一种新型农林节水喷灌系统

南华大学 胡海洋 蔡 涵 赵德龙 唐女智 彭志浪 曾 倩

水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，解决这一问题的核心是提高用水资源的利用率，这就需要把节水放在突出位置。传统的灌溉方式不仅耗费人力、对作物没有进行及时的水分补充，而且对水资源的利用效率并不高。很多珍贵植物和农作物由于没有得不到及时适量的水分而产量大减，因此我们设计了一种高效节能的自动控制智能喷灌系统。本项目以节水、珍惜园林植物的精确灌溉为目的，设计一种基于BP神经网络算法的喷灌系统。该系统主要由自动控制系统、数据分析系统、后台监视系统组成。

收集土壤湿度传感器实时测量各个子区域的土壤温湿度数据，通过无线传输技术传输到PC端后采用BP神经网络算法对采集到的数据进行分析，得出喷灌时间发送至stm32单片机进而调控光伏供电系统的水泵、主阀门和喷水管路区域阀门的启闭实现精确灌溉。

该系统的创新和技术关键在于采用无线传输技术，建立网络进行数据传输；stm32单片机自动控制。太阳能装置辅助供电系统，建立BP神经网络算法预测喷淋时间，实现节水节电；结合软件硬件实现智能化自动控制。

为实现农业现代化，提高灌溉水平，增强淡水资源利用率，设计节水灌溉系统以及推广十分重要，本设计把提高灌溉水利用率和作物水分生产效率作为研究重点，将作物水分生理调控机制与作物高效用水技术紧密结合，提出调亏灌溉，分根区交替灌溉等技术，以此来达到节水增产作用。

此外，水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，核心是提高用水的利用效率，把节水放在突出位置。传统的灌溉方式不仅耗费人力、对作物没有进行及时的水分补充，而且对水资源的利用效率并不高。很多珍贵植物和农作物由于没有得不到及时适量的水分而产量大减。因此我们设计了一种节水节能的智能化自动控制喷灌系统，并建立模型优化设计喷灌系统方案。该系统的应用能够降低劳动者工作强度，克服根据人的经验决定灌溉时间和灌溉水量的弊端，大大提高水资源的利用率，实现对农作物灌溉的科学调控和管理。

1 系统设计与实现

1.1 基本思路设计

本设计为一款基于BP神经网络的自动灌溉系统，本项目以节水、珍惜园林植物的精确灌溉为目的。为了自动对土地进行灌溉，通过无线湿度传感器检测收集环境信息，同时利用stm32控制器收集湿度数据，收集完成后通过esp8266上传至PC端。将收集到的数据，输入到MATLAB中利用神经网络算法进行湿度预测，预测最佳喷灌开始时间，预测完成后，将数据发送回stm32控制器，最终由stm32控制器完成对土地的灌溉。

系统的总体设计框架如图1所示。本系统按照功能基本分为数据采集部分和数据分析、控制三部分。控制器选用STM32单片机处理器，用于汇总采集到的信息并上传致云端的功能。电源电路将电压进行转化。同时电源电路依据实际情况可进行多种转化，提供给各模块电路使用。

图1 整体电路控制系统图

1.2 电器控制设计方案

1.2.1 控制器介绍

控制器选用stm32单片机。在本系统中stm32起到了至关重要的作用，一方面stm32控制器需要完成喷灌模块的控制工作，另一方面其又是与数据分析部分的连结的重要枢纽。

在数据传输过程中，stm32控制器完成湿度传感器的数据采集工作，同时将数据上传致云端。在喷灌系统的控制过程中，stm32控制器完成对喷灌系统的开关。

控制系统最小系统电路如图2所示小，成本更加低廉，同时引脚数目可以满足使用。

图2 电路控制图

1.2.2 喷灌电路

喷灌系统主要由多路继电器，多路电磁阀，以及管网系统三部分组成，电磁阀，继电器由电源直接进行供电。

采用stm32控器控制继电器，进而控制电磁阀开合的控制思路，这大大减轻了控制电路的压力。继电器是一种电控制器件，是当输入量（电流/电压）的变化达到规定要求时。在喷灌电路中，电磁阀所需要的外接电压要比stm32控制器所能输出的电压高出许多，且stm32无法负载功率较大的用电器。因此，在喷灌电路中我们引入继电器来控制电磁阀，以达成用stm32小电流去控制电磁阀所需要的“大电流”。stm32控制器可以直接输出高低电平进行对继电器的控制，进而达到控制阀门的目的。同时，设置多路继电器控制多路电磁阀，这种设计旨在为缺水的区域进行专门的灌溉，从而大大的节约水源。

1.2.3 湿度无线传输系统

温湿度的无线传输，主要利用了Zigbee的组网及信息传递功能。根据这一特性，使用外围Zigbee收集土壤温湿度数据，之后将数据汇总到一个Zigbee，最后完成将数据进行处理。如图3所示。

图3 温湿度无线传输系统图

在需要铺设节水喷灌系统的场地里面，进行排布，每一个Zigbee相当于是一个温湿度传感器，并每隔一定时间将湿度传递给控制系统中的Zigbee，如此设计既完成了温湿度传感器的布放，又解决了实时湿度的传递的问题。

1.3 电源电路

整体电路设计所需电压不超过12V，因此电源电路可采取多种方式进行供电。可以完全满足实际情况的若出于节能的思路可以设置太阳能供电装置。

若出于简便方向考虑，也可采用将220v交流电处理之后进行供电。

1.4 系统设计模型

在实际情况中我们会根据基本设计路线，首先完成管网和喷头等硬件的设计，再进行系统的调试和实测检验。在设计过程中，我们根据对土壤传感器传出的土壤温湿度等数据进行分析，并建立BP神经网络模型进行接下来的实验以进一步优化设计和模型。如图4所示。

图4 管网及其他结构模型

2 理论设计计算

数据分析：

在确定管线、电磁阀、喷头和湿度传感器的位置后，记录每个传感器所在区域植被所需要的最佳土壤湿度值；在系统工作后，将采集的土壤湿度数据与该区域植被所需最佳土壤湿度值进行对比并计算差值，同时结合土壤温湿度计传输的温度值，考虑温度对土壤水分蒸发情况，对电磁阀的启闭时间和喷头喷淋的时间进行计算。影响喷头喷淋时间的因素有：1）喷头喷淋过程需要一定的时间；2）温度变化对土壤中水分的蒸发速度；3）一条管线上有多个喷头，途径多个传感器，但所设置的电磁阀个数占少数。每个传感器采集的土壤湿度与最佳土壤湿度值的差距不一致等。

这里我们采用BP神经网络对各个传感器采集的数据进行预处理并建立预测模型，该预测模型可以较为准确地估算出下一周各个传感器周围的土壤温湿度。这样我们可以提前进行数据分析，得出下周要喷洒的传感器区域以及阀门开关时间（这里我们要知道阀门开启一分钟能流出的水量），在下周的某两个时间点自动定时开启阀门和关闭阀门，达到对区域的喷灌处理。数据处理与分析整体框图如图5所示。

图5 数据处理与分析整体框图

3 可行性分析

传统的灌溉方式不仅耗费人力、对作物没有进行及时的水分补充，而且对水资源的利用效率并不高，很多珍贵植物和农作物由于没有得不到及时适量的水分而产量大减。

本设计的智能喷灌产品较之传统灌溉技术，采用太阳能装置进行供电，对植物所需水分进行精确分析并自动分区域进行喷灌。采用ZigBee组网技术实现数据的无线传输，BP神经网络算法对采集到的数据进行分析，得出各节点的喷灌时间；stm32单片机实现自动调控。节水节电的同时实现智能化自动控制，节约人力物力。ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、低复杂度等特色。其能源消耗显著低于其他无线通信技术，通过为装置有ZigBee的设备配备两节5号电池可持续运行超过6个月。其无线电波覆盖半径达100m、传输速度可达54Mbps，符合大量数据传输到网络云端的需求。

4 创新点及应用

该系统的创新和技术关键在于采用Zigbee组网技术，建立星型网络进行数据传输；供水管网的优化设计；stm32单片机自动控制。太阳能装置辅助供电系统，建立BP神经网络算法预测喷淋时间，实现节水节电；结合软件硬件实现智能化自动控制。