智能分區(qū)精準滴灌系統(tǒng)設計

1、 智能分區(qū)精準滴灌系統(tǒng)設計 龍耀強+王俊平+張震+宋金橋+王凱達+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。將實驗基地中分成東、西、南、北四個地區(qū)，土壤含水率檢測子模塊按照分區(qū)方向分四路對四個地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)進行檢測，滴灌子模塊也分四路進行灌溉。土壤含水率檢測子模塊將檢測到的濕度數(shù)據(jù)送至中央處理器進行處理，并用液晶顯示模塊實時顯示土壤含水率和預先設定的土壤含水率的上、下限值，當土壤含水率低于預先設定的下限值時，電磁閥打開，高于設定的上限值時，電磁閥關(guān)閉。并且電磁閥打開或關(guān)閉的同時，gsm模塊均會將提示信息發(fā)送到

2、用戶手機客戶端，以達到實時監(jiān)控目的。關(guān)鍵詞：光伏供電；精準滴灌；gsm模塊；單片機；分區(qū)灌溉中圖分類號：s275.6 文獻標志碼：a 文章編號：2095-2945（2017）35-0046-021 研制背景及意義目前，精準農(nóng)業(yè)1是當今社會發(fā)展的一個熱點，山地灌溉系統(tǒng)屬于補充灌溉和統(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行劃分區(qū)域精準灌溉。對于復雜的山地的農(nóng)業(yè)灌溉2，由于山地坡度和高差的不同，對山地的精準灌溉很難實現(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)一套實時監(jiān)測土壤含水率的精準灌溉系統(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

3、應滴灌系統(tǒng)流量、壓力設計不同，實時按需精準灌溉3。設計了遠程控制通訊模塊，各分點采集到的土壤含水率網(wǎng)絡傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，通過單片機控制；自動進行電磁閥的開啟與關(guān)閉，同時利用gsm網(wǎng)絡4將提示信息發(fā)送到用戶手機，達到實時灌溉和監(jiān)控。本系統(tǒng)以節(jié)能環(huán)保為基礎，以節(jié)省人力物力財力為根本，通過太陽能供電，結(jié)合對滴灌網(wǎng)絡設計，能夠達到綠色減排，自動滴灌，精準滴灌，遠程監(jiān)控等功能。2 設計方案2.1 整體設計方案本系統(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，我們將實驗基地分為東、西、南、北四個地區(qū)，系統(tǒng)分四路

4、進行采集滴灌。在供水方面，中央處理子模塊通過預先設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，使土壤能夠按時按需得到灌溉，還能避免因過度灌溉而造成水源浪費，達到節(jié)水效果。在供電方面，采用太陽能進行供電，太陽能具有綠色無污染且能無限開采的特點，且使用方便，能夠高效率地將光能轉(zhuǎn)化為電能，進而給負載供電，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、北四個地

5、區(qū)。輸出孔管是對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載供電，收集到的多余的能量還可以同時對蓄電池進行充電，當蓄電池充滿電時，充電過程在控制器的作用下自動停止。當太陽能不足時，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、過放保護功能，且能夠?qū)崟r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

6、壤傳感器和pcf8951模數(shù)轉(zhuǎn)換器5組成。使用時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)換為單片機可以識別的數(shù)字量，以便單片機對土壤數(shù)據(jù)處理。2.5 土壤含水率顯示子模塊本模塊采用型號為12864的液晶顯示模塊，該模塊為5v電壓驅(qū)動。在工作時顯示各個地區(qū)的含水率以及預先設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為stc89c52rc的單片機。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3.8v5.5v，擁有靈巧的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash，使用靈活有效，范

7、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為tc35i的工業(yè)級gsm模塊4，支持中文短信互通，通過at指令實現(xiàn)遠程通信。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等優(yōu)點。3 系統(tǒng)整體工作流程及實物圖針對山地復雜的地形與地貌，我們將山區(qū)試驗基地分為東、西、南、北四個地區(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，四個地區(qū)的傳感器將檢測到的土壤含水率的數(shù)據(jù)經(jīng)ad設備pcf8951轉(zhuǎn)換后送至中央處理子模塊stc89c52單片機，單片機將會對收到的數(shù)據(jù)進行處理，我們預先根據(jù)山地農(nóng)業(yè)土

8、壤對水分的需要設定了土壤含水率的上、下限值，并寫進了單片機的程序里，當土壤含水率低于下限值時，單片機相應的引腳會送給接該引腳的繼電器的信號線為低電平，繼電器由于低電平觸發(fā)而開關(guān)打開，電磁閥通電工作，當土壤含水率高于上限值時，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，gsm無線子模塊均會發(fā)送提示信息，而且液晶顯示子模塊能夠?qū)γ總€地區(qū)的含水率值和預先設定的含水率上、下限值進行實時顯示，達到了能夠?qū)崟r監(jiān)控的目的。通過調(diào)試和運行，系統(tǒng)無論在滴灌子系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)兩方面，皆能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)按需實施精準灌溉的效果，達到了預期的目的。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

9、為實物圖。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，我們又對太陽能板進行了合理的放置，使得太陽能板在一定時間內(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)設置了農(nóng)業(yè)土壤需要含水率的上、下限值，從而能實現(xiàn)系統(tǒng)自動精準按需滴灌，避免過度灌溉而浪費水源，而且gsm模塊還能實時反饋給用戶端各個地區(qū)的滴灌狀態(tài)，從而能夠達到實時監(jiān)控目的，大大減少了人力資源的使用。參考文獻：1劉永鑫，洪添勝，岳學軍，等.太陽能低功耗滴灌控制裝置的設計與實現(xiàn)j.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，20（10）：20-26.2岳學軍，劉永鑫，洪添勝，等.基于土壤墑情的自動灌溉控制系統(tǒng)設計與研究j.農(nóng)業(yè)機械學報，2013（10）：241-246.3王志慧，王智慧，郝海東.山區(qū)灌溉技術(shù)的