一種小型智能高效節(jié)水噴灌系統(tǒng)設(shè)計

張 磊，杜嘵嵐，蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

一種小型智能高效節(jié)水噴灌系統(tǒng)設(shè)計

張 磊，杜嘵嵐，蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

0 引言

淡水資源的日益緊缺，已經(jīng)威脅到世界糧食供應(yīng)。要破解耕地面積有限、淡水資源緊缺的難題，發(fā)展節(jié)水灌溉成為最佳選擇。節(jié)水灌溉，就是指使用最少量的水資源灌溉，取得較好的經(jīng)濟效益和生產(chǎn)效益。噴灌是當前效果最好的節(jié)水灌溉有效方式。但噴灌基本還是依靠人工控制，存在灌溉不及時或灌溉過度的情況［1］。為解決這一問題，更加充分地利用淡水資源，對高效節(jié)水自動化噴灌系統(tǒng)的設(shè)計及控制進行了研究。

1 設(shè)計思想和架構(gòu)

1.1 土壤濕度影響植物生長分析

植物對土壤的依賴性主要體現(xiàn)在養(yǎng)分與水分，其中土壤水分含量具有變化率大、可控性的特點。土壤濕度的變化對植物生長的影響非常明顯，主要體現(xiàn)在適于植物生長的濕度范圍，萎蔫系數(shù)和田間持水量決定著植物生長的需水量，萎蔫系數(shù)指植物生長所需最小土壤濕度，田間持水量指土壤水分有效性的上限值，限制了灌溉定額的上限。

為此，過去常常會發(fā)生2種不良現(xiàn)象：由于大面積缺水造成的植被損失事件時有耳聞；灌溉過度造成的土壤空氣含量不足，進而導(dǎo)致植被死亡的情況也常常發(fā)生。姑且不論植被死亡造成的損失，僅過度灌溉造成的土壤表層水分大量蒸發(fā)與流失，就降低了灌溉用水的利用效率，并進而影響了整個水資源的有效利用率。

1.2 常用灌溉系統(tǒng)分析

現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)，如果對600 m2的草坪灌溉，通常需要12個噴頭，這12個噴頭是通過1個總閥門來控制。而且由工作人員根據(jù)天氣狀況及經(jīng)驗判斷土壤濕度，決定是否需要灌溉，這樣的灌溉缺乏科學(xué)性。這種灌溉方式，容易出現(xiàn)灌溉水量過多致使退讓表層過多積水的情況。在這種方式下，有相當一部分的水量經(jīng)土壤表層流出灌溉區(qū)域，另有一部分灌溉用水隨著空氣流動及陽光照射蒸發(fā)，進入大氣，與此同時，一部分水會滲入土壤下層，匯入地下水，造成大量水分無效灌溉。另一方面，由于灌溉不及時，灌溉區(qū)域植被由于缺水會大面積枯死，造成損失。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

由于常用噴灌系統(tǒng)主要由人工經(jīng)驗控制灌溉閥門，容易出現(xiàn)灌溉不足和灌溉過量的情況，可以考慮通過檢測土壤濕度，由土壤濕度的變化來控制閥門的開關(guān)，即保障了植物生長所需的水分，同時實現(xiàn)了節(jié)約用水［2］。設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：原灌溉系統(tǒng)、濕度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、單片機、開關(guān)電源、步進電機驅(qū)動器及步進電機。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 資料數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計學(xué)軟件進行分析，計量資料采用均數(shù)±標準差表示，進行t檢驗；計數(shù)資料采用例和百分比[例(%)]表示，進行χ2檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

以噴灌系統(tǒng)為例，在每個噴頭噴灑范圍內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的傳感器以檢測土壤濕度，如圖2所示（以扇形噴灑方式為例）。

圖2 噴灑范圍

通常情況，噴灌系統(tǒng)都是由一個總閥門控制所有的噴頭，各個噴頭的開關(guān)時間和出水量都是相同的，這種情況下，整塊草坪的土壤濕度都是基本一樣的?？梢詫⑺械膫鞲衅骺刂茀?shù)調(diào)整在一定范圍內(nèi)，當規(guī)定數(shù)量的傳感器參數(shù)達到灌溉要求時，就可以打開總閥門，開始灌溉。反之，停止灌溉。

1.4 系統(tǒng)工作流程

將傳感器植入土壤中，設(shè)置傳感器參數(shù)為W（萎蔫系數(shù)）和T（田間持水量），分別為使系統(tǒng)工作的比較值。工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

如一個草坪需要12個噴頭進行灌溉，可布置36個濕度傳感器。通過傳感器檢測土壤濕度，土壤濕度模擬信號通過調(diào)理，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，輸入到單片機，經(jīng)單片機對信號進行判斷，再控制電機驅(qū)動器，通過驅(qū)動器控制電機工作。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

為降低成本及系統(tǒng)的復(fù)雜程度，硬件電路必須具有很好的移植性。為突出系統(tǒng)小型化的優(yōu)勢，系統(tǒng)硬件組成要求部件少、可靠性高、集成度高。硬件電路主要由濕度傳感器（HM1500LF）、調(diào)理電路（一階低通濾波器）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、控制電路（AT 89S51單片機）、執(zhí)行機構(gòu)（SH4012步進電機驅(qū)動器及42BYGH四相步進電機）以及參考電源等構(gòu)成［3-5］。硬件電路構(gòu)成如圖4所示。

圖4 硬件電路構(gòu)成

2.1 濕度傳感器選型

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ADC0809的8路輸入信號經(jīng)過一個8路模擬開關(guān)選擇后，送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入比較器，8路信號的選擇是通過地址鎖存與譯碼器實現(xiàn)的，也就是說8路輸入信號分時共用1個A／D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器是一個主次逼近型的A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的基準電壓是由外部供給的；ADC0809數(shù)據(jù)輸出帶有三態(tài)輸出鎖存器，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，通過CPU打開三態(tài)門，可讀出8位轉(zhuǎn)換結(jié)果［7］。

2.3 微處理器的選擇

為降低成本，減小體積，采用具有體積小、重量輕和容易模塊化等優(yōu)點的單片機作為微處理器。系統(tǒng)選用了AT89S51單片機，該單片為CMOS 8位單片機［8］。因為植物在生長的不同階段和季節(jié)，對水的需求量也不同，所有系統(tǒng)的運算參數(shù)要經(jīng)常修改，而單片機的Flash只讀程序存儲器可擦寫1 000次，滿足系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計要求及功能實現(xiàn)

3.1 設(shè)計要求及功能實現(xiàn)

近年來，單片機C51語言比較流行。C51語言具有匯編語言的優(yōu)勢，同時兼?zhèn)涓呒壵Z言的優(yōu)勢，其生成目標代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計時，閥門的開關(guān)和開度大小由傳感器檢測的土壤濕度信號來控制，從而控制出水量的大小。這樣灌溉才能穩(wěn)定無差錯的工作。程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 程序工作流程

針對系統(tǒng)控制要求，軟件系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：對系統(tǒng)初始化，完成傳感器輸出的土壤濕度信號的采集，邏輯處理采集后的數(shù)據(jù)、電機方向信號和輸出脈沖信號等。

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺

選擇的Keilu Vision4作為單片機軟件集成開發(fā)環(huán)境。Keil可以實現(xiàn)包含連接器、庫管理、宏匯編、C編譯器和范根調(diào)試器在內(nèi)的方案。經(jīng)過集成開發(fā)環(huán)境（u Vision4）將以上部分整合在一起。u Vision4集成開發(fā)環(huán)境包括項目管理、編輯源代碼及程序調(diào)試。同時可以實現(xiàn)在PC機上進行目標程序模擬，指令集合片內(nèi)外圍功能。

4 結(jié)束語

在深入分析土壤濕度對植物生長影響基礎(chǔ)上，對自動化灌溉系統(tǒng)進行了功能分析及硬件總體設(shè)計，主要討論了系統(tǒng)整體設(shè)計思想及架構(gòu)，系統(tǒng)的工作流程，完成了系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計，對信號的采集、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換及進一步處理做出了分析和設(shè)計。還對微處理器，步進電機及其驅(qū)動器做了一些簡要介紹和分析。

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［3］ 周黎，楊世洪，高曉東.步進電機控制系統(tǒng)建模及運行曲線仿真［J］.電機與控制學(xué)報，2011，15（1）：20-25.

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［8］ 郝育聞.新型濕度傳感器的研究進展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，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）

在深入分析植物生長受土壤濕度影響的基礎(chǔ)上，提出節(jié)水噴灌系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過對土壤濕度的檢測來控制閥門開度的大小，從而達到節(jié)水的目的。對系統(tǒng)的功能及工作流程進行分析，完成系統(tǒng)各組成部分的硬件總體架構(gòu)設(shè)計，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計及具體功能實現(xiàn)。

噴灌；濕度；節(jié)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

張 磊（1983－），男，陜西咸陽人，碩士，講師，研究方向為自動控制技術(shù)。

2015-04-17

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院內(nèi)課題（ZK13 49）