新型光伏微電腦自灌溉系統(tǒng)的研究

李 睿，黃麗灣，胡 蕾，徐弼軍

(浙江科技學(xué)院 理學(xué)院，杭州 310023）

新型光伏微電腦自灌溉系統(tǒng)的研究

李 睿，黃麗灣，胡 蕾，徐弼軍

(浙江科技學(xué)院 理學(xué)院，杭州 310023）

新型光伏微電腦自灌溉系統(tǒng)裝置主要運(yùn)用太陽(yáng)能、傳感技術(shù)和微電腦控制等先進(jìn)技術(shù)，在不需市電和布埋線的條件下，實(shí)現(xiàn)微功耗的水閥開(kāi)啟和關(guān)閉，并能自動(dòng)感應(yīng)土壤的干濕，根據(jù)不同季節(jié)、不同植物生長(zhǎng)周期的需要進(jìn)行自動(dòng)節(jié)水灌溉。通過(guò)該技術(shù)的推廣，實(shí)現(xiàn)了以太陽(yáng)能作為動(dòng)力的自動(dòng)節(jié)水灌溉，既節(jié)省了勞力，又克服了定時(shí)澆灌的盲目性，具有很好的節(jié)能減排效應(yīng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)效益。

智能控制系統(tǒng)；自灌溉系統(tǒng)；太陽(yáng)能；微電腦

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，百姓安居樂(lè)業(yè)離不開(kāi)農(nóng)業(yè)，而農(nóng)業(yè)離不開(kāi)灌溉業(yè)。中國(guó)的現(xiàn)狀是人多地少，水資源相對(duì)緊缺，農(nóng)業(yè)要發(fā)展一定要先發(fā)展灌溉業(yè)。人類要轉(zhuǎn)變向大自然無(wú)節(jié)制索取的思想行為，樹立人與自然的和諧共處，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的觀念［1］。因此，人們必須重視采取新的節(jié)水灌溉措施，以支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外的節(jié)水灌溉方法主要有3種形式：噴灌，微灌(滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌），以及行走式節(jié)水灌溉［2］。在這些灌溉方法中，大都需人工來(lái)開(kāi)關(guān)水閥，或者通過(guò)定時(shí)方法來(lái)控制，前者易造成澆水不及時(shí)而旱壞植物，后者易澆水過(guò)多造成水資源的大量浪費(fèi)。對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物，國(guó)外采用了微機(jī)控制的溫室種作方法，雖然自動(dòng)化程度較高，但設(shè)備成本昂貴，且需要提供大量的電力，一般只用于經(jīng)濟(jì)作物。針對(duì)中國(guó)國(guó)情，研究運(yùn)用太陽(yáng)能、傳感技術(shù)和微電腦控制等先進(jìn)技術(shù)組成的高效先進(jìn)和低成本的節(jié)水灌溉器，已迫在眉睫，非常有實(shí)施的必要性［3］。

1 系統(tǒng)的裝置及功能

1.1 系統(tǒng)裝置

新型光伏微電腦自灌溉系統(tǒng)的裝置包括太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、采集卡、2個(gè)液位傳感器、2個(gè)濕度傳感器、1個(gè)電磁閥、1個(gè)水泵、1臺(tái)PC機(jī)。實(shí)物如圖1、圖2所示，由上述裝備搭建的實(shí)物基本可以實(shí)現(xiàn)光伏微電腦自灌溉功能。

1.2 裝置功能

這些裝置的功能分別如下：太陽(yáng)能電池是利用光電材料吸收光能后發(fā)生的光電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)而進(jìn)行工作的，它主要收集太陽(yáng)能再轉(zhuǎn)換為電能給蓄電池充電，并且能夠?yàn)樾铍姵靥峁┻^(guò)充、過(guò)放保護(hù)［4-5］；采集卡通過(guò)AD轉(zhuǎn)換對(duì)電池電壓進(jìn)行采樣，呈現(xiàn)于PC機(jī)上，與土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較；濕度傳感器進(jìn)行土壤濕度和電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；在水塔中裝有2個(gè)水位傳感器，它們將水位值轉(zhuǎn)變成電平信號(hào)，并將系統(tǒng)的各種狀態(tài)呈現(xiàn)于PC機(jī)上；PC機(jī)將電池電壓、土壤濕度、系統(tǒng)工作狀態(tài)、太陽(yáng)能控制器工作狀態(tài)呈現(xiàn)在界面上，并能夠起到控制的作用。

圖1 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 Physical map

圖2 太陽(yáng)能控制器Fig.2 Solar controller

該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)土壤的濕度，并可以根據(jù)作物不同的生長(zhǎng)期對(duì)水分不同的要求提供相應(yīng)的水分，在一定程度上減少了作物對(duì)人的依賴，降低了生產(chǎn)成本，并且提高了生產(chǎn)效率［6］。其裝置的簡(jiǎn)化示意圖如圖3所示。

圖3 裝置簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 Device schematic diagram

2 系統(tǒng)運(yùn)作原理

裝置使用時(shí)只需把干濕探測(cè)電極插入深度適當(dāng)?shù)耐寥乐校杉ㄍㄟ^(guò)AD轉(zhuǎn)換將土壤濕度呈現(xiàn)于PC機(jī)上。PC機(jī)上可以根據(jù)植物不同時(shí)期、不同生長(zhǎng)周期所需的水量值進(jìn)行一定的預(yù)設(shè)，當(dāng)土壤濕度低于預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采集卡就會(huì)控制電磁閥的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)灌溉；當(dāng)土壤濕度值等于或大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采集卡控制電磁閥關(guān)閉，停止灌溉，從而達(dá)到了對(duì)植物生長(zhǎng)的全自動(dòng)控制澆灌。裝置主要完成對(duì)土壤和大氣濕度的檢測(cè)及灌溉控制。

其工作具體流程如圖4所示：給定一個(gè)初始值，在一定時(shí)間對(duì)電池電壓進(jìn)行采樣，呈現(xiàn)于PC機(jī)上，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，提醒使用外接電池，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。水位傳感器將水位高度轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，當(dāng)水位低于下水位傳感器時(shí)，傳感器上的電平信號(hào)發(fā)生變化，將電平信號(hào)輸入到采集卡，然后控制水泵開(kāi)啟，給水塔注水，直到水位高于上水位傳感器；上水位傳感器電平發(fā)生變化，電平信號(hào)輸入到采集卡，控制水泵關(guān)閉。然后再進(jìn)行土壤濕度的檢測(cè)，與土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤濕度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采集卡控制電磁閥開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)灌溉；當(dāng)土壤濕度值等于或大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，采集卡控制電磁閥關(guān)閉，停止灌溉。圖5是以這個(gè)流程為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出的一個(gè)監(jiān)控軟件運(yùn)行時(shí)的截面圖，軟件上具有可視化的操作畫面。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 system work flow chart

3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與效果

整個(gè)光伏微電腦自灌溉系統(tǒng)通過(guò)軟件進(jìn)行控制(圖5），當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以從監(jiān)控軟件畫面上觀察系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)。當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)蓄電池充電、對(duì)蓄水池抽水，通過(guò)傳感器對(duì)土壤的干濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的數(shù)值時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，這樣比較方便用戶對(duì)灌溉的管理。對(duì)于一些特殊的情況，可以選擇手動(dòng)模式，對(duì)裝置進(jìn)行特殊的操作，如只灌溉或只蓄水。經(jīng)過(guò)軟件模擬測(cè)試和多次戶外的實(shí)驗(yàn)，顯示該控制軟件功能實(shí)用簡(jiǎn)明，可視化界面友好，系統(tǒng)裝置易于操作，具有很好的實(shí)用性，軟件灌溉效果良好。

圖5 裝置運(yùn)行的監(jiān)控軟件畫面截圖Fig.5 Screen screenshots of devices running monitoring software

4 結(jié) 語(yǔ)

太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊。與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，該研究裝置利用新型能源―――太陽(yáng)能，采用自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的微灌節(jié)水灌溉技術(shù)，既節(jié)約了水資源又減少了電能的消耗，而且還達(dá)到了增產(chǎn)的目的。該裝置的系統(tǒng)操作性強(qiáng)，具有現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，前景十分可觀。

［1］ 劉濤，林汝謀，金紅光.能源利用與環(huán)境領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究［J］.中國(guó)科學(xué)基金，2003，17(1）：32-35.

［2］ 逄煥成.我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)土壤與肥料，2006，43(5）：1-6.

［3］ 陳黎敏.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：53-80.

［4］ 郭浩，丁麗，劉向陽(yáng).太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(2）：38-41.

［5］ 張寶劍，高國(guó)紅.雙蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(3）：1446-1447.

［6］ 朱海龍，吳開(kāi)華，趙偉杰.模糊控制在太陽(yáng)能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2012，29(11）：1310-1313.

Research of automatic irrigation system by new tyPe Photovoltaic microcomPuter

LI Rui，HUANG Liwan，HU Lei，XU Bijun
(School of Sciences，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China）

This system device mainly use the solar energy，advanced sensor technology and microcomputer control technology to implement opening and closing of micro power consumption water valve in conditions without embedded wire mains and cloth，and can proceed automatic water-saving irrigation by automatic induction of dry and wet soil，according to the needs of different seasons，different plant growth cycles.Promotion of this technology can realize automatic water-saving irrigation powered by the sun to save labor and overcome the blindness of regular watering，which has the very good effect for energy conservation and emissions reduction and ecological environment protection benefit.

intelligent control system；irrigation system；solar energy；microcomputer

TP273.5；S275

A

1671-8798(2014）05-0349-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.05.006

2014-07-03

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013C31103）；浙江省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(Y201120062）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃）(2013R415034）

李 睿(1992― ），男，山西省運(yùn)城人，2010級(jí)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)本科生。

徐弼軍，高級(jí)工程師，碩士，主要從事光電傳感技術(shù)研究。