?果園直流電自動灌溉系統實現與應用研究

摘要： 應用光伏、計算機等先進技術，建設一套不依賴市電、可無人值守、分布式控制、效率較高、絕對保證生產安全的自動化節能噴灌系統。該系統通過光伏實現了各工作站的獨立供電，并通過對工作站中無線傳感網節點的編程，實現了對機電設備分布式控制，保證了系統布設低成本與靈活性。同時，全系統使用直流設備，通過合理的電路設計，在確保系統正常工作的同時，實現了節能和保障人員安全的目標。此外，系統通過水錘泵與溢流管的使用，將灌溉系統的蓄水端與供水端解耦，不僅降低了系統的建設與運行費用，還簡化了系統實現自動控制的邏輯，減輕了開發人員的負擔。

關鍵詞： 果園；自動灌溉系統；直流電；太陽能；無線傳感網

中圖分類號：S277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2024）01-0060-04

Implementation and Application of a DC Automatic Irrigation System for Orchards

LI Rui1，2，YANG Yu1，2，LI Si-qing3，4，ZHOU Xiang-juan3，4

（1. Hunan Institute of Agricultural Information and Engineering， Hunan Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410125， PRC;

2. Fruit Industry System of Hunan Province， Changsha 410125， PRC; 3. Hunan Dashaoxing Agricultural Development Co.， Ltd.，

Shaoshan 411300， PRC; 4. Siqing Planting and Breeding Cooperative in Shaoshan， Shaoshan 411300， PRC）

Abstract： Leveraging advanced technologies such as photovoltaics and computers， an automated energy-saving sprinkling irrigation system was designed. This system was characterized by independence on mains supply， unattended operation， distributed control， high efficiency， and absolute production safety. The system realized the independent power supply of each workstation through photovoltaics and achieved distributed control of mechanical and electrical equipment by the programming of the wireless sensor network node in the workstation， ensuring the low cost and flexibility of the system layout. The whole system used DC equipment， which saved energy and ensured human safety during working through reasonable circuit design. In addition， the system adopted hydraulic rams and overflow pipes to decouple the water storage end and the water supply end of the irrigation system， which not only reduced the construction and operation costs but also simplified the logic of the system to achieve automatic control， reducing the burden of the developer.

Key words： orchard; automatic irrigation system; direct current; solar energy; wireless sensor network

我國是全球人均水資源較貧乏的國家之一。農業是我國的用水大戶，2006—2021年農業年均用水占比均超過60%[1-2]。然而，傳統的農業灌溉模式不僅效率低下，而且容易造成水資源的浪費，其中果園灌溉問題尤為突出。傳統的果園灌溉主要以大水漫灌等人工方式完成，一方面需要較多勞動力，灌溉效果也不佳；另一方面在灌溉等農事作業中，仍多使用市電驅動電機等設備，導致安全事故時有發生。因此，在確保果樹需水量和人員安全的前提下，發展果園智能灌溉系統，以自動化的手段代替人工，以直流電代替交流電，是自動灌溉的發展方向之一[3-5]。相較于傳統灌溉技術，自動化灌溉系統在節水、節約人工成本、提高效率等方面有著巨大的優勢。隨著時代的發展，自動化灌溉系統得到越來越廣泛的應用。目前使用的自動化灌溉系統，多依賴市電，采用集中式控制的方式，導致系統在建設成本、布設靈活性、節能等方面尚存在不足。隨著物聯網的興起，由節點設備對機電設備進行分布式控制的自動化模式，以其經濟、節能、靈活等特點，在農業生產上的應用越來越廣泛。

湖南大韶興農業發展有限公司集水蜜桃栽培、苗木繁育、技術研發、產品銷售于一體，有特色水蜜桃基地27.3 hm2、油茶基地18.7 hm2，均為山坡地種植，對自動化灌溉的需求迫切，且對節能、人力成本控制等方面有較為嚴格的要求。應公司要求，課題組進行了“規模化果樹栽培灌溉解決方案應用與示范”項目研究，以期根據當地實際情況，以最小的成本，在部分水蜜桃種植坡地實現自動灌溉。該項目確定的系統方案為：應用光伏、計算機等先進技術，建設一套不依賴市電、可無人值守、分布式控制、效率較高、絕對保證生產安全的自動化節能噴灌系統[6]。現將該系統的相關情況介紹如下。

1 系統技術方案

傳統自動灌溉系統以市電供能，系統在農業生產中的布設受諸多限制，且對農事作業人員存在嚴重的安全隱患。該系統通過在立桿頂部安裝太陽能板，以2個戶外箱為1組。其中，1組戶外箱中安放電池，安裝傳感網節點與繼電器等控制設備；另1組戶外箱以抱箍固定于立桿之上，借助控制器將太陽能板、鉛酸蓄電池（動力電池）、負載整合起來，形成一個獨立的工作站，借助光伏—電池—負載模式，實現了野外無依托持續供能[7-8]。并且系統中設備的工作電壓始終控制在人體安全電壓（36 V）以下，確保了農事作業人員的絕對人身安全。此外，傳統自動灌溉系統的蓄水池采用開放式磚瓦結構，蓄水端、供水端通過高低水位傳感器協調，實現自動灌溉。而該系統通過設計，確保蓄水端永遠處于滿水狀態，使得供水端作業不受蓄水端制約，并且省去了水位傳感器，節約了成本，提高了效率。

1.1 系統的蓄水方案

如圖1所示，系統采用市售密封玻纖罐蓄水（周邊環境許可，如無尖刺、無大型動物踩踏的話，也可采用PVC儲水軟囊），水罐容積根據客戶需求，以滿足2～3次灌溉需求為宜，水罐通過水錘泵從遠處流水中汲水，儲水罐中的水注滿后，通過溢流管自動流回水源處。其中，水錘泵為純機械設備，結構簡單、工作可靠，通過流水壓縮空氣，利用氣壓將水泵壓至遠處，如此往復。水錘泵的唯一限制是需要流水，在項目實施地附近有一條四季水量充沛的小溪，小溪與水罐的高差（即揚程）約50 m，直線距離約300 m。在泵水過程中，水錘泵完全依靠流水壓縮空氣，無需額外的能源，且揚程較高，泵水距離較遠。此外，由于溢流管的存在，水罐蓄滿后，多余的水直接返回水源，而不會在坡地流散，加之從地表取水，無需汲取地下水，因此系統對環境十分友好。最后，由于溢流管的存在，水錘泵可常年自動工作，無需休息停止，確保持續蓄水，使得水罐水位在2次作業灌溉期間總保持在滿溢狀態。

1.2 設備與取能

如圖1所示，為了擺脫對市電的依賴，同時確保系統對人身的絕對安全，采用直流增壓泵對干管進行增壓，直流閥導通與關閉支管，實現灌溉的自動化。其中，直流閥的工作電能由太陽能工作站提供，同時太陽能工作站中還集成了無線傳感器節點與繼電器組，用于實現對直流閥的控制。太陽能工作站以光伏+動力蓄電池的方式給閥與控制設備供電，確保蓄電池連續供能時，能持續得到光伏設備的充能，從而確保設備無依托24 h連續運行。直流增壓泵功率較大，因此電池組的容量、太陽能板的規模均較大，故而單獨為泵設置一個供能站，工作站只需負責其中集成的控制設備的供電，用以控制閥、泵的得電與失電即可。直流閥為市購俊州牌24 V電動球閥（DN 25 mm），3線2控，工作電流小于1 A；直流增壓泵為市購君悅24V直流增壓泵，功率為500 W，額定電流20 A，揚程60 m，流量50L/min，進水、出水口規格為DN 32 mm。

2 系統的運行

2.1 系統的蓄水方案

2.1.1 工作站功能 由圖2可知，工作站設備主要由太陽能電池板、動力蓄電池、太陽能控制器、DC–DC變壓模塊、傳感網節點、5 V繼電器等組成。工作站工作原理如下：通過太陽能控制器將太陽能板與12 V動力電池連接起來，達到蓄電池保證設備供電、太陽能電池板不斷為蓄電池補能的效果。太陽能控制器輸出端口接設備，給設備供能。

2.1.2 電路設計說明 系統中太陽能控制器輸出端口的電壓為12 V，輸出端口連接12 V–5 V–2 A的直流降壓模塊后，可得5 V直流電源，其中5 V的負載為傳感網節點模塊與5 V繼電器組。太陽能控制器輸出端口還可接12 V–24 V–1 A的升壓模塊，驅動24 V負載。24 V的負載為直流閥。由于直流電動閥的工作電流小于1 A，遠小于5 V繼電器觸點的過電電流，因此直接使用5 V繼電器對直流電動閥進行控制。控制方法為：24 V直流閥的非控制線直接接升壓模塊負極，升壓模塊正極通過5 V繼電器的常閉觸點接24 V直流閥常閉控制線，通過5 V繼電器的常開節點接24 V直流閥常開控制線。此外，因直流泵工作電流較大，超過了5 V繼電器觸點的過電流能力，因此在控制泵的太陽能工作站中，去掉了不需要的24 V負載，引入了12 V直流繼電器，繼電器線圈通過5 V繼電器的常開觸點，與太陽能控制器輸出的12 V電源相連（如圖2中虛線所示），直流泵需經過12 V繼電器的30 A常開觸點再與供能站的24 V電源相連，從而保證了系統對直流泵的控制。

2.1.3 工作站設備規格 各太陽能工作站使用的蓄電池為市購超威12 V 12 AH鉛酸電池，型號為6-dfz-12，工作電流小于7 A，每個太陽能工作站使用1塊電池；工作站使用的太陽能板為市購光合天獅50 W 12 V（配套蓄電池電壓）單晶太陽能板，配合的太陽能控制器為市購針對鉛酸電池的控制器，額定充電電流3 A，工作（放電）電流小于5 A。已知直流電動閥工作電流小于1 A，且傳感網節點設備和5 V繼電器模塊工作電流小于2 A，由能量守恒可知，所需控制器輸出的電流小于其標稱的放電電流3 A，工作站電路設計滿足工作需求[9-10]。

2.2 供能站

供能站電路結構可參考圖2。在供能站中，負載只有24 V 500 W直流泵。供能站電源通過工作站12 V繼電器的30 A觸點連接直流泵。供電站太陽能板共有12塊，2塊1組，太陽能板均為市購光合天獅150 W 12 V單晶板，2塊太陽能板串聯成1組，共6組，組與組之間并聯連接。

供能站所用蓄電池為市購超威12 V 20AH電池，型號為6-dfz-20，2塊電池串聯成1組，一共4組，組與組之間并聯連接，從而確保直流泵長時間工作。

供能站所用控制器為市購MPPT通用型自適應太陽能控制器，充電電流40 A，輸出電流小于30 A，滿足直流泵工作所需。供能站控制器的24 V輸出，經工作站12 V繼電器的30 A觸點，與直流泵相連，為直流增壓泵供電，確保直流增壓泵能長時間正常工作（4 h左右）。

2.3 系統開發與運行

2.3.1 系統開發環境 系統中控制指令執行、信息傳送的設備為無線傳感網節點，節點設備為市購zigbee開發板，節點設備使用的協議棧為ZStack-cc2530，版本為2.5.0。開發協議棧所使用的集成開發環境為IAR Embedded Workbench，版本為8.10.1。

2.3.2 網絡結構與運行邏輯 如圖3所示，系統啟動后，協調節點開始計時，每24 h向泵控制終端發送開始灌溉的指令，并附帶需開啟閥的編號。指令下達后，協調節點暫時停止該計時，同時開始任務計時。

泵控制終端接受到協調器的指令后，向相關閥控制終端發送開啟指令，并開始等待計時，當規定時間內接收到所有相關閥控制終端的已開啟報告后，控制泵得電，開始灌溉，否則向協調節點報告故障，并附帶故障閥的數量與編號信息。在泵得電的同時，泵控制終端啟動任務計時。時間值由作物需水量、蒸發量、土壤含水量、管道流量等計算獲得[11]。當計數器溢出時，泵控制終端立即讓泵失電，并向閥控制終端發送關閉指令，同時開啟等待計時，若規定時間內接收到所有閥控制終端的已關閉報告，則向協調節點報告任務已結束，否則向協調節點報告故障，并附帶故障閥的數量與編號信息。

閥控制終端接收到泵控制終端發出的指令后，立即執行相應的動作，讓直流閥得電或失電，從而打開或關閉支管，并向泵控制終端報告相關狀態。

協調節點的任務時間稍長于泵控制終端的任務時間，留足余量，若任務時間內接收到已結束報告，則清除任務計時，再次開啟24 h計時；若接收到故障報告，則清除任務計時，并通過GSM模塊，以短信形式向管理員上報閥控制故障以及故障閥的編號，同時設置標志位，阻止24 h計時開始；若超過任務時間仍未收到已結束報告，則告知管理員泵控制終端故障，同時設置標志位，阻止24 h計時開始。

管理員收到故障信息后，進行處理，處理完畢后，向協調器發送恢復指令，協調器清除狀態，重新開始24 h計時。管理員也可根據需要，向協調節點發送暫停指令，協調節點收到該指令后，立即設置標志位，暫停24 h計時，從而暫時停止系統工作；如需恢復系統工作，管理員再向協調節點發送恢復指令，協調器動作如前所述[12-13]。

2.4 設備動作

如圖2所示，上電后，當終端節點接收到相關動作指令，對于閥控制工作站，節點模塊通過gpio驅動5 V繼電器常開、常閉觸點閉合或打開，從而使得工作站所控制的電動閥打開或關閉；對于泵控制工作站，節點模塊通過gpio驅動5 V繼電器常開觸點閉合或打開，使得12 V繼電器線圈得電或失電，從而使得30 A常開觸點閉合或打開，進而使得泵等負載得電或失電。

3 小結

該系統通過使用水錘泵、光伏技術使得系統在無市電依托的情況下，常年自主運行，極大地節約了系統運行經費。同時，系統采用了無線傳感網技術，避免了常規自動灌溉系統需要布設線纜等動作，極大地節約了系統建設費用。超威電池1塊約100元，使用壽命為3～5 a，光伏板壽命更長，維護好可以用20 a以上，折算到每年，新系統成本遠遠低于傳統自動灌溉系統。

此外，系統采用全直流設備，設備工作電壓控制在人體安全電壓36 V以下，并通過合理的電路設計，絕對保證了灌溉時農事作業人員的人身安全。

研究注重安全、無依托設計理念，將邏輯中心、控制中心分散在各太陽能工作站上，實現了分布式控制，但在精量控制上直接將灌溉數據寫死，不夠靈活，當然這也受限于時間與項目經費。在后續研究中，可以引入土壤溫濕度傳感器，以傳感器實時反映灌溉效果，形成閉環控制。此外，由于系統新設，一些數據來不及收集，后續研究中可以增設數據收集子系統，并與傳統自動灌溉系統進行對比統計，還可以改進系統邏輯，讓管理員更多地參與，合理干涉灌溉作業，讓系統更為靈活。

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（責任編輯：成平）