遠(yuǎn)程花卉節(jié)能灌溉系統(tǒng)

鄭鐵　張皖哲　王潤濤　馬云飛　郭青青

摘 要：該文闡述的為一款基于無線技術(shù)的遠(yuǎn)程控制花卉太陽能智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，將土壤作為研究對象，采用濕度傳感器精準(zhǔn)測量土壤溫濕度，通過光伏發(fā)電技術(shù)對鋰電池充電，為系統(tǒng)提供電能。以單片機(jī)為核心的控制部分，對花卉土壤濕度與應(yīng)注水量之間的關(guān)系、灌溉控制技術(shù)及系統(tǒng)的硬件材料與設(shè)計(jì)、軟件編程等多個(gè)部分進(jìn)行研討。

關(guān)鍵詞：花卉 土壤濕度 太陽能 節(jié)水灌溉

中圖分類號：S274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0002-02

合理灌溉是花卉生產(chǎn)中不可替代的一環(huán)，因此節(jié)水設(shè)備在花卉培植行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，隨著節(jié)水、高效、環(huán)保概念的推廣，花卉溫室對精度、高端灌溉要求越來越高。而花卉品種繁多，每一類花卉對灌溉的要求各不相同。該設(shè)計(jì)采用太陽能電池供電，檢測土壤濕度控制出水量，按鍵輸入花卉濕度閾值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保、精度高、適用范圍廣泛，為解決上述問題提出了新思路。

1 系統(tǒng)材料與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由電源部分、土壤濕度檢測部分、無線模塊、顯示模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、電磁閥儲(chǔ)水容器、花盆主體、花卉組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

實(shí)地使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同花卉品種需水量的不同，先遠(yuǎn)程設(shè)置土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)值。系統(tǒng)通過溫濕度傳感器不斷采集花盆內(nèi)濕度并與預(yù)設(shè)濕度值比較，當(dāng)前濕度值小于預(yù)設(shè)濕度值時(shí)。

主控制器發(fā)出信號使電磁閥打開，儲(chǔ)水容器中的水經(jīng)電磁閥進(jìn)入花盆主體。當(dāng)前濕度值大于等于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)主控制器發(fā)出信號給電磁閥，電磁閥關(guān)閉，阻止儲(chǔ)水容器中的水進(jìn)入花盆主體。液晶顯示預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值以及當(dāng)前濕度值。

1.1.1 系統(tǒng)電源電路

花卉太陽能智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)由太陽能電池供電，在需要供電的模塊中，電磁閥、電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和濕度檢測模塊電源為5 V，鋰電池的充電管理芯片和電源保護(hù)裝置的電源為3.7 V，故需要對電池保護(hù)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。使用MC34063三端穩(wěn)壓芯片，將兩端電壓由3.7 V電壓升至5 V從而為單片機(jī)系統(tǒng)、濕度檢測模塊、無線裝置，液晶顯示模塊、電磁閥供電。

1.1.2 單片機(jī)系統(tǒng)

在該智能花卉系統(tǒng)中，單片機(jī)為系統(tǒng)核心處理各項(xiàng)參數(shù)。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收濕度檢測模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)和按鍵模塊輸入的預(yù)設(shè)值同時(shí)控制電磁閥出水量，接收并在液晶上顯示預(yù)設(shè)值和當(dāng)前數(shù)值。

該系統(tǒng)中所選用的單片機(jī)是MSP430G2553，其工作電源電壓3 V，待機(jī)電流極小，工作模式下耗電為250μA/MIPS。是一種超低功耗、低壓工作的、高性能的16位單片機(jī)。其可基本滿足編寫程序的需要并支持在線編程方便操作。高集成度、體積小、可靠性強(qiáng)，具有極高的性價(jià)比；從而使花卉太陽能智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主要作用是控制系統(tǒng)所連接的外圍器件，并實(shí)現(xiàn)一定的通信及數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)在進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)采集時(shí)，所采集的數(shù)據(jù)偶爾會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干擾引起的。隨機(jī)誤差是在相同測試狀況下測量某一量時(shí)，其數(shù)值與符號可能會(huì)出現(xiàn)無規(guī)則的變化且無法人為估測，但在多次測量后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算規(guī)律。故為克服隨機(jī)干擾引起的隨機(jī)誤差，在編程時(shí)可采用軟件算法實(shí)現(xiàn)剔除一定的隨機(jī)誤差。數(shù)字濾波算法往往是系統(tǒng)測控算法的一個(gè)重要組成部分，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。

限幅濾波是數(shù)字濾波的一種，其基本計(jì)算公式如下：

其中Yn和Yn-1為兩次相鄰時(shí)刻系統(tǒng)的采樣值，ΔY為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的兩次采樣允許的最大偏差值。若|Yn-Yn-1|≤ΔY；則Yn有效；若|Yn-Yn-1|>ΔY；則認(rèn)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)生了隨機(jī)干擾，最后一次Yn采集值應(yīng)以Yn-1替代。

此數(shù)字濾波法的輸出效果與ΔY值的設(shè)定有絕對的關(guān)系。一般來說，若ΔY值越小，則系統(tǒng)允許的偏移量越小，反之亦然。

針對該系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作時(shí)，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中偶爾會(huì)出現(xiàn)的隨機(jī)不可控干擾，考慮到花卉所處環(huán)境光強(qiáng)、溫度變化及控制系統(tǒng)實(shí)際情況，在此該系統(tǒng)選取3 min為采集數(shù)據(jù)的單位時(shí)間。系統(tǒng)工作流程圖3如圖所示。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)

精度測試，取一組實(shí)驗(yàn)為例，見表1。

系統(tǒng)平均精度達(dá)97.6%，證明該花卉太陽能智能灌溉系統(tǒng)精度高。

3 結(jié)語

這款花卉太陽能智能灌溉系統(tǒng)將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)與自動(dòng)控制原理結(jié)合在一起，具有較高的科技性，并彌補(bǔ)了國內(nèi)花卉溫室市場上澆灌設(shè)備各方面的不足。該系統(tǒng)成本較低，在試驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、環(huán)保節(jié)能性。

參考文獻(xiàn)

[1] 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 李秀娟.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 張勁松，楊鳳英，潘萬平，等.基于組態(tài)的無線節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，41（9）：137-143.

[4] 劉永鑫，洪添勝，岳學(xué)軍，等.太陽能低功耗滴灌控制裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（20）：20-26.