基于物聯(lián)網(wǎng)的智能光伏水泵灌溉系統(tǒng)

張晨瀅 楊薇 嚴(yán)德廣 薛洋 曹辰旸

[摘要]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合光伏水泵及微灌技術(shù)，開發(fā)出一種智能手機(jī)APP客戶端，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)農(nóng)田土壤的遠(yuǎn)程監(jiān)控。土壤傳感器將收集的土壤水分、溫度、微量元素、PH值等參數(shù)，反饋到手機(jī)APP的數(shù)據(jù)庫中，通過智能計(jì)算，以操作APP實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的智能灌溉，從而提高作物的生長和提高產(chǎn)量，并減少對(duì)水資源的浪費(fèi)。整個(gè)系統(tǒng)使用的電能均來自太陽能，實(shí)現(xiàn)了清潔、智能、高效灌溉，可解決我國西部部分地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉缺水問題。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；太陽能電池；光伏水泵；微灌

[中圖分類號(hào)]S27 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

目前世界各國都是在大量消耗化石資源為代價(jià)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，這導(dǎo)致了全球自然資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化、水資源污染嚴(yán)重等問題。解決上述問題需要我們?nèi)祟惏l(fā)展利用各種綠色能源，例如太陽能就是其中應(yīng)用得比較好的一類綠色能源，人類利用逆變器將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，解決西藏、內(nèi)蒙、青海等缺電地區(qū)的用電問題。而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能光伏水泵灌溉系統(tǒng)利用了現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，將灌溉系統(tǒng)智能化，實(shí)現(xiàn)無人灌溉、節(jié)能灌溉、智能灌溉。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能光伏水泵灌溉系統(tǒng)主要三大部分組成，分別是光伏水泵模塊、營養(yǎng)灌溉模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊。光伏水泵模塊由追日式太陽能電池板、蓄電池、逆變系統(tǒng)、三相異步電機(jī)、專用水泵、水塔構(gòu)成；營養(yǎng)灌溉模塊由營養(yǎng)池、水塔、混合池、灌溉網(wǎng)絡(luò)、土壤數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；物聯(lián)網(wǎng)模塊由土壤數(shù)據(jù)、控制中樞、終端控制開關(guān)、云端服務(wù)器、移動(dòng)客戶端構(gòu)成。系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，追日式太陽能電池板對(duì)太陽能進(jìn)行收集，將其轉(zhuǎn)化為電能，一部分儲(chǔ)存于蓄電池中，一部分通過逆變系統(tǒng)直接對(duì)水泵供電，水泵將水抽進(jìn)具有一定高度的水塔中。土壤數(shù)據(jù)采集模塊通過不同的傳感器對(duì)土壤的各種理化性質(zhì)進(jìn)行檢測與分析，并將數(shù)據(jù)傳送至控制中樞?？刂浦袠袑?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單地整理和處理后，通過無線傳輸模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器（如圖1所示）。云端服務(wù)器根據(jù)對(duì)不同節(jié)水灌溉條件、氣候條件下主要農(nóng)作物品種的需水指標(biāo)和需水量建立估算模型，同時(shí)以農(nóng)業(yè)模型庫、方法庫為支撐，對(duì)所收集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理成具有實(shí)際意義的物理量并將處理結(jié)果儲(chǔ)存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，形成符合本地實(shí)際的決策模型。云端服務(wù)器通過建立的決策模型對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出作物的精確灌溉時(shí)間、最佳灌水量以及土壤所需營養(yǎng)等，然后再生成各種與之對(duì)應(yīng)的處理方式，展現(xiàn)在pc端或者移動(dòng)端于工作人員，然后工作人員選擇相應(yīng)的處理方式后，又通過云端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠小？刂浦袠性賹?shù)據(jù)傳給終端控制開關(guān)，終端控制開關(guān)對(duì)可編程的邏輯控制器和執(zhí)行電磁閥進(jìn)行控制，然后對(duì)土地實(shí)施灌溉。數(shù)據(jù)采集模塊，控制中樞，各種終端控制開關(guān)由蓄電池來供電。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏水泵模塊設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)（如圖2）的電能來源于追日式太陽能電池板，將電池板置于采光集中的地點(diǎn)，使其能更好的利用太陽能，得到的太陽能一部分儲(chǔ)存于蓄電池中，蓄電池中的電能可以在夜間為整套系統(tǒng)供電，其中包括對(duì)控制中樞當(dāng)中的各種計(jì)算與處理系統(tǒng)，各種終端控制開關(guān)。夜間供電能使系統(tǒng)全天工作，保障對(duì)農(nóng)田的灌溉與管理。得到的另一部分電能通過逆變系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電供三相異步電動(dòng)機(jī)使用。而三相異步電動(dòng)機(jī)又為水泵提供動(dòng)力，將地下水提升至水塔中，水塔具有一定的高度，因而水塔中的水具有一定的重力勢能，能為后面與營養(yǎng)液的混合提供一部分能量。

2.2 營養(yǎng)灌溉模塊設(shè)計(jì)

營養(yǎng)灌溉模塊中的營養(yǎng)池中分為許多獨(dú)立的空間用于存放不同農(nóng)作物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如氮肥、磷肥、鉀肥等。每一個(gè)空間設(shè)置一個(gè)終端控制開關(guān)，能夠根據(jù)人為來實(shí)現(xiàn)精確控制，能夠根據(jù)植物的需要進(jìn)行灌溉?；旌铣赜糜诨旌纤械乃c營養(yǎng)池中的營養(yǎng)物質(zhì)，混合池中可安裝小型攪拌機(jī)來使其混合均勻供農(nóng)田灌溉。混合均勻后的灌溉用水利用管道傳輸至農(nóng)田，傳輸?shù)墓艿涝谵r(nóng)田中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處安裝微噴灌裝置，盡可能使農(nóng)田得到全方位的灌溉。管道的材料應(yīng)根據(jù)營養(yǎng)的成分來確定，避免損害管道。土壤采集模塊包括許多不同的傳感器，如土壤水分傳感器、土壤濕度計(jì)、土壤墑情儀，能對(duì)土壤的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，包括溫度、濕度、pH值以及各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量等，將得到的數(shù)據(jù)傳輸至控制中樞，來實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的有效灌溉。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)模塊是由控制中樞、云端服務(wù)器、移動(dòng)客戶端、終端控制開關(guān)四部分組成的。首先，土壤傳感器采集土壤的各方面信息，如濕度、CO2濃度、溫度、PH值、微量元素含量等，土壤傳感器定時(shí)將收集到的信息發(fā)送給控制中樞，控制中樞將一段時(shí)間內(nèi)接受到的多種信息進(jìn)行打包處理，發(fā)送給云端服務(wù)器。云端服務(wù)器工作人員處理分析接收到的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到最優(yōu)的灌溉方案（包括灌溉的水量、土壤所缺元素、土壤酸堿平衡等），最終將最優(yōu)方案信息發(fā)送給移動(dòng)客戶端，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的主人通過手機(jī)APP獲取其農(nóng)田的最新情況，并根據(jù)APP操作實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的無人智能灌溉。農(nóng)田主人選擇云端服務(wù)器發(fā)送過來的最優(yōu)方案后，控制中樞將接受該信息，并通過控制對(duì)應(yīng)所需營養(yǎng)池的某種養(yǎng)料池開關(guān)與水塔的開關(guān)，兩種液體在混合池中進(jìn)行混合，得到做適合當(dāng)前農(nóng)田所需的灌溉液，然后啟動(dòng)噴灌電池閥將灌溉液以微噴灌的方式噴灑在農(nóng)田中，實(shí)現(xiàn)較智能的科學(xué)無人灌溉。

3 該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景

1kW光伏水泵提水系統(tǒng)與柴油機(jī)提水系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（見表1、表2）。

光伏水泵的前期投入大，但節(jié)省了后期的人工成本，且節(jié)約了未來提水所需要的電，運(yùn)行成本低。該系統(tǒng)安全、操作簡單，可實(shí)現(xiàn)無人值守灌溉，對(duì)于人居分散、交通不便以及地表水缺乏的西部地區(qū)來說，是十分重要的。西部地區(qū)本身地處內(nèi)陸，日照時(shí)間長，可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能實(shí)現(xiàn)提水灌溉，這給西部地區(qū)的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了保障。該系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于西部地區(qū)，實(shí)現(xiàn)智能、經(jīng)濟(jì)、清潔、科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉。

4 結(jié)語

總的來說，該系統(tǒng)廣泛適用于日照充足的缺水地區(qū)。對(duì)于西部地區(qū)來說，利用該系統(tǒng)可以更好地對(duì)地下水資源進(jìn)行開發(fā)和利用，并利用了充足的太陽能，減少了化石燃料的燃燒，實(shí)現(xiàn)清潔能源的使用。通過物聯(lián)網(wǎng)的方式，可不用現(xiàn)場了解土壤的情況，通過遠(yuǎn)程操作就能實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉，增加作物產(chǎn)量，節(jié)省勞動(dòng)力。西部某些地區(qū)太陽能資源豐富，年日照時(shí)間在2000h以上，年總輻射量在1510kWh/m?以上，因此太陽能水泵可為人畜飲水和提水灌溉提供可靠的能源保障，從而成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本保障。但該系統(tǒng)也具有一定的缺點(diǎn)，前期投入太大，許多農(nóng)戶承擔(dān)不起這筆費(fèi)用，這就需要科研人員繼續(xù)研究改進(jìn)，降低光伏水泵的價(jià)格，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在西部地區(qū)能夠真正普及應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李智輝.光伏灌溉系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].經(jīng)營管理者，2013（15）：164.

[2] 湯飛，洪再生，叢安琪.基于光伏技術(shù)的都市農(nóng)業(yè)發(fā)展[J].江西社會(huì)科學(xué)，2014（04）：66-69.

[3] 王東偉.自動(dòng)跟蹤式太陽能光伏水泵設(shè)計(jì)及性能預(yù)測[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[4] 羅紅英，崔遠(yuǎn)來，陳堅(jiān)，等.光伏提水技術(shù)在西藏的推廣前景[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011（11）：276-280.