水肥一體化滴灌自動控制系統(tǒng)的研究

水肥一體化滴灌自動控制系統(tǒng)的研究

0灌溉施肥及控制自動控制裝置在柑橘生產(chǎn)中，灌溉和施肥的管理直接影響著柑橘的產(chǎn)量和質(zhì)量。滴灌因具有節(jié)水節(jié)肥增產(chǎn)的效益,被視為發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)的有效措施之一,得到了越來越廣泛的應用。隨著滴灌設施被列入農(nóng)機購置補貼目錄,越來越多的柑橘園開始采用滴灌技術進行灌溉和施肥。由于滴灌屬于低壓灌水系統(tǒng),目前有些山地柑橘園根據(jù)地勢優(yōu)勢在高處建設了蓄水池,利用高度落差產(chǎn)生的壓力將液體輸送到滴灌管網(wǎng)中進行滴灌。根據(jù)調(diào)研知,為提高肥料的利用率,農(nóng)技人員或果農(nóng)通常是在此類柑橘園中建立獨立的水池和肥池,并采用先灌水、后灌肥及再灌水的方式進行滴灌施肥。這種將水、肥分開滴灌的方式簡單實用,但整個過程中滴灌的啟停以及水、肥滴灌的時間比例的控制需要人工操作,費時費力且效率低下。因此迫切需要一種水肥滴灌自動控制裝置來替代人工。目前研制了一些智能化的灌溉施肥自動控制系統(tǒng)或裝置[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],采用電動注入泵的方式,能實時在線地精確控制施肥比例和施肥量,但由于這些柑橘園處于山地往往缺乏電力供應,而且多是單家獨戶種植與經(jīng)營,對成本比較敏感,制約了這些系統(tǒng)在此類柑橘園中推廣應用。此外,李加念等和洪添勝等各研制了一種以電池供電的低功耗滴灌自動控制器,成本低且操作簡單,但只能控制單個水池的清水滴灌或者將水和肥料溶于單個池中的水肥滴灌。為此,本文針對此類柑橘園設計一個既滿足農(nóng)藝要求又適合推廣應用的水肥一體化滴灌自動控制裝置。1全球計劃的設計1.1雙水池/肥池灌草管栽植的特點根據(jù)實地調(diào)研和分析,裝置的設計應滿足以下要求:1)以干電池供電,盡量提高電池的使用壽命;2)操作簡單,適合果農(nóng)使用,而且成本低;3)既要適用兩個獨立的水池或肥池的水肥一體化滴灌控制,又要適用于單個水池的滴灌控制:4)用戶可現(xiàn)場設定滴灌的周期、滴灌時長以及啟動時間,而且還可以手動控制;5)能隨時了解電池電量是否充足,是否需要更換電池。1.2msp330f2132機根據(jù)設計需求提出了如圖1所示的原理框圖,電池經(jīng)電源電路轉(zhuǎn)換成合適的電壓為電路各單元供電;人機交互單元用來設定滴灌的控制功能及參數(shù);電量檢測電路用來檢測電池是否有足夠的電量;2個電磁閥分別用來控制清水管道的通斷和液肥管道的通斷;單片機選用TI公司的超低功耗的MSP430F2132單片機,內(nèi)部集成有10位的ADC(analogtodigitalconverter)轉(zhuǎn)換器,其工作電壓為1.8~3.6V,1MHz全速運行時電流為250uf06dA,工作在以32768Hz晶振為時鐘源的LPM3休眠模式時電流為0.8μA。控制器根據(jù)人機交互單元的設定,通過控制電磁閥驅(qū)動電路打開或關閉2個電磁閥從而實現(xiàn)定時自動控制水或水肥一體化滴灌。2電源管理2.1穩(wěn)壓器的應用采用9V堿性電池作供電電源,通過如圖2所示的電源電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為9和3V2路電壓。3V支路為單片機及主控制電路供電,它主要由穩(wěn)壓芯片MAX8880與外接的阻容元件組成,其中MAX8880是一款超低功耗的低壓差線性穩(wěn)壓器,其輸入電壓為2.5~12V,消耗電流為3.5uf06dA,輸出電壓精度為±1.5%,最大壓差為0.2V,即當電池下降到3.2V時還能將電壓穩(wěn)壓在3V,很大程度上提高了電池的利用率。9V支路為電磁閥驅(qū)動電路供電,它主要由高效率升壓芯片LT1961與阻容元件、電感器和肖特基二極管組成,其中LT1961的輸入電壓為3~25V,輸出電壓誤差為±2%,最大輸出電流為1.5A,且具有可控制的低至6uf06dA的掉電模式。僅當需要驅(qū)動電磁閥動作時,才需要LT1961工作,并且使LT1961工作約30ms以使大電容C9充入足夠的電量,而后以C9為驅(qū)動電路供電進行電磁閥的驅(qū)動,這樣可防止電磁閥瞬間動作時產(chǎn)生的大電流將電池電壓大幅度拉低而造成整個系統(tǒng)不能正常工作。2.2電池電壓vin通過檢測電池電壓來反映電池的電量,當電池電壓小于某個值時則認為電池電量不足,需要更換電池。由于電池電壓高于單片機的工作電壓,不能利用單片機內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器直接檢測電池電壓,因此通過一個電阻分壓電路將電池電壓等比例縮小后再送至單片機的ADC轉(zhuǎn)換器進行檢測,然后根據(jù)電阻分壓電路的分壓比例將檢測到的電池還原成電池電壓。其電路原理圖如圖3a所示,當進行電池電量檢測時,通過單片機I/O口使ADC3_EN輸出高電平以使MOS(metaloxidesemi--conductor,金屬氧化物半導體)管Q3、Q4導通,從而將電池與電阻R8、R9相串聯(lián),通過R8、R9對電池電壓分壓后再由ADC3送至單片機的ADC接口進行檢測;當不需要檢測電池電量時,使ADC3_EN輸出低電平以使Q3、Q4截止,從而將電池與R8、R9串聯(lián)支路斷開以降低電路功耗。由于Q4的導通電阻很小(約為幾十毫歐姆),其兩端的壓降可以忽略不計,因而電池的電壓可用下式計算式中,Vin為電池電壓,V;VADC為單片機檢測的電壓值,V。電池電量是否充足通過一個雙色LED來指示,其電路原理圖如圖3b所示,當檢測到的電池電壓小于4V時,認為電池電量不足,并通過單片機的I/O口控制LED1輸出高電平,使MOS管Q1導通,從而使雙色LED亮紅燈;當檢測到的電池電壓大于4V時,則認為電量充足,并控制LED2輸出高電平,使MOS管Q2導通,從而使雙色LED亮綠燈。3電磁閥的選擇和動力3.1柑橘屬閥電磁閥是滴灌的直接執(zhí)行器,其通徑的大小可以決定單位時間內(nèi)滴灌的控制面積。選用型號為ZCS-08P的先導式脈沖電磁閥,其參數(shù)如表1所示,該閥利用了脈沖技術和永磁技術,閥門動作后其狀態(tài)在永磁力的作用下自保持而不需要電能維持,適合應用于低功耗滴灌控制裝置的設計。由于柑橘在各生長期內(nèi)的需水量是不相同的,在果實膨大期需水量最多,其需水強度為3.5mm/d,即35m3/(hm2uf0d7d),也就是說柑橘園每公頃的灌水定額最多為35m3。因此根據(jù)流量特性可估算出該電磁閥1h至少可以控制1.14hm2橘園的滴灌。3.2控制器在不同水壓、無電壓下的電流響應分析通過H橋電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓來驅(qū)動電磁閥的開與關,驅(qū)動電壓采用脈沖9VDC,其電路原理圖如圖4所示。電磁閥的打開與關閉通過單片機I/O口的輸出電平進行控制,當H11、H12為1、0時,電磁閥打開;當H11、H12為0、1時,電磁閥關閉。由于電磁閥完成開關動作的時間只有幾十毫秒,為此用一個0.1Ω的功率電阻串聯(lián)在電源輸入端正級,并用示波器(型號為TektronixTDS3052B)捕捉電阻兩端的脈沖電壓,然后計算出其電流?？刂破髟诓煌畨骸⒉煌妷合买?qū)動電磁閥開關動作時消耗的電流分別如圖5所示。由圖5a知,在不同水壓下控制器驅(qū)動電磁閥開與關的電流是基本相同的,而且基本上不受水壓的影響,圖中各數(shù)據(jù)點之間的偏差是示波器的檢測誤差所引起的。由圖5b知,在不同電壓下控制器驅(qū)動電磁閥動作時的電流隨著電源輸入電壓的下降而增加,但當電壓下降至4V以下時驅(qū)動電流開始下降。這主要由電源電路中的升壓部分引起的,在輸入電壓從10V下降至4V的過程中,升壓電路轉(zhuǎn)換的效率不斷下降從而使其本身消耗的電流增加,而當輸入電壓下降至4V以下時升壓電路不能升壓到9V,使電磁閥兩端的驅(qū)動電壓低于9V,從而電磁閥消耗的電流開始下降。4控制戰(zhàn)略4.1旋至“統(tǒng)一”時啟動“采用”旋律開關通過2個12擋位的旋鈕開關與圖6所示的控制面板相結(jié)合的方式,可使控制裝置具有以下5種功能:1)當右邊的旋鈕開關旋至“電量檢測”時,則進行電池電壓檢測,并通過面板上的雙色LED燈指示電量狀態(tài),以提示用戶是否需要更換電池;2)當旋至“手動開”時,則開啟電磁閥1進行手動滴灌控制,只有當旋離“手動開”時才關閉電磁閥1停止滴灌;3)當旋至“水肥”時,則判斷左邊旋鈕開關設定的間隔天數(shù)是否滿足,若滿足則啟動水肥一體滴灌定時控制程序;4)當右邊的旋鈕開關旋至數(shù)字刻度時,則根據(jù)2個旋鈕開關所設定的時間參數(shù)控制電磁閥1進行清水定時滴灌控制,此時左邊的旋鈕開關用于設定滴灌間隔天數(shù)和滴灌時長,其中滴灌間隔天數(shù)與滴灌時長對應的旋鈕開關擋位有復用功能,右邊的旋鈕開關用于設定滴灌啟動時間;5)設定及校準控制裝置的時鐘,即將2個旋鈕開關旋至相應刻度,然后按一下控制器中的復位按鍵即可,此時以最內(nèi)圈數(shù)字為準,左邊表示小時,右邊表示分鐘,時鐘的設定范圍為07:00~18:55。其中2個旋鈕開關的擋位是通過檢測每個擋位的電壓值來區(qū)分的,其具體電路和實現(xiàn)方法可參見文獻。由于該裝置的滴灌啟動時間可以由用戶設定,因此可以將大面積柑橘園化分為多個灌溉區(qū),然后在每個灌區(qū)安裝一套該裝置并分別設置不同的滴灌啟動時間,通過這種方式將多套裝置組合起來進行輪灌,從而可以實現(xiàn)大面積柑橘園的水肥滴灌控制。4.2基肥控制裝置控制方法由于滴灌屬于低壓灌溉系統(tǒng),只要管網(wǎng)中的水壓大于滴頭出流所需的最小壓力值且變化范圍不大,每個滴頭的出流量則可基本穩(wěn)定,如果采用恒壓滴頭則效果更佳。本裝置是以建設在高處的水池和肥池中的液體為水頭進行滴灌的,在整個滴灌過程中流入管網(wǎng)中的液體壓力變化不大,因此可通過時間來控制水肥的出流量,而不需要專門的流量計量儀器,經(jīng)濟簡單?？刂蒲b置通過2個電磁閥的開關操作,分別控制清水管道和液肥管道的通斷,從而控制2個獨立的水池和液肥池中的液體流入滴灌管網(wǎng)的時間,以此來達到水肥一體化滴灌的效果。當旋至“水肥”時,則先判斷左邊旋鈕開關設定的間隔天數(shù)是否滿足,若滿足則啟動水肥一體滴灌定時控制程序,根據(jù)柑橘農(nóng)藝專家的建議,將該程序分為以下3個階段:1)打開電磁閥1進行清水滴灌1h,使土壤充分濕潤,以提高肥液的吸收和利用;2)關閉電磁閥1停止清水滴灌,同時打開電磁閥2進行肥肥液滴灌1.5h;3)關閉電磁閥2停止肥液滴灌,并打開電磁閥1進行清水滴灌灌水1h,以使管道中殘留的肥液全部流出,達到較理想的水肥一體化施用效果,同時還可以避免殘留在管道中的未充分溶解的肥料小顆粒堵塞滴頭,從而影響滴灌管道的滴灌效果。該水肥滴灌定時控制程序可根據(jù)當?shù)馗涕賵@的土壤類型、氣候及柑橘樹的生長狀況等實際情況進行定制,如果土壤已經(jīng)很濕潤則可以省略第1階段的清水滴灌。4.3系統(tǒng)喚醒后低功耗工況由于控制器的操作實時性不高,因此可充分利用睡眠機制,使系統(tǒng)每休眠5s工作1次,而且系統(tǒng)喚醒后,采用分時分區(qū)供電的電源管理方法,以最大程度地降低功耗,其程序流程如圖7所示。由于單片機每次喚醒后全速運行的時間小于100ms,因此控制器處于休眠狀態(tài)的時間比例在99%以上。5試驗裝置的性能5.1靜態(tài)電流的測量休眠期間整個電路消耗的電流為靜態(tài)電流,由于控制器99%以上的時間處于休眠狀態(tài),因此靜態(tài)電流越小則電池的使用壽命越長。圖8為不同工作電壓下所測得的靜態(tài)電流。從圖8可以看出,控制器的靜態(tài)電流很小且受電源電壓的影響不大,當電源電壓從3V變化至10V時,靜態(tài)電流僅從8.0uf06dA上升至11.2uf06dA。5.2控制裝置運行可靠按照圖9所示的安裝方法,將控制裝置(以1節(jié)9V堿性電池6LR61作為電源)安裝在華南農(nóng)業(yè)大學工程學院柑橘試驗場進行了約6個月的水肥滴灌控制試驗。試驗期間,控制裝置每1d進行一次清水滴灌,每5d進行一次水肥滴灌,并且不定時地通過手動方式啟動清水或水肥滴灌。試驗結(jié)果表明:控制裝置在整個試驗期間運行可靠穩(wěn)定、未出現(xiàn)故障,電磁閥1和電磁閥2分別可靠地進行了600次、100次以上的開關動作;控制裝置不僅能夠按照控制面板所設定的水肥功能準確地啟動水肥一體滴灌定時控制程序進行滴灌,而且還能根據(jù)設定的滴灌啟動時間、間隔天數(shù)和滴灌時長準確地進行定時自動清水滴灌,此外還可以通過控制面板手動控制滴灌。同時,在試驗過程中每10d測量一次電池電壓,并啟動電池電量檢測功能以驗證其準確性,試驗結(jié)果表明,電池電量檢測功能可以準確無誤地判斷電池電量是否充足,控制裝置的耗電量很小,控制器連續(xù)運行6個月后,其電池電壓從初始值9.35V下降至8.50V,電池電壓的變化情況如圖10所示。6裝置工作原理1)針對有獨立水池和獨立液肥池且采用自流滴灌的中小規(guī)模柑橘園,研制了一個以電池供電的水肥一體化滴灌定時控制裝置,既可控制水肥一體