智能灌溉系統(tǒng)初步研究與設計

李劍

摘 要：農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開灌溉，精確合理的灌溉不僅能使糧食增產(chǎn)，還能節(jié)約水資源。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在水資源短缺等現(xiàn)象。本文結合模糊控制技術和單片機技術，設計了智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對農(nóng)作物進行合理的灌溉，提高農(nóng)作物對水分的充分利用率，從而達到高產(chǎn)、高效、和節(jié)約水資源的目的。

關鍵詞：智能;灌溉系統(tǒng);設計

1緒論

1.1研究的目的

在過去，整個社會科學技術和經(jīng)濟發(fā)展緩慢，人口相對較少，對水等資源的需求較少，且人們一致認為“水取之不盡，用之不完”，由于這種觀念根深蒂固，同時節(jié)約用水也只是嘴上說說，人們并未采取實際行動，這直接導致很多國家陷入缺水的困境。

在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中，灌溉都是靠個人經(jīng)驗，無專家或者學者指導，這也導致了很大程度上的浪費，同時由于無專業(yè)技術設備支撐，我們更無法得知土壤濕度等各方面的指標，一方面水資源浪，另一方面農(nóng)作物無法更好的生長。

1.2研究的意義

我國水資源總量大，但是人均擁有量則是世界上最貧乏的國家之一[7]，我國是農(nóng)業(yè)大國，水資源的消耗非常巨大，但是整體利用率不高。同時我國有著嚴重的地域性缺水，在云南地區(qū)近幾年存在著嚴重的缺水狀況。

農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)按期、按需自動供水灌溉，從而避免人工粗放灌溉造成的水資源浪費。近年來，隨著現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式正在向集約化、大型化，智能化方向發(fā)展。

2整體方案設計

2.1整體方案設計原理

經(jīng)過各階段的全面分析，本設計智能灌溉控制系統(tǒng)可以由以下的幾個模塊構成。單片機模塊（整個模塊的核心系統(tǒng)，模塊的控制核心）、顯示模塊、電源模塊、檢測模塊、灌溉模塊等模塊。在對智能灌溉控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，首先用軟件進行程序編寫，并進行認真檢查，直到能在軟件上模擬出來。之后我們在根據(jù)已畫好的電路圖畫出焊接實物。智能灌溉控制系統(tǒng)采用了土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度，在通過ADC轉換芯片將土壤濕度轉換成數(shù)字量傳送至單片機，并根據(jù)內(nèi)置的模糊控制規(guī)則執(zhí)行灌水動作，當需要灌溉時，單片機控制電機，并根據(jù)內(nèi)置的控制規(guī)則控制電機的轉速;當測得的土壤濕度不在控制灌溉范圍內(nèi)，控制單元不動作，電機處于常態(tài)。土壤濕度的實時變化情況在顯示屏上顯示出來。智能灌溉控系統(tǒng)的總設計框圖如圖2-1所示：

智能灌溉系統(tǒng)設計的具體要求：

（1）降壓電路將12v電壓轉換為5v;

（2）土壤濕度傳感器檢測出土壤濕度并根據(jù)蜂鳴器來提示是否需要灌溉;

（3）有手動模式和自動模式

（4）電機轉速能根據(jù)預想的進行;

2.2 傳感器的選擇

傳統(tǒng)的模擬量傳感器運用電流、電壓、電阻等表示被測參數(shù)的大小，可靠性差，檢測數(shù)據(jù)精度不高，響應時間較慢。數(shù)字式傳感器很好的彌補了模擬量傳感器的不足，抗外界干擾能力強，一致性好，在工程應用領域得到了廣泛的使用，大大提高了生產(chǎn)效率。但是本文檢測的是單一的盆栽農(nóng)作物根系周圍土壤濕度，盆栽的土壤濕度受外界光照、土壤類型、氣候條件、環(huán)境溫度等因素影響不大，情況比較簡單。此外，數(shù)字式土壤濕度傳感器造價成本高，價格昂貴，功能全面，大多運用在科技研發(fā)、工程應用以及家電行業(yè)領域。所以選擇性價比高，經(jīng)濟適用的模擬傳感器更符合自動灌溉控制系統(tǒng)的要求。綜合考慮，本文選用土壤濕度傳感器作為土壤濕度檢測模塊。

2.3 控制系統(tǒng)的選擇

科技的迅速發(fā)展，讓PLC和單片機在各種領域得到了全面的應用。PLC主要用于工業(yè)自動化等領域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件，其特點是非?？煽?。而單片機作為一種可編程集成芯片，體積小，使用簡單，在一定場合配合外圍電路，可以用來設計所需要的各種功能。本文是基于傳感器的工作方式，采用單片機作為控制系統(tǒng)更為合適，因此選用STC89c54單片機作為智能灌溉控制系統(tǒng)的主控制器。

2.4 小結

本章節(jié)主要介紹了智能灌溉控制系統(tǒng)的整體方案設計，先是通過對比數(shù)字量傳感器和模擬傳感器，最終確定使用模擬傳感器。然后確定控制系統(tǒng)。

3期望與總結

3.1 論文總結

智能灌溉控制系統(tǒng)以土壤濕度為灌溉指標，通過模糊控制算法來實現(xiàn)，對土壤濕度的智能控制，使得灌溉更加實時同時水資源也得到充分利用。相信以后在這方面會不斷完善，使農(nóng)業(yè)更加智能化，經(jīng)過測試和設想的效果一樣：手動模式可自行改變電機轉速的檔位，在自動模式下根據(jù)土壤濕度不同電機轉速的檔位也不同，實現(xiàn)了智能灌溉的效果。符合了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，批量生產(chǎn)的話，市場空間無限大。

3.2 工作展望

隨著自動控制技術的迅速發(fā)展，自動灌溉控制技術正在越來越多的應用到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理中，所以基于模糊控制的智能灌溉控制有很大的需求價值。本設計能按預期的方案予以實現(xiàn)，完成智能灌溉的功能。但是由于研究對象的復雜性再加上水平有限，系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)還存在一些不足之處。

（1）僅以土壤濕度作為灌溉指標，精度不高，可以考慮環(huán)境溫度，各種農(nóng)作物在不同生長階段對土壤濕度的要求。

（2）改換更精確的測量土壤濕度的傳感器。

（3）灌溉面積有限，應該繼續(xù)改進，進行功能擴展，將其應用到溫室等其他自動灌溉控制的場合。

參考文獻

[1]王文婷， 翟國亮， 郭二旺，等. 水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)組成與設計[J]. 河南水利與南水北調， 2021.

[2]楊全麗， 李旭， 花元濤，等. 南疆小麥智能灌溉系統(tǒng)的研究與設計[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2021（5）：4.