一种小型智能高效节水喷灌系统设计

张 磊，杜哓岚，兰 羽

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

一种小型智能高效节水喷灌系统设计

张 磊，杜哓岚，兰 羽

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

淡水资源的日益紧缺，已经威胁到世界粮食供应。要破解耕地面积有限、淡水资源紧缺的难题，发展节水灌溉成为最佳选择。节水灌溉，就是指使用最少量的水资源灌溉，取得较好的经济效益和生产效益。喷灌是当前效果最好的节水灌溉有效方式。但喷灌基本还是依靠人工控制，存在灌溉不及时或灌溉过度的情况［1］。为解决这一问题，更加充分地利用淡水资源，对高效节水自动化喷灌系统的设计及控制进行了研究。

1 设计思想和架构

1.1 土壤湿度影响植物生长分析

植物对土壤的依赖性主要体现在养分与水分，其中土壤水分含量具有变化率大、可控性的特点。土壤湿度的变化对植物生长的影响非常明显，主要体现在适于植物生长的湿度范围，萎蔫系数和田间持水量决定着植物生长的需水量，萎蔫系数指植物生长所需最小土壤湿度，田间持水量指土壤水分有效性的上限值，限制了灌溉定额的上限。

为此，过去常常会发生2种不良现象：由于大面积缺水造成的植被损失事件时有耳闻；灌溉过度造成的土壤空气含量不足，进而导致植被死亡的情况也常常发生。姑且不论植被死亡造成的损失，仅过度灌溉造成的土壤表层水分大量蒸发与流失，就降低了灌溉用水的利用效率，并进而影响了整个水资源的有效利用率。

1.2 常用灌溉系统分析

现有灌溉系统，如果对600 m2的草坪灌溉，通常需要12个喷头，这12个喷头是通过1个总阀门来控制。而且由工作人员根据天气状况及经验判断土壤湿度，决定是否需要灌溉，这样的灌溉缺乏科学性。这种灌溉方式，容易出现灌溉水量过多致使退让表层过多积水的情况。在这种方式下，有相当一部分的水量经土壤表层流出灌溉区域，另有一部分灌溉用水随着空气流动及阳光照射蒸发，进入大气，与此同时，一部分水会渗入土壤下层，汇入地下水，造成大量水分无效灌溉。另一方面，由于灌溉不及时，灌溉区域植被由于缺水会大面积枯死，造成损失。

1.3 系统总体设计

由于常用喷灌系统主要由人工经验控制灌溉阀门，容易出现灌溉不足和灌溉过量的情况，可以考虑通过检测土壤湿度，由土壤湿度的变化来控制阀门的开关，即保障了植物生长所需的水分，同时实现了节约用水［2］。设计系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

系统主要由以下几部分构成：原灌溉系统、湿度传感器、模数转换芯片、单片机、开关电源、步进电机驱动器及步进电机。

1.4 统计学分析 资料数据采用SPSS 22.0统计学软件进行分析，计量资料采用均数±标准差表示，进行t检验；计数资料采用例和百分比[例(%)]表示，进行χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

以喷灌系统为例，在每个喷头喷洒范围内设置一定数量的传感器以检测土壤湿度，如图2所示（以扇形喷洒方式为例）。

图2 喷洒范围

通常情况，喷灌系统都是由一个总阀门控制所有的喷头，各个喷头的开关时间和出水量都是相同的，这种情况下，整块草坪的土壤湿度都是基本一样的。可以将所有的传感器控制参数调整在一定范围内，当规定数量的传感器参数达到灌溉要求时，就可以打开总阀门，开始灌溉。反之，停止灌溉。

1.4 系统工作流程

将传感器植入土壤中，设置传感器参数为W（萎蔫系数）和T（田间持水量），分别为使系统工作的比较值。工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程

如一个草坪需要12个喷头进行灌溉，可布置36个湿度传感器。通过传感器检测土壤湿度，土壤湿度模拟信号通过调理，再经A／D转换器转换，输入到单片机，经单片机对信号进行判断，再控制电机驱动器，通过驱动器控制电机工作。

2 系统硬件架构设计

为降低成本及系统的复杂程度，硬件电路必须具有很好的移植性。为突出系统小型化的优势，系统硬件组成要求部件少、可靠性高、集成度高。硬件电路主要由湿度传感器（HM1500LF）、调理电路（一阶低通滤波器）、模数转换电路（ADC0809模数转换芯片）、控制电路（AT 89S51单片机）、执行机构（SH4012步进电机驱动器及42BYGH四相步进电机）以及参考电源等构成［3-5］。硬件电路构成如图4所示。

图4 硬件电路构成

2.1 湿度传感器选型

2.2 模数转换电路

ADC0809的8路输入信号经过一个8路模拟开关选择后，送到A／D转换器的输入比较器，8路信号的选择是通过地址锁存与译码器实现的，也就是说8路输入信号分时共用1个A／D转换器。内部的A／D转换器是一个主次逼近型的A／D转换器，转换器的基准电压是由外部供给的；ADC0809数据输出带有三态输出锁存器，当转换结束时，通过CPU打开三态门，可读出8位转换结果［7］。

2.3 微处理器的选择

为降低成本，减小体积，采用具有体积小、重量轻和容易模块化等优点的单片机作为微处理器。系统选用了AT89S51单片机，该单片为CMOS 8位单片机［8］。因为植物在生长的不同阶段和季节，对水的需求量也不同，所有系统的运算参数要经常修改，而单片机的Flash只读程序存储器可擦写1 000次，满足系统需求。

3 系统软件设计要求及功能实现

3.1 设计要求及功能实现

近年来，单片机C51语言比较流行。C51语言具有汇编语言的优势，同时兼备高级语言的优势，其生成目标代码质量高，程序执行效率高。

在系统的软件设计时，阀门的开关和开度大小由传感器检测的土壤湿度信号来控制，从而控制出水量的大小。这样灌溉才能稳定无差错的工作。程序总体结构如图5所示。

图5 程序工作流程

针对系统控制要求，软件系统应具有以下功能：对系统初始化，完成传感器输出的土壤湿度信号的采集，逻辑处理采集后的数据、电机方向信号和输出脉冲信号等。

3.2 系统软件开发平台

选择的Keilu Vision4作为单片机软件集成开发环境。Keil可以实现包含连接器、库管理、宏汇编、C编译器和范根调试器在内的方案。经过集成开发环境（u Vision4）将以上部分整合在一起。u Vision4集成开发环境包括项目管理、编辑源代码及程序调试。同时可以实现在PC机上进行目标程序模拟，指令集合片内外围功能。

4 结束语

在深入分析土壤湿度对植物生长影响基础上，对自动化灌溉系统进行了功能分析及硬件总体设计，主要讨论了系统整体设计思想及架构，系统的工作流程，完成了系统的整体架构设计，对信号的采集、滤波、模数转换及进一步处理做出了分析和设计。还对微处理器，步进电机及其驱动器做了一些简要介绍和分析。

［1］ 宁俊松，罗正祥.小型化超宽阻带低通滤波器的设计［J］.电子科技大学学报，2010，39（2）：223-226.

［2］ 段英宏，杨硕.步进电动机的模糊PID控制［J］.计算机仿真，2006，23（2）：290-293.

［3］ 周黎，杨世洪，高晓东.步进电机控制系统建模及运行曲线仿真［J］.电机与控制学报，2011，15（1）：20-25.

［4］ 刘卫国，宋受俊.三相反应式步进电动机建模及常用控制方法仿真［J］.微电机，2007，40（8）：22-25.

［5］ 张海英，黄华蔚，胡金高.步进电动机运行曲线设计与仿真［J］.微特电机，2008，36（1）：11-13.

［6］ 陶佰睿，顾丁，苗凤娟，等.一种基于单片机的湿度传感器校准实验平台设计与实现［J］.传感技术学报，2013，26（3）：435-438.

［7］ 元增民.AT89S51单片机与ADC0809模数转换器的三种典型连接［J］.长沙大学学报，2005，19（5）：69-72.

［8］ 郝育闻.新型湿度传感器的研究进展［J］.传感器与微系统，2009，28（11）：1-3，7.

Design of a Small Size Efficient Intelligent Water-saving Irrigation System

ZHANG Lei，DU Xiaolan，LAN Yu
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

在深入分析植物生长受土壤湿度影响的基础上，提出节水喷灌系统的设计思路，通过对土壤湿度的检测来控制阀门开度的大小，从而达到节水的目的。对系统的功能及工作流程进行分析，完成系统各组成部分的硬件总体架构设计，完成系统软件设计及具体功能实现。

喷灌；湿度；节水；控制

This research is based on the thorough analysis of how plant growth is affected by soil moisture，hence the design idea of water-saving sprinkler irrigation system based on soil humidity detection to control the size of the valve opening，so as to achieve the goal of saving water.The paper analyzes the system＇s function and working process，to complete the overall hardware system design of each component，and to complete the system software design and the realization of specific functions.

sprinkler irrigation；humidity；water saving；control

TP212；TP399

A

1001-2257（2015）09-0060-03

张 磊（1983－），男，陕西咸阳人，硕士，讲师，研究方向为自动控制技术。

2015-04-17

陕西工业职业技术学院院内课题（ZK13 49）