卷盤供水式噴灌機智能噴灌監測系統設計與研究*

唐嘉利，黨 濤，朱 茵

(內蒙古嘉利節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，能夠實現小流量下較高的噴灌速度，滿足大面積農田節水灌溉的需求。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控制噴頭出水量大小，實現農田“按需噴灌，節水灌溉”的作業原則。因此，通過智能噴灌監測系統實時收集農田土壤數據參數，計算農作物需水量，自適應控制噴灌出口流速及作業時間，對利用卷盤供水式噴灌機達到節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測系統設計的核心，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測系統的土壤水分監測敏感度設定在8.56%～11.36%區間范圍內，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，只要通過噴灌監測系統控制開啟灌溉閥門時間長短就可以實現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；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。

智能噴灌監測系統通過土壤層中的水分傳感器采集數據，實時將數據反饋到監測系統，從而準確控制噴灌持續時間。

2 智能噴灌監測系統組成

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

圖1 智能噴灌監測控制系統原理圖

2.1 監測系統硬件設計

監測系統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數據傳輸控制器組成。土壤層水分傳感器用于監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來表征土壤層水分含量。微處理系統STC89C52作為下位機智能控制節點的核心，起到連接傳感器數據采集模塊與實時CAN數據傳輸的功能，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。實時CAN數據傳輸控制器采用Philips公司的SJA1000控制器，CAN數據傳輸遵循標準的CANL和CANH通訊協議，確保土壤層水分傳感器采集到的數據能夠高效快速無損地傳輸到上位機主控制系統[7]。下位機硬件系統智能節點數據通訊連接如圖2所示。

圖2 下位機硬件系統智能節點數據通訊連接

智能噴灌監測系統控制主機作為上位機，其功能是進行數據的分析處理及數據的實時顯示。上位機根據噴灌要求適時發送控制指令到下位機，實現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據，通過軟件算法利用CAN數據傳輸通道自適應調整噴灌工序及農田作業方案[8]。智能噴灌監測系統總體控制邏輯框圖如圖3所示。

圖3 智能噴灌監測系統總體控制邏輯框圖

2.2 監測系統軟件設計

監測系統軟件設計主要包括主控制程序開發、傳感器數據采樣程序及CAN總線數據傳輸程序開發等。土壤層水分傳感器執行“采樣-模數/轉換-輸出”的循環工作模式，通過I/O數據端口的通訊程序執行上述操作。CAN總線數據傳輸程序開發是基于CAN報文初始化、接收發送、解碼的設計原則。初始化過程中主要執行CAN控制器SJA1000工作模式、傳輸波特率等設置；接收發送則是執行CAN報文數據幀的設置；解碼是讀取CAN傳輸的真實數據的程序編譯過程。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送到主、副控制器中，將最終的決策信息由CAN總線傳輸到噴灌機噴頭的執行元件，從而實現農田噴灌作業的閉環反饋控制[9]。

3 智能噴灌監測系統性能測試

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

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，通過設置智能監測系統為自動運行狀態，即人機界面顯示為自控允許、正在自控狀態，此時所有噴灌閥門均已打開；系統根據土壤水分傳感器采集到的數據自適應調整泵站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據顯示可知，土壤層水分維持到20%附近，已達到智能噴灌監測系統的土壤水分監測敏感度區間范圍，表明監測系統總體性能比較穩定。

4 結論

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