分布式灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計

李青鋒 黃慶 葉永志

摘?要：旨在從作物生長所需水分、養(yǎng)分差異入手，介紹分布式灌溉系統(tǒng)在水資源和作物養(yǎng)分上的有效利用。分布式灌溉系統(tǒng)采用主從容器設(shè)計思路，由傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制LCD1602和步進(jìn)電機(jī)工作，若達(dá)到預(yù)設(shè)值時，自動打開主從容器閥門進(jìn)行水肥一體化灌溉。

關(guān)鍵詞：主從容器;分布式灌溉系統(tǒng);水肥一體化

中圖分類號：S126?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.008

0?引言

眾所周知，農(nóng)業(yè)是國民的重要支柱之一，推動著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是我國經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的一大來源。農(nóng)業(yè)灌溉工程中，高效的節(jié)水灌溉是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要難題。我國耕地資源與水資源錯位分布及北糧南運的糧食生產(chǎn)格局，加劇了農(nóng)業(yè)用水總量短缺態(tài)勢，也使水減糧增問題更加凸顯。農(nóng)業(yè)灌溉工程在我國特別是農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)當(dāng)中起到了推動作用，有效解決了農(nóng)業(yè)用水及周邊居民的用水難題。目前，大多采用的是微噴灌或者大型機(jī)械化的灌溉技術(shù)，達(dá)不到理想精準(zhǔn)灌溉的標(biāo)準(zhǔn)。有效、科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉需要一種可靠的新型灌溉技術(shù)來獲得更加精準(zhǔn)的灌溉、施肥。

1?分布式灌溉系統(tǒng)研究

1.1?分布式灌溉系統(tǒng)概況

分布式灌溉系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)及現(xiàn)有滴灌技術(shù)對比，管道鋪設(shè)做了改進(jìn)，加上了主從容器，形成分布式水肥一體化滴灌。因為有了主從容器，所以在精準(zhǔn)施肥上得到改善，增加了產(chǎn)量。通過平臺利用大數(shù)據(jù)分析農(nóng)作物當(dāng)前生長狀況，直觀地展現(xiàn)給相關(guān)人員。由于灌溉分布及器件選用更合理，屬于目前流行的滴灌技術(shù)。所以對于現(xiàn)有灌溉技術(shù)而言，能夠更加靈活適應(yīng)不同地區(qū)的節(jié)水施肥效應(yīng)，與傳統(tǒng)灌溉工程作比較，現(xiàn)代灌溉工程表現(xiàn)出省時省力，趨于智能化發(fā)展。

假如有3種不同的作物，傳統(tǒng)方法是分開種植，現(xiàn)在因為有了主從容器，一塊土地就可以實現(xiàn)3種作物同時種植（如圖1）?？梢詣澐譃?塊區(qū)域，每一塊區(qū)域（可大可小，完全取決于從容器管理的范圍及鋪設(shè)的管道長短）種植同一種作物，這一區(qū)域的從容器里裝有該區(qū)域作物所需的專用肥料，以實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。主容器是與水庫直接相連的，但因為自然水種礦物質(zhì)較多，所以主容器具有凈化功能。至此，每個區(qū)域要實現(xiàn)水肥一體化，主容器提供水分，該區(qū)域從容器按照設(shè)備自動注入一定肥料至管道，最后通過滴灌送給作物。

1.2?分布式灌溉系統(tǒng)研究

1.2.1?所處環(huán)境

經(jīng)濟(jì)環(huán)境：我國灌溉面積廣闊，由此帶來巨大經(jīng)濟(jì)財富。技術(shù)環(huán)境：當(dāng)前我國的灌溉技術(shù)一般可分為畦灌、溝灌、噴灌、滴管、滲灌、微噴灌等方式，這些灌溉方式中，都在追求如何節(jié)水，而就我國目前所有的技術(shù)而言，為我們提供了很大的便利和啟發(fā)。政策環(huán)境：改革開放以來，國家開始高度重視三農(nóng)問題。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源和土地流失問題也成為了一大困擾中國乃至世界的歷史大問題。

1.2.2?研究性

比較現(xiàn)在的灌溉模式，滴灌的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢，但仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)滴灌技術(shù)并不是能適應(yīng)所有的地區(qū)。能解決同一地區(qū)種植不同的作物，同時又能高產(chǎn)，是分布式灌溉技術(shù)的出發(fā)點。按照分布式網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)思，采用主從容器設(shè)計，作物需水是共有的，由主容器承擔(dān);不同作物之間所需的養(yǎng)分往往不同，所以需要多個從容器承擔(dān)，由此想到一種分布式的灌溉系統(tǒng)。 由STC89C52作為控制芯片是考慮成本問題，STC89C52作為低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8 kB系統(tǒng)可編程Flash存儲器，32個I/O口。在大多數(shù)嵌入式設(shè)備提供了靈活、高效的運作方案。

2?分布式灌溉系統(tǒng)設(shè)計

2.1?硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件設(shè)計部分由傳感器模塊、ZigBee無線傳輸模塊、通信模塊、電源模塊、外部控制按鍵、步進(jìn)電機(jī)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等組成（如圖2）。控制模塊由STC89C52芯片及其最小系統(tǒng)電路組成，數(shù)據(jù)顯示模塊由LCD1602構(gòu)成，芯片之間采用ZigBee通信，運用GPRS通信將采集的數(shù)據(jù)上傳至平臺，采用28BYJ-48型號步進(jìn)電機(jī)控制閥門，傳感器模塊由溫濕度傳感器、養(yǎng)分傳感器和ADC轉(zhuǎn)換XPT2046芯片完成。

在分布式灌溉系統(tǒng)中，硬件設(shè)計電路均安裝在由主從容器構(gòu)成的智能控水施肥裝置中。STC89C52控制LCD1602顯示器初始化，由傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，在LCD1602顯示器上顯示，并由STC89C52控制芯片判斷是否需要控制步進(jìn)電機(jī)開啟閥門運輸水分和養(yǎng)分。若達(dá)到預(yù)設(shè)作物水分或養(yǎng)分需求量，則主從容器打開閥門通過管道實現(xiàn)水肥一體化灌溉。各控制芯片之間由I2C通信傳輸數(shù)據(jù)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)會通過GPRS無線傳輸至網(wǎng)頁平臺。該分布式灌溉系統(tǒng)硬件部分利用主從容器的分布特點，采集分析數(shù)據(jù)，為每個區(qū)域農(nóng)作物做出精準(zhǔn)的反饋。

2.2?軟件設(shè)計

分布式灌溉系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合方法，相比于現(xiàn)在的灌溉系統(tǒng)而言，更加人性化，智能化。將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)頁平臺，在網(wǎng)頁平臺上顯示各區(qū)域農(nóng)作物生長狀況，可以直觀的了解農(nóng)作物從種植到成熟的整個過程。網(wǎng)頁平臺設(shè)計有以下幾個部分（如圖3）。

（1）數(shù)據(jù)采集。運用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL來進(jìn)行簡單的查詢和處理工作。（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入和預(yù)處理。將來自前端收集存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入分布式庫和分布式存儲集群，并且可以在導(dǎo)入基礎(chǔ)上做一些簡單的清洗和預(yù)處理工作。（3）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。利用Hadoop大數(shù)據(jù)生態(tài)圈進(jìn)行統(tǒng)計與分析，或者分布式計算集群來對存儲于其內(nèi)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行普通的分析和分類匯總等。（4）數(shù)據(jù)挖掘。在現(xiàn)有采集和處理后的數(shù)據(jù)上面進(jìn)行基于農(nóng)作物生長條件的算法的計算，從而起到預(yù)測農(nóng)作物生長及調(diào)控對農(nóng)作物營養(yǎng)的效果，從而實現(xiàn)科學(xué)、高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。（5）數(shù)據(jù)可視化。通過一定的技術(shù)方法，利用圖形、圖像處理、計算機(jī)視覺以及用戶界面，通過表達(dá)、建模以及對立體、表面、屬性以及動畫的顯示，對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)加以可視化解釋，讓用戶直觀的明白預(yù)測結(jié)果。

3?分布式灌溉系統(tǒng)應(yīng)用價值

3.1?市場空間

分布式灌溉系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的一員。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的適用范圍較廣，幾乎適用于所有的旱作物。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)不僅可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。在實施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程后，極大的改善了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉以經(jīng)驗為依據(jù)、親臨現(xiàn)場、人工操作的生產(chǎn)形式，解決了人工灌溉管理面積小、耗時長、成本高、水資源利用率低、浪費嚴(yán)重的現(xiàn)狀。

3.2?發(fā)展前景

分布式灌溉系統(tǒng)仍采用滴灌技術(shù)，滴灌是迄今為止農(nóng)田灌溉最節(jié)水的灌溉技術(shù)之一。在滴灌技術(shù)上，采取這種特殊的主從容器布局方式，更加靈活，可以滿足不同作物生長所需物質(zhì)。系統(tǒng)可以輸入多種作物生長的需水需肥模型，根據(jù)作物種類的不同生長時期的水肥規(guī)律和特點，通過對各傳感器的數(shù)據(jù)分析，科學(xué)合理的安排灌溉施肥計劃，并結(jié)合先進(jìn)的灌溉控制系統(tǒng)，達(dá)到精確控制灌水量、施肥量和水肥施用時間的目的，實現(xiàn)電腦端的遠(yuǎn)程自動化控制。

3.3?需求分析

我國土地面積廣闊、自然環(huán)境復(fù)雜、各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大，因此推廣灌溉技術(shù)的一個重要原則就是因地制宜。我國的灌溉技術(shù)多應(yīng)用于山地丘陵地區(qū)和干旱地區(qū)。以貴州為例，貴州山地較多，往往不同作物不能種植在一起，這浪費了大量的土地資源，采用分布式灌溉系統(tǒng)可以解決這一難題。該灌溉方法不僅可實現(xiàn)多種作物同時耕種，而且布局更加精細(xì)，施肥更加精準(zhǔn)，從而達(dá)到高效高產(chǎn)的目的。最后通過網(wǎng)頁平臺，將農(nóng)產(chǎn)品售出。

由于政府大力扶持農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，所以從農(nóng)業(yè)灌溉的未來發(fā)展角度來看，分布式灌溉系統(tǒng)具有適應(yīng)能力強、節(jié)水效果明顯、施肥精準(zhǔn)等特點，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4?結(jié)語

目前，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)發(fā)展政策引導(dǎo)不夠以及地理位置的不可調(diào)控等因素，制約了其灌溉技術(shù)的發(fā)展。但發(fā)展新一代灌溉技術(shù)是傳統(tǒng)以及現(xiàn)有灌溉技術(shù)的一個轉(zhuǎn)型，是適應(yīng)當(dāng)今社會的發(fā)展需求。筆者探討了分布式灌溉系統(tǒng)，從設(shè)計上來看，采用主從容器設(shè)計，可以靈活適應(yīng)不同作物種植在一塊區(qū)域。同時，如何能夠貼近老百姓，是現(xiàn)代灌溉技術(shù)需要考慮的一個問題，系統(tǒng)設(shè)計的網(wǎng)頁平臺能夠?qū)崟r關(guān)注作物生長及其銷售，具有一定的實用性。

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