智能分區(qū)精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍耀強(qiáng)+王俊平+張震+宋金橋+王凱達(dá)+張昊+郭慶旭

摘 要：該系統(tǒng)由滴灌子模塊、太陽能供電子模塊、土壤含水率檢測子模塊，中央處理子模塊、GSM無線傳輸子模塊五部分組成。將實(shí)驗(yàn)基地中分成東、西、南、北四個(gè)地區(qū)，土壤含水率檢測子模塊按照分區(qū)方向分四路對(duì)四個(gè)地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，滴灌子模塊也分四路進(jìn)行灌溉。土壤含水率檢測子模塊將檢測到的濕度數(shù)據(jù)送至中央處理器進(jìn)行處理，并用液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示土壤含水率和預(yù)先設(shè)定的土壤含水率的上、下限值，當(dāng)土壤含水率低于預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，電磁閥打開，高于設(shè)定的上限值時(shí)，電磁閥關(guān)閉。并且電磁閥打開或關(guān)閉的同時(shí)，GSM模塊均會(huì)將提示信息發(fā)送到用戶手機(jī)客戶端，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控目的。

關(guān)鍵詞：光伏供電；精準(zhǔn)滴灌；GSM模塊；單片機(jī)；分區(qū)灌溉

中圖分類號(hào)：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0046-02

1 研制背景及意義

目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，山地灌溉系統(tǒng)屬于補(bǔ)充灌溉和統(tǒng)一灌溉范疇，在灌溉過程中不能根據(jù)具體的山地土壤含水量來進(jìn)行劃分區(qū)域精準(zhǔn)灌溉。對(duì)于復(fù)雜的山地的農(nóng)業(yè)灌溉[2]，由于山地坡度和高差的不同，對(duì)山地的精準(zhǔn)灌溉很難實(shí)現(xiàn)，同樣由于山地的土壤含水率低，水分流失速度快，急需開發(fā)一套實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水率的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用太陽能作為系統(tǒng)的主要能源供給，根據(jù)山地坡度和高差不同的區(qū)域，對(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)流量、壓力設(shè)計(jì)不同，實(shí)時(shí)按需精準(zhǔn)灌溉[3]。設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制通訊模塊，各分點(diǎn)采集到的土壤含水率網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，通過單片機(jī)控制；自動(dòng)進(jìn)行電磁閥的開啟與關(guān)閉，同時(shí)利用GSM網(wǎng)絡(luò)[4]將提示信息發(fā)送到用戶手機(jī)，達(dá)到實(shí)時(shí)灌溉和監(jiān)控。

本系統(tǒng)以節(jié)能環(huán)保為基礎(chǔ)，以節(jié)省人力物力財(cái)力為根本，通過太陽能供電，結(jié)合對(duì)滴灌網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到綠色減排，自動(dòng)滴灌，精準(zhǔn)滴灌，遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由滴灌子模塊、太陽能供電子模塊、土壤含水率檢測子模塊、液晶顯示子模塊、中央處理器子模塊、GSM無線傳輸子模塊六部分組成。根據(jù)山地地形地貌特點(diǎn)，我們將實(shí)驗(yàn)基地分為東、西、南、北四個(gè)地區(qū)，系統(tǒng)分四路進(jìn)行采集滴灌。在供水方面，中央處理子模塊通過預(yù)先設(shè)定的土壤含水率的上，下限值以及土壤含水率檢測子模塊檢測得到的含水率的值來控制四路電磁閥的開啟與關(guān)閉，使土壤能夠按時(shí)按需得到灌溉，還能避免因過度灌溉而造成水源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)水效果。在供電方面，采用太陽能進(jìn)行供電，太陽能具有綠色無污染且能無限開采的特點(diǎn)，且使用方便，能夠高效率地將光能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而給負(fù)載供電，太陽能采集到的多余的能源還能給蓄電池充電，從而達(dá)到節(jié)能目的。系統(tǒng)總體硬件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 滴灌子模塊部分

本模塊由水源工程、水源總閥、止回閥、過濾器、四路電磁閥、輸出孔管組成，根據(jù)山地地形需要，我們將四路電磁閥分布在東、西、南、北四個(gè)地區(qū)。輸出孔管是對(duì)與電磁閥輸出端連接的作下方隔等距離打孔處理的水管，本模塊的結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示，本模塊采用額定電壓為12V額定功率為2W的電磁閥，采用具有低電平觸發(fā)和5V供電的繼電器作為電磁閥控制開關(guān)。

2.3 太陽能供電子模塊

本模塊由太陽能電池板、太陽能控制器和蓄電池組成，其電壓工作參數(shù)均在12V左右。白天太陽能電池板通過控制器給負(fù)載供電，收集到的多余的能量還可以同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，充電過程在控制器的作用下自動(dòng)停止。當(dāng)太陽能不足時(shí)，蓄電池還可以繼續(xù)給裝置供電。太陽能控制器具有過充、過載、過放保護(hù)功能，且能夠?qū)崟r(shí)顯示充電狀態(tài)及蓄電池路端電壓。

2.4 土壤含水率子模塊

本模塊由土壤傳感器和PCF8951模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]組成。使用時(shí)我們將土壤傳感器的探針插入地下，PCF8951模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過將土壤傳感器測得的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，以便單片機(jī)對(duì)土壤數(shù)據(jù)處理。

2.5 土壤含水率顯示子模塊

本模塊采用型號(hào)為12864的液晶顯示模塊，該模塊為5V電壓驅(qū)動(dòng)。在工作時(shí)顯示各個(gè)地區(qū)的含水率以及預(yù)先設(shè)置的土壤含水率的上、下限值。

2.6 中央處理器子模塊

本系統(tǒng)選用的中央處理器是型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)。STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其工作電壓為3.8V～5.5V，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程flash，使用靈活有效，范圍較廣。

2.7 GSM無線傳輸子模塊

GSM無線傳輸子模塊選用的是型號(hào)為TC35I的工業(yè)級(jí)GSM模塊[4]，支持中文短信互通，通過AT指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。該通信模塊具有通訊成本低、可靠性高、保密性好及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)整體工作流程及實(shí)物圖

針對(duì)山地復(fù)雜的地形與地貌，我們將山區(qū)試驗(yàn)基地分為東、西、南、北四個(gè)地區(qū)，滴灌子模塊中的四路電磁閥分布在系統(tǒng)裝置主體部分的四個(gè)方向上，土壤含水率子檢測模塊也呈東、西、南、北四路檢測。系統(tǒng)工作時(shí)，四個(gè)地區(qū)的傳感器將檢測到的土壤含水率的數(shù)據(jù)經(jīng)AD設(shè)備PCF8951轉(zhuǎn)換后送至中央處理子模塊——STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)將會(huì)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們預(yù)先根據(jù)山地農(nóng)業(yè)土壤對(duì)水分的需要設(shè)定了土壤含水率的上、下限值，并寫進(jìn)了單片機(jī)的程序里，當(dāng)土壤含水率低于下限值時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的引腳會(huì)送給接該引腳的繼電器的信號(hào)線為低電平，繼電器由于低電平觸發(fā)而開關(guān)打開，電磁閥通電工作，當(dāng)土壤含水率高于上限值時(shí)，繼電器開關(guān)關(guān)閉，電磁閥停止工作。在電磁閥打開與關(guān)閉的同時(shí)，GSM無線子模塊均會(huì)發(fā)送提示信息，而且液晶顯示子模塊能夠?qū)γ總€(gè)地區(qū)的含水率值和預(yù)先設(shè)定的含水率上、下限值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控的目的。通過調(diào)試和運(yùn)行，系統(tǒng)無論在滴灌子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)兩方面，皆能穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)按需實(shí)施精準(zhǔn)灌溉的效果，達(dá)到了預(yù)期的目的。圖3是系統(tǒng)工作流程圖，圖4為客戶端接收到的短信信息，圖5為實(shí)物圖。

4 結(jié)束語

本文使用高效率的太陽能板來給系統(tǒng)供電，使得太陽能能夠最大程度轉(zhuǎn)化為電能，我們又對(duì)太陽能板進(jìn)行了合理的放置，使得太陽能板在一定時(shí)間內(nèi)最大程度上捕捉到光能。中央處理子模塊是按照采集到土壤含水率的精確值來控制灌溉的，控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了農(nóng)業(yè)土壤需要含水率的上、下限值，從而能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)精準(zhǔn)按需滴灌，避免過度灌溉而浪費(fèi)水源，而且GSM模塊還能實(shí)時(shí)反饋給用戶端各個(gè)地區(qū)的滴灌狀態(tài)，從而能夠達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控目的，大大減少了人力資源的使用。

參考文獻(xiàn)：

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