智能灌溉系统设计与研究*

沈佳佳 江伟 王昆仑

(六盘水师范学院矿业与土木工程学院,贵州六盘水 553000)

0 引言

人类从事农业生产活动以来,灌溉的目的就是为了补充土壤中所需要水分,以保证农作物的正常生长,获取高产稳产。但自然条件下,往往因降水量不足或缝补不均匀,不能很大程度上满足农作物的水分需求。因此人为的干预或许能够弥补自然降雨造成的缺失。传统的灌溉方法费时费力,且效果不佳。一些地理条件艰苦的地区,以贵州的卡斯特地貌为例,农作物面积大多呈竖直方向分布,灌溉显得复杂,且成本高,水资源的获取也比较困难。在这样的一种特殊条件下就急需研究一种运行成本偏低且符合贵州当地农业生产情况的方法作为灌溉手段。

1 灌溉方式

传统的灌溉方式大多数多采用漫灌的方式,然而这种方式的所需水量较大,极易造成水资源的浪费。在进行漫灌作业时不仅费时费力还不易控制水量。水量多了对作物不但无用反而有害。只能抽出多余的水量,增加了复杂程度[1]。因此灌溉智能管理系统的设计就显得尤为重要,有效的节约水资源,降低劳动成本,不同的作物,根据其农作物自身生长性能数据库及采集农作物所生长的土壤湿度和生长环境的温度自动进行匹配数据库中的所需水量,自动喷洒系统喷出需水量。全程智能化控制,无需人工进行干预。充分发挥了智能化的作用,实现水资源的合理配置,提高水资源的利用率,降低生产成本,保护生态环境,以最少的资源付出,来获取最大的农业效益,建设成农业循环经济,有利于农业长久的发展。

2 智能系统的组成

智能灌溉系统由空气温度传感器、土壤湿度传感器、C51单片机、压力控制式水泵(内置电机)、电磁阀式喷头、液晶显示器、塑料管道组成[2]。其组成结构简单,且各元件互换性强,安装维护方便,大大提高了维修养护的经济性。

3 蓄水池

蓄水池的作用就是为灌溉提供水资源。构造上采用封闭式矩形,可根据地形和蓄水量的需求选取不同规格的尺寸。在农作物地表一定深度下构建一个蓄水池,它采用混泥土结构,混泥土具有良好的可塑性且价格低,抗压强度高,耐持久性好,经济效益明显。在空间上能够有效的节约空间资源,由于采用封闭式构造,具有防漏水和防蒸发的功能,能够有效的减少水分的流失[3]。

4 温度传感器

通过温度传感器来识别农作物处于什么样的天气环境状况。灵敏度要求;传感器的灵敏度越高越好,灵敏度越高所能感知的温度变化情况就越好。可靠性要求;可靠性是传感器的生命,在特定的环境下保证所采集的信号绝对准确,才能让控制系统精准控制喷水量。AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3～30V,输出电流223μA(-50℃)～423μA(150℃),灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V[4]。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源,最高可达20MΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

5 土壤湿度传感器

农作物是否需要补充水分,土壤的湿度起到了决定性的作用。传感器需要嵌入土壤,土壤中含有一定的农药成分,对传感器会有较强的腐蚀性。在传感器的选择上应选择具有特定抗腐蚀功能的传感器。它的工作原理是:利用电磁脉冲原理,根据电磁波在土壤介质中的传播频率来检测土壤的表现介质电常数,从而得到土壤中的相对含水量。其特点是体积小巧、安装和维护简单适用范围较广[5]。

6 单片机

单片机的特点是集成度高、体积小、抗干扰能力强、可靠性高、在开发过程中可以利用汇编语言或C语言来进行编程,功率低、低电压、具有断电保护功能,通用性好具有较好的性价比。符合设计生产低成本的理念。针对单片机的控制部分,包括了农业灌溉系统的单片机电路部分。凭借AT89C51单片机对其进行控制,并设置了8KB的单元存储程序设备,可用于信息数据的存储。通过此项设置,系统就能够实现大量数据信息的处理,硬件部分的设计可以适当的减少,且不会影响到系统的正常运行。

7 水泵

水泵作为灌溉系统的核心部件,主要功能是输送水源或使水源增压的机械[6]。在农作物需要水分补充时,控制系统通过控制水泵来进行开启,当作物不需要水分补充的时候,控制系统控制电磁阀喷水头来进行关闭,此时管道中水压继续增压,当压力达到一定值时,水泵中电机自动断电,水泵停止工作。基于这一情况要求水泵需频繁的启停。会给电机造成过量发热、绝缘性能下降、寿命降低的危险,极大可能的烧毁电机,造成一定的经济损失。因此在选用电机时,既要考虑电机能抵抗频繁启停所带来的损伤,也要考虑水泵的一个整体经济性。

8 电磁阀喷头

喷水喷头均匀的分布在需要灌溉的区域内,各个喷头的开启和关闭需要单独控制。采用电磁阀式喷头,在需要喷水时,控制系统给喷头一个电流信号。喷头内电磁阀可根据电流的大小控制喷头开启大小,以达到喷水量的多少。

9 各元件的安装及分布

水泵内置在蓄水池中,通过管道连接到每一个电磁阀喷头。湿度传感器安装在每一个喷头附近小于3m半径范围内土壤中任意安装。每个喷头间隔6m半径且距离土壤高度3m位置安装[7]。一个湿度传感器对应一个喷头,由于各个喷头所处区域的土壤湿度可能不一样,所需喷水量也各不相同。因此湿度传感器采集的信息通过单片机控制其对应的区域喷头工作。温度传感器安装一至两个即可,安装在单片机控制装置附近即可,缩短线路的有效距离,实现最大化节约成本。把单片机控制装置安装在蓄水池的附近以方便人为进行介入操控的位置。

9.1 电源电路

根据灌溉的环境情况,系统选择接入220V电源,因各元件工作状态所需电流电压不同,所以需要配置不同的电器来分别调节合适的电压电流输送到各元件。在喷头和湿度传感器的线路布置上,将低压导线沿管道进行铺设连接,再接入单片机控制装置[8]。温度传感器能够使用低压导线单独接入单片机控制装置。泵经继电器接入配电器中,继电器由低压导线接入单片机控制装置。

9.2 显示器

单片机控制装置将各个传感器采集的信息进行处理后经A/D数据转换器将数据显示到液晶显示器上,其显示的内容有总体灌溉量、已灌溉量、还需灌溉量、水泵载荷情况、总用电量,各个元件电压电流大小、蓄水池的蓄水量及各个数据的正常参考范围量。管理者可以根据显示出来的信息了解到整个灌溉的总体情况。

10 控制装置的实现

10.1 数据采集

农作物所处的生长条件时刻都在发生着变化,对农作物生长环境的相关数据实施严密的监控,为其适宜生长的条件保驾护航。在农作物相关数据的监控和采集上需要使用传感器来实现。传感器将采集到的物理信号转变为相应的电信号通过导线传输到单片机。

10.2 数据处理

单片机将传感器采集到的数据,进行分类统计,再计算处理。传感器传来的每组数据中都包含有具体的时间。单片机将其进行储存并传输在显示器上进行显示。

10.3 控制过程

传感器就是将采集到的数据传送到单片机中,单片机将数据处理之后,首先判断出农作物土壤中此时的含水量,是否具备农作物正常生长的条件,若不满足,单片机对喷水元件就会发出一个控制信号,喷水控制系统会根据单片机传递过来的信号打开电磁阀门。此时喷水头进行灌溉喷水。因为该系统具有闭环控制的功能。喷水控制系统进行的同时,土壤湿度传感器也在实时进行含水量的采集,当含水量即将达到正常值时,单片机将对喷水元件进行微控制,可以时刻将传感器采集的数据进行对比,通过发出的电信号对喷水元件喷水大小进行微调控。土壤含水量达到正常值时,单片机控制喷水元件停止工作。闭环控制的作用是使系统各个控制环节具有反馈功能,对实施精准补充水分具有重要的作用,为实现节约用水提供必要的技术基础。

图1 程序流程图Fig.1 Program flow chart

10.4 控制软件

根据系统所要实现的功能设计出流程图,再根据流程图设计编写出程序软件代码,程序语言代码可用C语言编写。程序流程图如图1所示。

11 结语

联系我国的基本国情,针对水资源欠缺这一基本问题,根据单片机设计的智能灌溉系统,利用温湿度传感器进行数据的采集,使用阀门控制水量,以及液晶显示屏进行数据的显示,最后通过电机的控制系统的节水灌溉功能,并在其他灌溉方面起到重要的作用。农业的发展,离不开灌溉技术的进步。在水资源日益匮乏的情况下,如何实现高效率、低成本、节能节水的灌溉技术,是今后农业灌溉的发展方向。在解决如何获取水资源的问题上,也是灌溉运用首先要解决的问题。某些地区主要靠降雨获取水资源,获取水资源的途径单一。若遇降雨不及时的情况下,如何储备水资源资源,保证水资源的充足,为灌溉提供有力的保障基础。灌溉的硬件设施如何实现便于安装,节能化、小型化、简单化、精准化也是今后发展的主要方向。