龍耀強(qiáng)+王俊平+張震+宋金橋+王凱達(dá)+張昊+郭慶旭

摘 要：該系統(tǒng)由滴灌子模塊、太陽(yáng)能供電子模塊、土壤含水率檢測(cè)子模塊，中央處理子模塊、GSM無(wú)線傳輸子模塊五部分組成。將實(shí)驗(yàn)基地中分成東、西、南、北四個(gè)地區(qū)，土壤含水率檢測(cè)子模塊按照分區(qū)方向分四路對(duì)四個(gè)地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，滴灌子模塊也分四路進(jìn)行灌溉。土壤含水率檢測(cè)子模塊將檢測(cè)到的濕度數(shù)據(jù)送至中央處理器進(jìn)行處理，并用液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示土壤含水率和預(yù)先設(shè)定的土壤含水率的上、下限值，當(dāng)土壤含水率低于預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，電磁閥打開，高于設(shè)定的上限值時(shí)，電磁閥關(guān)閉。并且電磁閥打開或關(guān)閉的同時(shí)，GSM模塊均會(huì)將提示信息發(fā)送到用戶手機(jī)客戶端，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控目的。

關(guān)鍵詞：光伏供電；精準(zhǔn)滴灌；GSM模塊；單片機(jī)；分區(qū)灌溉

中圖分類號(hào)：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0046-02

1 研制背景及意義

目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，山地灌溉系統(tǒng)屬于補(bǔ)充灌溉和統(tǒng)一灌溉范疇，在灌溉過(guò)程中不能根據(jù)具體的山地土壤含水量來(lái)進(jìn)行劃分區(qū)域精準(zhǔn)灌溉。對(duì)于復(fù)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(duì)山地的精準(zhǔn)灌溉很難實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水率的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用太陽(yáng)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(duì)應(yīng)滴灌系統(tǒng)流量、壓力設(shè)計(jì)不同，實(shí)時(shí)按需精準(zhǔn)灌溉[3]。設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制通訊模塊，各分點(diǎn)采集到的土壤含水率網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)單片機(jī)控制；自動(dòng)進(jìn)行電磁閥的開啟與關(guān)閉，同時(shí)利用GSM網(wǎng)絡(luò)[4]將提示信息發(fā)送到用戶手機(jī)，達(dá)到實(shí)時(shí)灌溉和監(jiān)控。

本系統(tǒng)以節(jié)能環(huán)保為基礎(chǔ)，以節(jié)省人力物力財(cái)力為根本，通過(guò)太陽(yáng)能供電，結(jié)合對(duì)滴灌網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到綠色減排，自動(dòng)滴灌，精準(zhǔn)滴灌，遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由滴灌子模塊、太陽(yáng)能供電子模塊、土壤含水率檢測(cè)子模塊、液晶顯示子模塊、中央處理器子模塊、GSM無(wú)線傳輸子模塊六部分組成。根據(jù)山地地形地貌特點(diǎn)，我們將實(shí)驗(yàn)基地分為東、西、南、北四個(gè)地區(qū)，系統(tǒng)分四路進(jìn)行采集滴灌。在供水方面，中央處理子模塊通過(guò)預(yù)先設(shè)定的土壤含水率的上，下限值以及土壤含水率檢測(cè)子模塊檢測(cè)得到的含水率的值來(lái)控制四路電磁閥的開啟與關(guān)閉，使土壤能夠按時(shí)按需得到灌溉，還能避免因過(guò)度灌溉而造成水源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)水效果。在供電方面，采用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，太陽(yáng)能具有綠色無(wú)污染且能無(wú)限開采的特點(diǎn)，且使用方便，能夠高效率地將光能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而給負(fù)載供電，太陽(yáng)能采集到的多余的能源還能給蓄電池充電，從而達(dá)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(guò)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(gè)地區(qū)。輸出孔管是對(duì)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(yáng)能供電子模塊

本模塊由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)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(yáng)能電池板通過(guò)控制器給負(fù)載供電，收集到的多余的能量還可以同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，充電過(guò)程在控制器的作用下自動(dòng)停止。當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，蓄電池還可以繼續(xù)給裝置供電。太陽(yáng)能控制器具有過(guò)充、過(guò)載、過(guò)放保護(hù)功能，且能夠?qū)崟r(shí)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

本模塊由土壤傳感器和PCF8951模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]組成。使用時(shí)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(guò)將土壤傳感器測(cè)得的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，以便單片機(jī)對(duì)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(hào)為12864的液晶顯示模塊，該模塊為5V電壓驅(qū)動(dòng)。在工作時(shí)顯示各個(gè)地區(qū)的含水率以及預(yù)先設(shè)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(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)。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3.8V～5.5V，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程flash，使用靈活有效，范圍較廣。

2.7 GSM無(wú)線傳輸子模塊

GSM無(wú)線傳輸子模塊選用的是型號(hào)為TC35I的工業(yè)級(jí)GSM模塊[4]，支持中文短信互通，通過(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)整體工作流程及實(shí)物圖

針對(duì)山地復(fù)雜的地形與地貌，我們將山區(qū)試驗(yàn)基地分為東、西、南、北四個(gè)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(gè)方向上，土壤含水率子檢測(cè)模塊也呈東、西、南、北四路檢測(cè)。系統(tǒng)工作時(shí)，四個(gè)地區(qū)的傳感器將檢測(cè)到的土壤含水率的數(shù)據(jù)經(jīng)AD設(shè)備PCF8951轉(zhuǎn)換后送至中央處理子模塊——STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)將會(huì)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們預(yù)先根據(jù)山地農(nóng)業(yè)土壤對(duì)水分的需要設(shè)定了土壤含水率的上、下限值，并寫進(jìn)了單片機(jī)的程序里，當(dāng)土壤含水率低于下限值時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的引腳會(huì)送給接該引腳的繼電器的信號(hào)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(dāng)土壤含水率高于上限值時(shí)，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(shí)，GSM無(wú)線子模塊均會(huì)發(fā)送提示信息，而且液晶顯示子模塊能夠?qū)γ總€(gè)地區(qū)的含水率值和預(yù)先設(shè)定的含水率上、下限值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控的目的。通過(guò)調(diào)試和運(yùn)行，系統(tǒng)無(wú)論在滴灌子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)兩方面，皆能穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)按需實(shí)施精準(zhǔn)灌溉的效果，達(dá)到了預(yù)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為實(shí)物圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用高效率的太陽(yáng)能板來(lái)給系統(tǒng)供電，使得太陽(yáng)能能夠最大程度轉(zhuǎn)化為電能，我們又對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行了合理的放置，使得太陽(yáng)能板在一定時(shí)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(lái)控制灌溉的，控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了農(nóng)業(yè)土壤需要含水率的上、下限值，從而能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)精準(zhǔn)按需滴灌，避免過(guò)度灌溉而浪費(fèi)水源，而且GSM模塊還能實(shí)時(shí)反饋給用戶端各個(gè)地區(qū)的滴灌狀態(tài)，從而能夠達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控目的，大大減少了人力資源的使用。

參考文獻(xiàn)：

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