智能灌溉系統設計與研究*

沈佳佳 江偉 王昆侖

(六盤水師范學院礦業與土木工程學院,貴州六盤水 553000)

0 引言

人類從事農業生產活動以來,灌溉的目的就是為了補充土壤中所需要水分,以保證農作物的正常生長,獲取高產穩產。但自然條件下,往往因降水量不足或縫補不均勻,不能很大程度上滿足農作物的水分需求。因此人為的干預或許能夠彌補自然降雨造成的缺失。傳統的灌溉方法費時費力,且效果不佳。一些地理條件艱苦的地區,以貴州的卡斯特地貌為例,農作物面積大多呈豎直方向分布,灌溉顯得復雜,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行成本偏低且符合貴州當地農業生產情況的方法作為灌溉手段。

1 灌溉方式

傳統的灌溉方式大多數多采用漫灌的方式,然而這種方式的所需水量較大,極易造成水資源的浪費。在進行漫灌作業時不僅費時費力還不易控制水量。水量多了對作物不但無用反而有害。只能抽出多余的水量,增加了復雜程度[1]。因此灌溉智能管理系統的設計就顯得尤為重要,有效的節約水資源,降低勞動成本,不同的作物,根據其農作物自身生長性能數據庫及采集農作物所生長的土壤濕度和生長環境的溫度自動進行匹配數據庫中的所需水量,自動噴灑系統噴出需水量。全程智能化控制,無需人工進行干預。充分發揮了智能化的作用,實現水資源的合理配置,提高水資源的利用率,降低生產成本,保護生態環境,以最少的資源付出,來獲取最大的農業效益,建設成農業循環經濟,有利于農業長久的發展。

2 智能系統的組成

智能灌溉系統由空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器、C51單片機、壓力控制式水泵(內置電機)、電磁閥式噴頭、液晶顯示器、塑料管道組成[2]。其組成結構簡單,且各元件互換性強,安裝維護方便,大大提高了維修養護的經濟性。

3 蓄水池

蓄水池的作用就是為灌溉提供水資源。構造上采用封閉式矩形,可根據地形和蓄水量的需求選取不同規格的尺寸。在農作物地表一定深度下構建一個蓄水池,它采用混泥土結構,混泥土具有良好的可塑性且價格低,抗壓強度高,耐持久性好,經濟效益明顯。在空間上能夠有效的節約空間資源,由于采用封閉式構造,具有防漏水和防蒸發的功能,能夠有效的減少水分的流失[3]。

4 溫度傳感器

通過溫度傳感器來識別農作物處于什么樣的天氣環境狀況。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,在特定的環境下保證所采集的信號絕對準確,才能讓控制系統精準控制噴水量。AD590是美國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/℃。當在電路中串接采樣電阻R時,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輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源,最高可達20MΩ,所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

5 土壤濕度傳感器

農作物是否需要補充水分,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藥成分,對傳感器會有較強的腐蝕性。在傳感器的選擇上應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,根據電磁波在土壤介質中的傳播頻率來檢測土壤的表現介質電常數,從而得到土壤中的相對含水量。其特點是體積小巧、安裝和維護簡單適用范圍較廣[5]。

6 單片機

單片機的特點是集成度高、體積小、抗干擾能力強、可靠性高、在開發過程中可以利用匯編語言或C語言來進行編程,功率低、低電壓、具有斷電保護功能,通用性好具有較好的性價比。符合設計生產低成本的理念。針對單片機的控制部分,包括了農業灌溉系統的單片機電路部分。憑借AT89C51單片機對其進行控制,并設置了8KB的單元存儲程序設備,可用于信息數據的存儲。通過此項設置,系統就能夠實現大量數據信息的處理,硬件部分的設計可以適當的減少,且不會影響到系統的正常運行。

7 水泵

水泵作為灌溉系統的核心部件,主要功能是輸送水源或使水源增壓的機械[6]。在農作物需要水分補充時,控制系統通過控制水泵來進行開啟,當作物不需要水分補充的時候,控制系統控制電磁閥噴水頭來進行關閉,此時管道中水壓繼續增壓,當壓力達到一定值時,水泵中電機自動斷電,水泵停止工作。基于這一情況要求水泵需頻繁的啟停。會給電機造成過量發熱、絕緣性能下降、壽命降低的危險,極大可能的燒毀電機,造成一定的經濟損失。因此在選用電機時,既要考慮電機能抵抗頻繁啟停所帶來的損傷,也要考慮水泵的一個整體經濟性。

8 電磁閥噴頭

噴水噴頭均勻的分布在需要灌溉的區域內,各個噴頭的開啟和關閉需要單獨控制。采用電磁閥式噴頭,在需要噴水時,控制系統給噴頭一個電流信號。噴頭內電磁閥可根據電流的大小控制噴頭開啟大小,以達到噴水量的多少。

9 各元件的安裝及分布

水泵內置在蓄水池中,通過管道連接到每一個電磁閥噴頭。濕度傳感器安裝在每一個噴頭附近小于3m半徑范圍內土壤中任意安裝。每個噴頭間隔6m半徑且距離土壤高度3m位置安裝[7]。一個濕度傳感器對應一個噴頭,由于各個噴頭所處區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單片機控制其對應的區域噴頭工作。溫度傳感器安裝一至兩個即可,安裝在單片機控制裝置附近即可,縮短線路的有效距離,實現最大化節約成本。把單片機控制裝置安裝在蓄水池的附近以方便人為進行介入操控的位置。

9.1 電源電路

根據灌溉的環境情況,系統選擇接入220V電源,因各元件工作狀態所需電流電壓不同,所以需要配置不同的電器來分別調節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,將低壓導線沿管道進行鋪設連接,再接入單片機控制裝置[8]。溫度傳感器能夠使用低壓導線單獨接入單片機控制裝置。泵經繼電器接入配電器中,繼電器由低壓導線接入單片機控制裝置。

9.2 顯示器

單片機控制裝置將各個傳感器采集的信息進行處理后經A/D數據轉換器將數據顯示到液晶顯示器上,其顯示的內容有總體灌溉量、已灌溉量、還需灌溉量、水泵載荷情況、總用電量,各個元件電壓電流大小、蓄水池的蓄水量及各個數據的正常參考范圍量。管理者可以根據顯示出來的信息了解到整個灌溉的總體情況。

10 控制裝置的實現

10.1 數據采集

農作物所處的生長條件時刻都在發生著變化,對農作物生長環境的相關數據實施嚴密的監控,為其適宜生長的條件保駕護航。在農作物相關數據的監控和采集上需要使用傳感器來實現。傳感器將采集到的物理信號轉變為相應的電信號通過導線傳輸到單片機。

10.2 數據處理

單片機將傳感器采集到的數據,進行分類統計,再計算處理。傳感器傳來的每組數據中都包含有具體的時間。單片機將其進行儲存并傳輸在顯示器上進行顯示。

10.3 控制過程

傳感器就是將采集到的數據傳送到單片機中,單片機將數據處理之后,首先判斷出農作物土壤中此時的含水量,是否具備農作物正常生長的條件,若不滿足,單片機對噴水元件就會發出一個控制信號,噴水控制系統會根據單片機傳遞過來的信號打開電磁閥門。此時噴水頭進行灌溉噴水。因為該系統具有閉環控制的功能。噴水控制系統進行的同時,土壤濕度傳感器也在實時進行含水量的采集,當含水量即將達到正常值時,單片機將對噴水元件進行微控制,可以時刻將傳感器采集的數據進行對比,通過發出的電信號對噴水元件噴水大小進行微調控。土壤含水量達到正常值時,單片機控制噴水元件停止工作。閉環控制的作用是使系統各個控制環節具有反饋功能,對實施精準補充水分具有重要的作用,為實現節約用水提供必要的技術基礎。

圖1 程序流程圖Fig.1 Program flow chart

10.4 控制軟件

根據系統所要實現的功能設計出流程圖,再根據流程圖設計編寫出程序軟件代碼,程序語言代碼可用C語言編寫。程序流程圖如圖1所示。

11 結語

聯系我國的基本國情,針對水資源欠缺這一基本問題,根據單片機設計的智能灌溉系統,利用溫濕度傳感器進行數據的采集,使用閥門控制水量,以及液晶顯示屏進行數據的顯示,最后通過電機的控制系統的節水灌溉功能,并在其他灌溉方面起到重要的作用。農業的發展,離不開灌溉技術的進步。在水資源日益匱乏的情況下,如何實現高效率、低成本、節能節水的灌溉技術,是今后農業灌溉的發展方向。在解決如何獲取水資源的問題上,也是灌溉運用首先要解決的問題。某些地區主要靠降雨獲取水資源,獲取水資源的途徑單一。若遇降雨不及時的情況下,如何儲備水資源資源,保證水資源的充足,為灌溉提供有力的保障基礎。灌溉的硬件設施如何實現便于安裝,節能化、小型化、簡單化、精準化也是今后發展的主要方向。