智能分區(qū)農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)的探討范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了智能分區(qū)農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)的探討參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:西南地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉因復(fù)雜山地坡度和高差不同造成灌溉效率低下、水資源及勞動力浪費等問題，通過分析山地高差、坡度區(qū)別和滴灌壓力、流量設(shè)計，實現(xiàn)了丘陵山地分區(qū)實時精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉。為此，重點研究山地區(qū)域不同對應(yīng)農(nóng)業(yè)滴灌流量和壓力參數(shù)不同的精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)，優(yōu)化太陽能低損耗、精準(zhǔn)檢測土壤含水率、遠(yuǎn)程控制，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)等核心技術(shù)與關(guān)鍵部件。試驗結(jié)果表明:根據(jù)區(qū)域劃分，實時監(jiān)測土壤含水率高于或者低于土壤水分所需值時，系統(tǒng)能通過遠(yuǎn)程控制方式開啟或者關(guān)閉滴灌電磁閥，同時通過GSM網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)信息以短消息的方式發(fā)送到終端，達(dá)到山地分區(qū)實時精準(zhǔn)灌溉和監(jiān)控的目的。該研究彌補了丘陵山地傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式的不足，為我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞:精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);智能分區(qū);丘陵山地;精準(zhǔn)灌溉;遠(yuǎn)程監(jiān)控

0引言

伴隨著我國“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”概念的深入，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)取決于農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)［1－3］。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉過程中灌溉控制系統(tǒng)依賴于人為勞動操作，系統(tǒng)能源消耗高，且管理困難［4－8］。近年來，國內(nèi)對土壤含水率監(jiān)控的研究有所突破，多數(shù)停留在對土地大面積土壤含水率的監(jiān)測，對影響種植物生長發(fā)育的實時土壤含水率的監(jiān)控和西南地區(qū)山地土壤含水率監(jiān)測研究很少［9－11］。若對大面積復(fù)雜山地實施有線實時監(jiān)控，存在布線成本急劇增加的問題，也不利于山地作業(yè)［12－13］。重慶幾乎每年夏季都要遭受1個月左右的伏旱天氣，對山地種植物進(jìn)行有效灌溉，是保證種植物產(chǎn)量和品質(zhì)的前提。目前，山地灌溉方式介于補充灌溉和統(tǒng)一灌溉范疇，存在著人力資源浪費、灌溉控制系統(tǒng)能源消耗高及水資源無法實現(xiàn)高效率灌溉等不足，導(dǎo)致山地農(nóng)作物種植減產(chǎn)［14－15］。本系統(tǒng)研究設(shè)計了一套具有復(fù)雜山地分區(qū)實時精準(zhǔn)灌溉及數(shù)據(jù)信息處理功能的灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)滴灌的自動化和智能化，對復(fù)雜山地土壤含水率實施實時監(jiān)控，提高水資源灌溉效率，降低人力資源需求，對西南地區(qū)進(jìn)一步走向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及智能節(jié)水灌溉有一定的現(xiàn)實意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的山地分區(qū)精準(zhǔn)滴灌及數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)設(shè)計思路:在農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)中引入分區(qū)灌溉概念，針對高差、坡度不同的復(fù)雜山地，進(jìn)行區(qū)域的劃分;四面形山地可分為東南西北4個區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置不同的灌溉壓力和流量，可根據(jù)各個區(qū)域?qū)崟r土壤含水率進(jìn)行分別滴灌。區(qū)別傳統(tǒng)統(tǒng)一灌溉，自動滴灌系統(tǒng)將土壤水分傳感器、水源工程、電磁閥、控制器及滴灌管網(wǎng)等部分集成一起，提高水資源灌溉效率。系統(tǒng)采用太陽能電池及蓄電池作為主要電能供給平臺，引入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM無線傳輸技術(shù)，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各個區(qū)域的土壤水分實時數(shù)據(jù)收集;利用GSM無線傳輸技術(shù)將土壤實時數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸至終端，終端對數(shù)據(jù)分析處理，決策土壤當(dāng)前實時區(qū)域操作，達(dá)到在節(jié)省人力資源的同時實現(xiàn)滴灌控制系統(tǒng)的自動化和智能化的目的。該系統(tǒng)主要由太陽能電源子系統(tǒng)、自動滴灌子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)3部分組成。太陽能電源子系統(tǒng)作為系統(tǒng)主要電能供給平臺，在控制器的作用下將太陽能電源輸出電壓轉(zhuǎn)換為其他子系統(tǒng)所需求的電壓，實現(xiàn)按需供壓。自動滴灌子系統(tǒng)以自來水作為水源，首部樞紐主要包括施肥裝置、過濾器、控制閥、截止閥、止回閥及壓力表等部分;輸配水管網(wǎng)主要包括主干管、干管、滴灌管、支管及毛管等3級管道部分，還包括相應(yīng)的三通、直通及彎頭等部件，以實現(xiàn)對土壤含水率的實時監(jiān)測并管理電磁閥進(jìn)行自動按需滴灌。數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)對山地土壤含水率進(jìn)行檢測及自動無線傳輸，實現(xiàn)檢測模塊與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1．1太陽能電源子系統(tǒng)

太陽能電源子系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的電能供應(yīng)平臺，主要由太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器、逆變器及變換器等組成。其充分發(fā)揮太陽能逆控一體機(jī)的市電互補功能(太陽能充足時，通過逆控一體機(jī)對蓄電池進(jìn)行電能的存儲;反之，太陽能不足時，則由市電對蓄電池進(jìn)行電能的存儲)，為蓄電池提供穩(wěn)定平滑的充電電壓。經(jīng)蓄電池的輸出電壓一部分輸出到變換器，為系統(tǒng)其他直流模塊進(jìn)行供電，另一部分逆變?yōu)榻涣麟?，為?fù)載水泵(如電磁閥供需電壓為12V)供電。本系統(tǒng)采用雙蓄電池構(gòu)造，通過減少對蓄電池充放電次數(shù)的方法來實現(xiàn)太陽能與蓄電池之間的電能高效傳輸及延長電源的使用壽命的目的。即將蓄電池的充電過程和放電過程分開進(jìn)行，一塊蓄電池處于充電過程時，另一塊蓄電池處于放電過程，當(dāng)放電的蓄電池電壓降到供壓下限值時，對放電和充電的蓄電池工作過程進(jìn)行切換，保持一塊充電，一塊放電，完全分離工作，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行。

1．2自動滴灌子系統(tǒng)

根據(jù)試驗場地的氣候參數(shù)、種植物生長必需條件等因數(shù)來設(shè)定自動滴灌子系統(tǒng)的參數(shù)。利用水利計算方法來選定滴灌管徑的大小、灌水器的類型、滴灌管網(wǎng)鋪設(shè)長度及出水量等參數(shù)。在西南地區(qū)復(fù)雜的山地滴灌過程中，由于山地高差、坡度不一致，對土壤水分保持率也不一致，故對試驗場地進(jìn)行分區(qū)滴灌試驗，具體分為東區(qū)滴灌區(qū)域、西區(qū)滴灌區(qū)域、南區(qū)滴灌區(qū)域及北區(qū)滴灌區(qū)域。自動滴灌子系統(tǒng)主要由電源模塊、水源工程、土壤水分傳感器、控制模塊、滴灌管網(wǎng)及電磁閥等構(gòu)成。電源模塊由太陽能電源子系統(tǒng)提供所需電壓，土壤水分傳感器選用型號為ARN－100水分傳感器，實現(xiàn)山地土壤的含水率實時監(jiān)測。為降低系統(tǒng)電能消耗，電磁閥選用久諾閥門有限公司研發(fā)生產(chǎn)的型號ZCZP－25自保持式電磁閥，管徑25mm，工作電壓為12V，具有兩個獨立的線圈，分別實現(xiàn)電磁閥的關(guān)閉與打開，并保持通斷狀態(tài);狀態(tài)不變換的情況下，不需要電能供應(yīng)，且狀態(tài)切換反應(yīng)時間在1s左右，電磁閥線圈接收到12V的升壓信號，可實現(xiàn)電磁閥當(dāng)前狀態(tài)的改變。在自動滴灌子系統(tǒng)設(shè)計中，選擇4m×6m為一個滴灌單元。考慮到實驗場地具體面積及精準(zhǔn)滴灌的要求設(shè)計，該試驗基地地形復(fù)雜，坡度不均，除了管道正常的水頭損失外，還有很多不能預(yù)計的原因使壓力發(fā)生變化，所以要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計，為了防止水壓或流量的波動，需要在系統(tǒng)中配置一定的穩(wěn)定裝置。一個滴灌單元共同使用一套土壤水分傳感器和電磁閥。滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)主水管采用管徑為25mm的PVC管(聚氯乙烯管，參照確定的管道材料以及相應(yīng)的管道規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮到西南地區(qū)夏季溫度高，選取PVC管，其特點是管壁光滑、耐腐蝕、耐高溫、耐壓強度高等)，滴管采用管徑為16mm的PVC管，滴孔直徑設(shè)計為0．9mm，數(shù)量為4個，對稱的分布在滴管下方。在滴灌過程中，當(dāng)土壤水分傳感器實時監(jiān)測土壤含水率，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時按需灌溉，從而實現(xiàn)系統(tǒng)實時自動滴灌的目的。本系統(tǒng)設(shè)計的滴灌結(jié)構(gòu)以具體面積為滴灌單元，能有效地節(jié)約土壤水分傳感器及電磁閥的投入，降低電源能量損耗，從而降低整個系統(tǒng)的前期建設(shè)成本及后期設(shè)備維護(hù)成本。

1．3數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)主要功能是將土壤含水率及相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過GSM無線傳輸方式發(fā)送到終端，實現(xiàn)監(jiān)測端與終端之間的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息實時傳輸。數(shù)據(jù)信息傳輸子系統(tǒng)由3層階級構(gòu)成:土壤含水率檢測模塊看作底層階級;中間階級是數(shù)據(jù)收集階級，也即GSM階級;頂層階級為終端處理階級。通過土壤水分傳感器檢測土壤含水率，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)向GSM階級傳輸?shù)讓与A級的數(shù)據(jù)信息，GSM階級再統(tǒng)一發(fā)送匯集數(shù)據(jù)到頂層階級，即終端。其中，系統(tǒng)中Zig-Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊選用的是型號為MRF24G40MA器件，使用規(guī)定的無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效匯聚與傳輸。

2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1電源穩(wěn)壓模塊系統(tǒng)

采用太陽能逆控一體機(jī)作為電池主要控制器件，保證蓄電池有穩(wěn)定的輸出電壓。其中，選用的太陽能電池板是廣州兆天有限公司研發(fā)生產(chǎn)的多晶太陽能電池板(額定電壓9V，上限電流0．34A)，通過金屬桿樹立支撐，樹立高度以高于種植物30cm為準(zhǔn);選用的蓄電池為新能源科技公司研發(fā)生產(chǎn)的聚合物鋰電池(單節(jié)鋰電池的標(biāo)稱電壓3．7V，單節(jié)鋰電池的容量3．5A•h)。由于系統(tǒng)其他模塊需求電壓不一致，故系統(tǒng)設(shè)計了穩(wěn)定的升壓穩(wěn)定電路和降壓穩(wěn)定電路，當(dāng)鋰電池隨著時間推移，輸出電壓出現(xiàn)波動時，仍能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。升壓電路和降壓電路如圖3和圖4所示。

2．2電磁閥模塊

為了實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，故本系統(tǒng)的中央處理器選用了一款低電壓、低功耗及適用范圍廣等特點的單片機(jī)—STM32F103單片機(jī)。該單片機(jī)屬于Cortex－M3系列芯片，其正常工作頻率f為72MHz，正常工作電壓為2．0～3．6V，在系統(tǒng)中作為核心控制器。系統(tǒng)試驗場地分為東、西、南、北4個滴灌區(qū)域，每兩個滴灌區(qū)域的山地高差和坡度不同，所以電磁閥的設(shè)置參數(shù)也不同，各個區(qū)域的滴灌參數(shù)也不同。圖5中，利用水分傳感器監(jiān)測得出土壤含水率參數(shù)值，與系統(tǒng)設(shè)定值作對比，得出對比結(jié)果，通過對比結(jié)果決定出單片機(jī)輸出高電平或低電平，從而控制電磁閥的工作狀態(tài)。圖6中，電路中A11、A12為電磁閥A11、電磁閥A12接口，J1為土壤水分傳感器檢測輸入接口，J2為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊接口，J3為GSM無線傳輸接口，電路圖中A、B、C、D4個I/O口分別指東區(qū)、南區(qū)、西區(qū)、北區(qū)4個區(qū)域的電磁閥控制端口。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為主程序、土壤含水率檢測程序、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序和GSM無線傳輸程序等4個部分。

4系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

4．1土壤水分傳感器的標(biāo)定

選取適量的實驗場地土壤，用烘干裝置將其烘干至恒定質(zhì)量，加入適量水?dāng)嚢枧渲瞥梢阎实膶嶒炌寥?，拌勻之后放置于密閉容器中存放，存放時間為24h，然后獲得土壤含水率;與此同時，測量土壤水分傳感器的輸出電壓，形成數(shù)據(jù);重復(fù)上述過程，收集數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到傳感器的標(biāo)定結(jié)果。

4．2滴灌系統(tǒng)壓力分布

工程實際案例中，所有管道系統(tǒng)幾乎都是由很多等直管段和一些管道附件連接在一起組成的，因此在一個管道系統(tǒng)中，存在沿程損失和局部損失。分支管道壓力分布計算:1)通過選取水頭損失最大的管道的末端作為測量點，得出最小工作壓力;2)在最小工作壓力的基礎(chǔ)上，分段加上該管段的水頭損失即上一節(jié)點的壓力水頭;3)依次類推，計算到管道進(jìn)口需要的壓力水頭。為了保證各個分流點的灌水均勻度，沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不超過進(jìn)口壓力水頭損失的20%。在均勻坡度情況下，最大壓力出水口是最后一個出水口。

4．3系統(tǒng)灌水定額設(shè)計

系統(tǒng)灌水定額的設(shè)計是為了在滴灌過程中做到充分灌溉，同時不浪費水資源，實現(xiàn)水資源灌溉最大效率化。灌水定額是指單位面積土壤一次灌水的用水量(m3/hm2)或者一次灌水過程中水能夠達(dá)到的水層深度(mm)。灌水定額設(shè)計是指最大灌水定額，以該參數(shù)作為灌溉設(shè)計依據(jù)。

4．4系統(tǒng)單次滴灌時間的確定

系統(tǒng)單次滴灌時間主要針對兩個方面，一方面是滴灌的時間選擇，另一方面是滴灌時間的長短。在西南地區(qū)夏季時，存在著1個月左右的旱季，滴灌的時機(jī)選擇顯得尤為重要，系統(tǒng)的具體灌溉時間節(jié)點根據(jù)土壤作物類型及土壤質(zhì)地來設(shè)置，本系統(tǒng)中設(shè)置了遠(yuǎn)程實時監(jiān)控功能，能實時控制灌溉時間，從而實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程控制。

4．5GSM無線傳輸網(wǎng)絡(luò)丟包率測試

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的丟包率，采用多次測量求平均值的方法進(jìn)行檢驗。根據(jù)試驗場地的實際情況，試驗時在東、西、南、北4個區(qū)域分別布署1個傳感器節(jié)點(實際應(yīng)用中需根據(jù)山地面積大小確定傳感器數(shù)量)，布署1個匯聚節(jié)點。為了保證試驗精度，設(shè)定傳感器節(jié)點每隔20min進(jìn)行一次采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，計算無線傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)丟包率，連續(xù)進(jìn)行試驗，以測定系統(tǒng)通信穩(wěn)定性能。

5系統(tǒng)效果及創(chuàng)新點

本農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試安裝完畢后，對試驗場地進(jìn)行完整的效果檢驗:系統(tǒng)可實現(xiàn)自動滴灌控制，實現(xiàn)了分區(qū)的精準(zhǔn)滴灌。系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在以下兩點:1)根據(jù)復(fù)雜山地的不同區(qū)域，高差及坡度不同，系統(tǒng)設(shè)計了流量和壓力不同的滴灌系統(tǒng)。分區(qū)農(nóng)業(yè)滴灌區(qū)別于傳統(tǒng)滴灌方式，不再采用統(tǒng)一滴灌，實現(xiàn)了精準(zhǔn)滴灌，提高了水資源的灌溉效率，為山地滴灌技術(shù)發(fā)展提供借鑒作用。2)系統(tǒng)優(yōu)化了農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)中太陽能作為主要能源供給的能源損耗、遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的丟包率，提高了土壤含水率檢測技術(shù)的精確性。6結(jié)論與討論1)系統(tǒng)針對復(fù)雜山地的高差及坡度不同，將山地進(jìn)行區(qū)域劃分，各個區(qū)域進(jìn)行土壤水分實時監(jiān)測，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息收集，通過GSM無線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸至終端，終端決策對各個區(qū)域?qū)嵭邪葱璺謩e滴灌，實現(xiàn)節(jié)約水資源的目的。2)研究構(gòu)成自動農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)，將土壤水分傳感器、控制器、電磁閥等模塊集成化，實現(xiàn)自動滴灌，提高水資源灌溉效率。3)采用市電互補功能的太陽能電源作為整個系統(tǒng)的電能供應(yīng)平臺。太陽能充足時，通過太陽能對蓄電池進(jìn)行電能的存儲;太陽能不足時，則由市電對蓄電池進(jìn)行電能的存儲。本系統(tǒng)實現(xiàn)了按需精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉和實時監(jiān)控的效果，達(dá)到了設(shè)計的目的，促進(jìn)了西南地區(qū)山地農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展，很大程度地解決了節(jié)水灌溉工程中的能耗高、勞動力以及水資源浪費問題。系統(tǒng)試驗選用小范圍復(fù)雜山地效果可行，大面積復(fù)雜山地試驗效果及系統(tǒng)材料選型有待作進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn):

［1］費良軍，魏群，曹?。儽鄙降氐喂嗳霛B試驗研究［J］．現(xiàn)代節(jié)水高校農(nóng)業(yè)與生態(tài)灌區(qū)建設(shè)，2010(4):744－750．

［2］韓啟彪，馮紹元，曹林來，等．滴灌技術(shù)與裝備進(jìn)一步發(fā)展的思考［J］．排灌機(jī)械工程學(xué)報，2015，33(11):1001－1005．

［3］楊開文．山地造林滴灌系統(tǒng)設(shè)計要點［J］．新疆農(nóng)機(jī)化，2013(3):27－28．

［4］侯新明，楊立魁，劉淵，等．山區(qū)滴灌工程灌溉參數(shù)與減壓閥位置設(shè)計［J］．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，34(4):375－379．

［6］王志慧，王智慧，郝海東．山區(qū)灌溉技術(shù)的發(fā)展及存在的問題［J］．內(nèi)蒙古水利，2015(6):66－67．

［8］李曉東，吳永烽，李光林，等．可遠(yuǎn)程控制的家用微型滴灌系統(tǒng)研究［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(4):163－166．

［10］岳學(xué)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(shè)計與試驗［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013(10):241－246．

［11］彭煒峰．基于GSM的農(nóng)業(yè)灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2014，36(11):210－214．

［12］李中榮，顧烈烽．微灌灌水小區(qū)水力算法改進(jìn)及算例分析［J］．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，34(1):83－86．

［13］李曉東，吳永烽，李光林，等．基于太陽能的無線土壤水分傳感器的研制［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010(11):13－18．

［14］黃剛，劉佳林，李曉東，等．基于GSM的微型遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)研制［J］．中國農(nóng)村水利水電，2013(10):17－20．

［15］盧澤民，杜錚，張?zhí)凭辏龋⌒吞柲芄喔认到y(tǒng)設(shè)計［J］．中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015(4):253－256．

作者：彭煒峰1，2a，2b;李光林2a，2b 單位：1．重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2．西南大學(xué)a．工程技術(shù)學(xué)院;b．丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室