)也相應(yīng)的受到了很大的傷害。針對這樣的情況，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)計劃等是勢在必行的，這些措施既能夠節(jié)約用水，發(fā)展符合新時代要求的新型農(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)的問題就是水資源的短缺問題，這來自于多個方面。由于我國正在發(fā)展成為世界第一大工廠，工業(yè)的迅猛發(fā)展在帶來好處與經(jīng)濟優(yōu)勢的同時也造成了水資源的極大污染，各地區(qū)水質(zhì)的惡化局面越來越嚴重。工業(yè)的排污現(xiàn)象越愈加嚴重使得本就缺乏的水資源進一步減少，這也是工業(yè)對于水資源污染的主要的污染源之一，全國每年排放污水量達到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愈加的嚴重，很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民區(qū)并沒有相應(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散，污染面積越來越大。另外，對于農(nóng)業(yè)灌溉當中，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重，當前來說，對于農(nóng)業(yè)灌溉中水資源的有效利用和控制成為一個亟待解決的問題。

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

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計主要包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分，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)主要包括了兩個部分，一個是灌溉控制器部分，另一個是地面數(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，進行整合處理，其內(nèi)部的專家診斷環(huán)節(jié)是基于一套強大的智能診斷系統(tǒng)，診斷后下達指令，是否進行相關(guān)的灌溉操作；另外一個數(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)焦喔瓤刂破鳌Ｏ到y(tǒng)的整體框圖如下圖1。

1.2 系統(tǒng)整體工作過程

中央控制計算機定時向數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)發(fā)送信號，此處信號的傳輸通過特定的WIFI通信模塊。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)收到信號以后通過CAN總線聯(lián)系下行的各個土壤水分傳感器實時在線地收集關(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CAN總線數(shù)據(jù)整合并返回到數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合處理傳送至灌溉控制系統(tǒng)并且同時傳回中央處理器進行存儲備份。灌溉控制器部分收到數(shù)據(jù)以后也通過CAN總線對下行的各個閥門控制器進行控制通斷，即進行節(jié)水灌溉。在灌溉指定時間之后，土壤水分傳感器再次監(jiān)測土壤中的含水率，達到指定的要求之后即傳輸信號給灌溉控制器停止灌溉，周而復(fù)始，這就構(gòu)成了一個閉環(huán)控制的自動灌溉系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是整個節(jié)水灌溉系統(tǒng)的重要的一個環(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斨小１鞠到y(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)處理器在每一塊農(nóng)田當中都需要進行安置。由于農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性，在數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)鋪設(shè)時每一塊農(nóng)田都安裝一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個采集系統(tǒng)當中都需要安裝一塊太陽能電池板進行供電，確保每一個采集系統(tǒng)模塊都能夠獨立的運作。每一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括太陽能電池板、蓄電池、數(shù)據(jù)采集控制器、短信模塊以及多個土壤水分傳感器。太陽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。數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。endprint

1.4 系統(tǒng)自動灌溉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計中的系統(tǒng)自動灌溉控制軟件部分采用簡潔的C語言編程，也是基于C語言編制了操作界面。軟件中設(shè)置了短信收發(fā)時間、數(shù)據(jù)的監(jiān)測時間、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)測系統(tǒng)和灌溉控制系統(tǒng)，對兩大系統(tǒng)進行實時的監(jiān)測與控制。

1.5 灌溉自動控制

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

2 試驗驗證

針對設(shè)計的灌溉控制系統(tǒng)進行了實時的試驗驗證。實地劃取了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個數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。其中每一個數(shù)據(jù)監(jiān)測控制系統(tǒng)的土壤水分傳感器都掩埋在同樣的深度，太陽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。

在試驗中，整個系統(tǒng)的控制目標是在人為干預(yù)的情況下和在沒有人為干預(yù)的情況下均能穩(wěn)定的維持作物生長，而不出現(xiàn)作物死亡、土壤干涸以及農(nóng)田水量過多的現(xiàn)象。通過試驗表明，整個系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)并運行或者在有人為干預(yù)的情況下，都能運行正常。作物灌溉頻率合適，灌溉水量能自動根據(jù)土壤的含水量進行調(diào)整，農(nóng)田當中的作物和花卉等植物都正常生長，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

現(xiàn)今社會的發(fā)展正在以前所未有的速度實現(xiàn)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的腳步更加大步邁進。在我國當前的水資源緊缺的情況下，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉是一項重要的工程。農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉既解決了水資源匱乏的問題，又能保證農(nóng)民生命財產(chǎn)的安全。本文基于以上的現(xiàn)實情況設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)自動控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了從農(nóng)田數(shù)據(jù)自動監(jiān)測與采集到灌溉自動控制的全自動化運行，減少了人為工作。本文將該系統(tǒng)實際運用于農(nóng)田中，進行了試驗，得出的結(jié)果和預(yù)期一致能夠有效地進行自動化控制并實現(xiàn)精準地灌溉。

本系統(tǒng)設(shè)計作為農(nóng)業(yè)自動化設(shè)計的一個環(huán)節(jié)，為以后的農(nóng)業(yè)的自動化發(fā)展提供了一個良好的建議和參考，對農(nóng)作物節(jié)水灌溉策略是一個很重要的建議。

參考文獻：

[1]楊耿煌，郭開榮，李亞偉.基于GSM短信平臺的灌溉自動控制器的開發(fā)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，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研究現(xiàn)狀與進展[J].水科學(xué)進展，2004，15（4）：531-535.

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