張 磊，杜嘵嵐，蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

一種小型智能高效節(jié)水噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 磊，杜嘵嵐，蘭 羽

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

淡水資源的日益緊缺，已經(jīng)威脅到世界糧食供應(yīng)。要破解耕地面積有限、淡水資源緊缺的難題，發(fā)展節(jié)水灌溉成為最佳選擇。節(jié)水灌溉，就是指使用最少量的水資源灌溉，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效益。噴灌是當(dāng)前效果最好的節(jié)水灌溉有效方式。但噴灌基本還是依靠人工控制，存在灌溉不及時(shí)或灌溉過(guò)度的情況［1］。為解決這一問(wèn)題，更加充分地利用淡水資源，對(duì)高效節(jié)水自動(dòng)化噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制進(jìn)行了研究。

1 設(shè)計(jì)思想和架構(gòu)

1.1 土壤濕度影響植物生長(zhǎng)分析

植物對(duì)土壤的依賴(lài)性主要體現(xiàn)在養(yǎng)分與水分，其中土壤水分含量具有變化率大、可控性的特點(diǎn)。土壤濕度的變化對(duì)植物生長(zhǎng)的影響非常明顯，主要體現(xiàn)在適于植物生長(zhǎng)的濕度范圍，萎蔫系數(shù)和田間持水量決定著植物生長(zhǎng)的需水量，萎蔫系數(shù)指植物生長(zhǎng)所需最小土壤濕度，田間持水量指土壤水分有效性的上限值，限制了灌溉定額的上限。

為此，過(guò)去常常會(huì)發(fā)生2種不良現(xiàn)象：由于大面積缺水造成的植被損失事件時(shí)有耳聞；灌溉過(guò)度造成的土壤空氣含量不足，進(jìn)而導(dǎo)致植被死亡的情況也常常發(fā)生。姑且不論植被死亡造成的損失，僅過(guò)度灌溉造成的土壤表層水分大量蒸發(fā)與流失，就降低了灌溉用水的利用效率，并進(jìn)而影響了整個(gè)水資源的有效利用率。

1.2 常用灌溉系統(tǒng)分析

現(xiàn)有灌溉系統(tǒng)，如果對(duì)600 m2的草坪灌溉，通常需要12個(gè)噴頭，這12個(gè)噴頭是通過(guò)1個(gè)總閥門(mén)來(lái)控制。而且由工作人員根據(jù)天氣狀況及經(jīng)驗(yàn)判斷土壤濕度，決定是否需要灌溉，這樣的灌溉缺乏科學(xué)性。這種灌溉方式，容易出現(xiàn)灌溉水量過(guò)多致使退讓表層過(guò)多積水的情況。在這種方式下，有相當(dāng)一部分的水量經(jīng)土壤表層流出灌溉區(qū)域，另有一部分灌溉用水隨著空氣流動(dòng)及陽(yáng)光照射蒸發(fā)，進(jìn)入大氣，與此同時(shí)，一部分水會(huì)滲入土壤下層，匯入地下水，造成大量水分無(wú)效灌溉。另一方面，由于灌溉不及時(shí)，灌溉區(qū)域植被由于缺水會(huì)大面積枯死，造成損失。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于常用噴灌系統(tǒng)主要由人工經(jīng)驗(yàn)控制灌溉閥門(mén)，容易出現(xiàn)灌溉不足和灌溉過(guò)量的情況，可以考慮通過(guò)檢測(cè)土壤濕度，由土壤濕度的變化來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，即保障了植物生長(zhǎng)所需的水分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水［2］。設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：原灌溉系統(tǒng)、濕度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 資料數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析，計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，進(jìn)行t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用例和百分比[例(%)]表示，進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

以噴灌系統(tǒng)為例，在每個(gè)噴頭噴灑范圍內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的傳感器以檢測(cè)土壤濕度，如圖2所示（以扇形噴灑方式為例）。

圖2 噴灑范圍

通常情況，噴灌系統(tǒng)都是由一個(gè)總閥門(mén)控制所有的噴頭，各個(gè)噴頭的開(kāi)關(guān)時(shí)間和出水量都是相同的，這種情況下，整塊草坪的土壤濕度都是基本一樣的?？梢詫⑺械膫鞲衅骺刂茀?shù)調(diào)整在一定范圍內(nèi)，當(dāng)規(guī)定數(shù)量的傳感器參數(shù)達(dá)到灌溉要求時(shí)，就可以打開(kāi)總閥門(mén)，開(kāi)始灌溉。反之，停止灌溉。

1.4 系統(tǒng)工作流程

將傳感器植入土壤中，設(shè)置傳感器參數(shù)為W（萎蔫系數(shù)）和T（田間持水量），分別為使系統(tǒng)工作的比較值。工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

如一個(gè)草坪需要12個(gè)噴頭進(jìn)行灌溉，可布置36個(gè)濕度傳感器。通過(guò)傳感器檢測(cè)土壤濕度，土壤濕度模擬信號(hào)通過(guò)調(diào)理，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，輸入到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，再控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)工作。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為降低成本及系統(tǒng)的復(fù)雜程度，硬件電路必須具有很好的移植性。為突出系統(tǒng)小型化的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)硬件組成要求部件少、可靠性高、集成度高。硬件電路主要由濕度傳感器（HM1500LF）、調(diào)理電路（一階低通濾波器）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、控制電路（AT 89S51單片機(jī)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（SH4012步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及42BYGH四相步進(jìn)電機(jī)）以及參考電源等構(gòu)成［3-5］。硬件電路構(gòu)成如圖4所示。

圖4 硬件電路構(gòu)成

2.1 濕度傳感器選型

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ADC0809的8路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)選擇后，送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入比較器，8路信號(hào)的選擇是通過(guò)地址鎖存與譯碼器實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)8路輸入信號(hào)分時(shí)共用1個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)主次逼近型的A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是由外部供給的；ADC0809數(shù)據(jù)輸出帶有三態(tài)輸出鎖存器，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，通過(guò)CPU打開(kāi)三態(tài)門(mén)，可讀出8位轉(zhuǎn)換結(jié)果［7］。

2.3 微處理器的選擇

為降低成本，減小體積，采用具有體積小、重量輕和容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)作為微處理器。系統(tǒng)選用了AT89S51單片機(jī)，該單片為CMOS 8位單片機(jī)［8］。因?yàn)橹参镌谏L(zhǎng)的不同階段和季節(jié)，對(duì)水的需求量也不同，所有系統(tǒng)的運(yùn)算參數(shù)要經(jīng)常修改，而單片機(jī)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器可擦寫(xiě)1 000次，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)要求及功能實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，單片機(jī)C51語(yǔ)言比較流行。C51語(yǔ)言具有匯編語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼?zhèn)涓呒?jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，其生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和開(kāi)度大小由傳感器檢測(cè)的土壤濕度信號(hào)來(lái)控制，從而控制出水量的大小。這樣灌溉才能穩(wěn)定無(wú)差錯(cuò)的工作。程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 程序工作流程

針對(duì)系統(tǒng)控制要求，軟件系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：對(duì)系統(tǒng)初始化，完成傳感器輸出的土壤濕度信號(hào)的采集，邏輯處理采集后的數(shù)據(jù)、電機(jī)方向信號(hào)和輸出脈沖信號(hào)等。

3.2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

選擇的Keilu Vision4作為單片機(jī)軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Keil可以實(shí)現(xiàn)包含連接器、庫(kù)管理、宏匯編、C編譯器和范根調(diào)試器在內(nèi)的方案。經(jīng)過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（u Vision4）將以上部分整合在一起。u Vision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括項(xiàng)目管理、編輯源代碼及程序調(diào)試。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上進(jìn)行目標(biāo)程序模擬，指令集合片內(nèi)外圍功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

在深入分析土壤濕度對(duì)植物生長(zhǎng)影響基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析及硬件總體設(shè)計(jì)，主要討論了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想及架構(gòu)，系統(tǒng)的工作流程，完成了系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)的采集、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換及進(jìn)一步處理做出了分析和設(shè)計(jì)。還對(duì)微處理器，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器做了一些簡(jiǎn)要介紹和分析。

［1］ 寧俊松，羅正祥.小型化超寬阻帶低通濾波器的設(shè)計(jì)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（2）：223-226.

［2］ 段英宏，楊碩.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的模糊PID控制［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（2）：290-293.

［3］ 周黎，楊世洪，高曉東.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)建模及運(yùn)行曲線仿真［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15（1）：20-25.

［4］ 劉衛(wèi)國(guó)，宋受俊.三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)建模及常用控制方法仿真［J］.微電機(jī)，2007，40（8）：22-25.

［5］ 張海英，黃華蔚，胡金高.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線設(shè)計(jì)與仿真［J］.微特電機(jī)，2008，36（1）：11-13.

［6］ 陶佰睿，顧丁，苗鳳娟，等.一種基于單片機(jī)的濕度傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（3）：435-438.

［7］ 元增民.AT89S51單片機(jī)與ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三種典型連接［J］.長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，19（5）：69-72.

［8］ 郝育聞.新型濕度傳感器的研究進(jìn)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（11）：1-3，7.

Design of a Small Size Efficient Intelligent Water-saving Irrigation System

ZHANG Lei，DU Xiaolan，LAN Yu
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

在深入分析植物生長(zhǎng)受土壤濕度影響的基礎(chǔ)上，提出節(jié)水噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)對(duì)土壤濕度的檢測(cè)來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度的大小，從而達(dá)到節(jié)水的目的。對(duì)系統(tǒng)的功能及工作流程進(jìn)行分析，完成系統(tǒng)各組成部分的硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及具體功能實(shí)現(xiàn)。

噴灌；濕度；節(jié)水；控制

This research is based on the thorough analysis of how plant growth is affected by soil moisture，hence the design idea of water-saving sprinkler irrigation system based on soil humidity detection to control the size of the valve opening，so as to achieve the goal of saving water.The paper analyzes the system＇s function and working process，to complete the overall hardware system design of each component，and to complete the system software design and the realization of specific functions.

sprinkler irrigation；humidity；water saving；control

TP212；TP399

A

1001-2257（2015）09-0060-03

張 磊（1983－），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。

2015-04-17

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院內(nèi)課題（ZK13 49）