智能灌溉系統(tǒng)初步研究與設(shè)計(jì)

李劍

摘 要：農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開灌溉，精確合理的灌溉不僅能使糧食增產(chǎn)，還能節(jié)約水資源。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在水資源短缺等現(xiàn)象。本文結(jié)合模糊控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行合理的灌溉，提高農(nóng)作物對(duì)水分的充分利用率，從而達(dá)到高產(chǎn)、高效、和節(jié)約水資源的目的。

關(guān)鍵詞：智能;灌溉系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1緒論

1.1研究的目的

在過去，整個(gè)社會(huì)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，人口相對(duì)較少，對(duì)水等資源的需求較少，且人們一致認(rèn)為“水取之不盡，用之不完”，由于這種觀念根深蒂固，同時(shí)節(jié)約用水也只是嘴上說(shuō)說(shuō)，人們并未采取實(shí)際行動(dòng)，這直接導(dǎo)致很多國(guó)家陷入缺水的困境。

在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中，灌溉都是靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，無(wú)專家或者學(xué)者指導(dǎo)，這也導(dǎo)致了很大程度上的浪費(fèi)，同時(shí)由于無(wú)專業(yè)技術(shù)設(shè)備支撐，我們更無(wú)法得知土壤濕度等各方面的指標(biāo)，一方面水資源浪，另一方面農(nóng)作物無(wú)法更好的生長(zhǎng)。

1.2研究的意義

我國(guó)水資源總量大，但是人均擁有量則是世界上最貧乏的國(guó)家之一[7]，我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，水資源的消耗非常巨大，但是整體利用率不高。同時(shí)我國(guó)有著嚴(yán)重的地域性缺水，在云南地區(qū)近幾年存在著嚴(yán)重的缺水狀況。

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按期、按需自動(dòng)供水灌溉，從而避免人工粗放灌溉造成的水資源浪費(fèi)。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式正在向集約化、大型化，智能化方向發(fā)展。

2整體方案設(shè)計(jì)

2.1整體方案設(shè)計(jì)原理

經(jīng)過各階段的全面分析，本設(shè)計(jì)智能灌溉控制系統(tǒng)可以由以下的幾個(gè)模塊構(gòu)成。單片機(jī)模塊（整個(gè)模塊的核心系統(tǒng)，模塊的控制核心）、顯示模塊、電源模塊、檢測(cè)模塊、灌溉模塊等模塊。在對(duì)智能灌溉控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，首先用軟件進(jìn)行程序編寫，并進(jìn)行認(rèn)真檢查，直到能在軟件上模擬出來(lái)。之后我們?cè)诟鶕?jù)已畫好的電路圖畫出焊接實(shí)物。智能灌溉控制系統(tǒng)采用了土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤的濕度，在通過ADC轉(zhuǎn)換芯片將土壤濕度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送至單片機(jī)，并根據(jù)內(nèi)置的模糊控制規(guī)則執(zhí)行灌水動(dòng)作，當(dāng)需要灌溉時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)，并根據(jù)內(nèi)置的控制規(guī)則控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;當(dāng)測(cè)得的土壤濕度不在控制灌溉范圍內(nèi)，控制單元不動(dòng)作，電機(jī)處于常態(tài)。土壤濕度的實(shí)時(shí)變化情況在顯示屏上顯示出來(lái)。智能灌溉控系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示：

智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求：

（1）降壓電路將12v電壓轉(zhuǎn)換為5v;

（2）土壤濕度傳感器檢測(cè)出土壤濕度并根據(jù)蜂鳴器來(lái)提示是否需要灌溉;

（3）有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式

（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速能根據(jù)預(yù)想的進(jìn)行;

2.2 傳感器的選擇

傳統(tǒng)的模擬量傳感器運(yùn)用電流、電壓、電阻等表示被測(cè)參數(shù)的大小，可靠性差，檢測(cè)數(shù)據(jù)精度不高，響應(yīng)時(shí)間較慢。數(shù)字式傳感器很好的彌補(bǔ)了模擬量傳感器的不足，抗外界干擾能力強(qiáng)，一致性好，在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的使用，大大提高了生產(chǎn)效率。但是本文檢測(cè)的是單一的盆栽農(nóng)作物根系周圍土壤濕度，盆栽的土壤濕度受外界光照、土壤類型、氣候條件、環(huán)境溫度等因素影響不大，情況比較簡(jiǎn)單。此外，數(shù)字式土壤濕度傳感器造價(jià)成本高，價(jià)格昂貴，功能全面，大多運(yùn)用在科技研發(fā)、工程應(yīng)用以及家電行業(yè)領(lǐng)域。所以選擇性價(jià)比高，經(jīng)濟(jì)適用的模擬傳感器更符合自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的要求。綜合考慮，本文選用土壤濕度傳感器作為土壤濕度檢測(cè)模塊。

2.3 控制系統(tǒng)的選擇

科技的迅速發(fā)展，讓PLC和單片機(jī)在各種領(lǐng)域得到了全面的應(yīng)用。PLC主要用于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件，其特點(diǎn)是非常可靠。而單片機(jī)作為一種可編程集成芯片，體積小，使用簡(jiǎn)單，在一定場(chǎng)合配合外圍電路，可以用來(lái)設(shè)計(jì)所需要的各種功能。本文是基于傳感器的工作方式，采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)更為合適，因此選用STC89c54單片機(jī)作為智能灌溉控制系統(tǒng)的主控制器。

2.4 小結(jié)

本章節(jié)主要介紹了智能灌溉控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，先是通過對(duì)比數(shù)字量傳感器和模擬傳感器，最終確定使用模擬傳感器。然后確定控制系統(tǒng)。

3期望與總結(jié)

3.1 論文總結(jié)

智能灌溉控制系統(tǒng)以土壤濕度為灌溉指標(biāo)，通過模糊控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)土壤濕度的智能控制，使得灌溉更加實(shí)時(shí)同時(shí)水資源也得到充分利用。相信以后在這方面會(huì)不斷完善，使農(nóng)業(yè)更加智能化，經(jīng)過測(cè)試和設(shè)想的效果一樣：手動(dòng)模式可自行改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的檔位，在自動(dòng)模式下根據(jù)土壤濕度不同電機(jī)轉(zhuǎn)速的檔位也不同，實(shí)現(xiàn)了智能灌溉的效果。符合了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，批量生產(chǎn)的話，市場(chǎng)空間無(wú)限大。

3.2 工作展望

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)灌溉控制技術(shù)正在越來(lái)越多的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理中，所以基于模糊控制的智能灌溉控制有很大的需求價(jià)值。本設(shè)計(jì)能按預(yù)期的方案予以實(shí)現(xiàn)，完成智能灌溉的功能。但是由于研究對(duì)象的復(fù)雜性再加上水平有限，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還存在一些不足之處。

（1）僅以土壤濕度作為灌溉指標(biāo)，精度不高，可以考慮環(huán)境溫度，各種農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)土壤濕度的要求。

（2）改換更精確的測(cè)量土壤濕度的傳感器。

（3）灌溉面積有限，應(yīng)該繼續(xù)改進(jìn)，進(jìn)行功能擴(kuò)展，將其應(yīng)用到溫室等其他自動(dòng)灌溉控制的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1]王文婷， 翟國(guó)亮， 郭二旺，等. 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)[J]. 河南水利與南水北調(diào)， 2021.

[2]楊全麗， 李旭， 花元濤，等. 南疆小麥智能灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2021（5）：4.