張晨瀅 楊薇 嚴德廣 薛洋 曹辰旸

[摘要]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合光伏水泵及微灌技術(shù)，開發(fā)出一種智能手機APP客戶端，實現(xiàn)人們對農(nóng)田土壤的遠程監(jiān)控。土壤傳感器將收集的土壤水分、溫度、微量元素、PH值等參數(shù)，反饋到手機APP的數(shù)據(jù)庫中，通過智能計算，以操作APP實現(xiàn)對農(nóng)田的智能灌溉，從而提高作物的生長和提高產(chǎn)量，并減少對水資源的浪費。整個系統(tǒng)使用的電能均來自太陽能，實現(xiàn)了清潔、智能、高效灌溉，可解決我國西部部分地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉缺水問題。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；太陽能電池；光伏水泵；微灌

[中圖分類號]S27 [文獻標識碼]A

目前世界各國都是在大量消耗化石資源為代價的基礎(chǔ)上實現(xiàn)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，這導致了全球自然資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化、水資源污染嚴重等問題。解決上述問題需要我們?nèi)祟惏l(fā)展利用各種綠色能源，例如太陽能就是其中應(yīng)用得比較好的一類綠色能源，人類利用逆變器將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，解決西藏、內(nèi)蒙、青海等缺電地區(qū)的用電問題。而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能光伏水泵灌溉系統(tǒng)利用了現(xiàn)代先進的科學技術(shù)，將灌溉系統(tǒng)智能化，實現(xiàn)無人灌溉、節(jié)能灌溉、智能灌溉。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能光伏水泵灌溉系統(tǒng)主要三大部分組成，分別是光伏水泵模塊、營養(yǎng)灌溉模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊。光伏水泵模塊由追日式太陽能電池板、蓄電池、逆變系統(tǒng)、三相異步電機、專用水泵、水塔構(gòu)成；營養(yǎng)灌溉模塊由營養(yǎng)池、水塔、混合池、灌溉網(wǎng)絡(luò)、土壤數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；物聯(lián)網(wǎng)模塊由土壤數(shù)據(jù)、控制中樞、終端控制開關(guān)、云端服務(wù)器、移動客戶端構(gòu)成。系統(tǒng)在正常運行時，追日式太陽能電池板對太陽能進行收集，將其轉(zhuǎn)化為電能，一部分儲存于蓄電池中，一部分通過逆變系統(tǒng)直接對水泵供電，水泵將水抽進具有一定高度的水塔中。土壤數(shù)據(jù)采集模塊通過不同的傳感器對土壤的各種理化性質(zhì)進行檢測與分析，并將數(shù)據(jù)傳送至控制中樞?？刂浦袠袑?shù)據(jù)進行簡單地整理和處理后，通過無線傳輸模塊傳輸?shù)皆贫朔?wù)器（如圖1所示）。云端服務(wù)器根據(jù)對不同節(jié)水灌溉條件、氣候條件下主要農(nóng)作物品種的需水指標和需水量建立估算模型，同時以農(nóng)業(yè)模型庫、方法庫為支撐，對所收集和存儲的數(shù)據(jù)進行分析，處理成具有實際意義的物理量并將處理結(jié)果儲存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中，形成符合本地實際的決策模型。云端服務(wù)器通過建立的決策模型對收集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，得出作物的精確灌溉時間、最佳灌水量以及土壤所需營養(yǎng)等，然后再生成各種與之對應(yīng)的處理方式，展現(xiàn)在pc端或者移動端于工作人員，然后工作人員選擇相應(yīng)的處理方式后，又通過云端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠??？刂浦袠性賹?shù)據(jù)傳給終端控制開關(guān)，終端控制開關(guān)對可編程的邏輯控制器和執(zhí)行電磁閥進行控制，然后對土地實施灌溉。數(shù)據(jù)采集模塊，控制中樞，各種終端控制開關(guān)由蓄電池來供電。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光伏水泵模塊設(shè)計

供電系統(tǒng)（如圖2）的電能來源于追日式太陽能電池板，將電池板置于采光集中的地點，使其能更好的利用太陽能，得到的太陽能一部分儲存于蓄電池中，蓄電池中的電能可以在夜間為整套系統(tǒng)供電，其中包括對控制中樞當中的各種計算與處理系統(tǒng)，各種終端控制開關(guān)。夜間供電能使系統(tǒng)全天工作，保障對農(nóng)田的灌溉與管理。得到的另一部分電能通過逆變系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)化為交流電供三相異步電動機使用。而三相異步電動機又為水泵提供動力，將地下水提升至水塔中，水塔具有一定的高度，因而水塔中的水具有一定的重力勢能，能為后面與營養(yǎng)液的混合提供一部分能量。

2.2 營養(yǎng)灌溉模塊設(shè)計

營養(yǎng)灌溉模塊中的營養(yǎng)池中分為許多獨立的空間用于存放不同農(nóng)作物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如氮肥、磷肥、鉀肥等。每一個空間設(shè)置一個終端控制開關(guān)，能夠根據(jù)人為來實現(xiàn)精確控制，能夠根據(jù)植物的需要進行灌溉?；旌铣赜糜诨旌纤械乃c營養(yǎng)池中的營養(yǎng)物質(zhì)，混合池中可安裝小型攪拌機來使其混合均勻供農(nóng)田灌溉?；旌暇鶆蚝蟮墓喔扔盟霉艿纻鬏斨赁r(nóng)田，傳輸?shù)墓艿涝谵r(nóng)田中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在每個結(jié)點處安裝微噴灌裝置，盡可能使農(nóng)田得到全方位的灌溉。管道的材料應(yīng)根據(jù)營養(yǎng)的成分來確定，避免損害管道。土壤采集模塊包括許多不同的傳感器，如土壤水分傳感器、土壤濕度計、土壤墑情儀，能對土壤的多種數(shù)據(jù)進行測量，包括溫度、濕度、pH值以及各種營養(yǎng)物質(zhì)的含量等，將得到的數(shù)據(jù)傳輸至控制中樞，來實現(xiàn)對農(nóng)田的有效灌溉。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)模塊是由控制中樞、云端服務(wù)器、移動客戶端、終端控制開關(guān)四部分組成的。首先，土壤傳感器采集土壤的各方面信息，如濕度、CO2濃度、溫度、PH值、微量元素含量等，土壤傳感器定時將收集到的信息發(fā)送給控制中樞，控制中樞將一段時間內(nèi)接受到的多種信息進行打包處理，發(fā)送給云端服務(wù)器。云端服務(wù)器工作人員處理分析接收到的數(shù)據(jù)，通過計算得到最優(yōu)的灌溉方案（包括灌溉的水量、土壤所缺元素、土壤酸堿平衡等），最終將最優(yōu)方案信息發(fā)送給移動客戶端，實現(xiàn)農(nóng)田的主人通過手機APP獲取其農(nóng)田的最新情況，并根據(jù)APP操作實現(xiàn)對農(nóng)田的無人智能灌溉。農(nóng)田主人選擇云端服務(wù)器發(fā)送過來的最優(yōu)方案后，控制中樞將接受該信息，并通過控制對應(yīng)所需營養(yǎng)池的某種養(yǎng)料池開關(guān)與水塔的開關(guān)，兩種液體在混合池中進行混合，得到做適合當前農(nóng)田所需的灌溉液，然后啟動噴灌電池閥將灌溉液以微噴灌的方式噴灑在農(nóng)田中，實現(xiàn)較智能的科學無人灌溉。

3 該系統(tǒng)的經(jīng)濟價值和應(yīng)用前景

1kW光伏水泵提水系統(tǒng)與柴油機提水系統(tǒng)進行經(jīng)濟性對比（見表1、表2）。

光伏水泵的前期投入大，但節(jié)省了后期的人工成本，且節(jié)約了未來提水所需要的電，運行成本低。該系統(tǒng)安全、操作簡單，可實現(xiàn)無人值守灌溉，對于人居分散、交通不便以及地表水缺乏的西部地區(qū)來說，是十分重要的。西部地區(qū)本身地處內(nèi)陸，日照時間長，可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能實現(xiàn)提水灌溉，這給西部地區(qū)的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展提供了保障。該系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于西部地區(qū)，實現(xiàn)智能、經(jīng)濟、清潔、科學的農(nóng)業(yè)灌溉。

4 結(jié)語

總的來說，該系統(tǒng)廣泛適用于日照充足的缺水地區(qū)。對于西部地區(qū)來說，利用該系統(tǒng)可以更好地對地下水資源進行開發(fā)和利用，并利用了充足的太陽能，減少了化石燃料的燃燒，實現(xiàn)清潔能源的使用。通過物聯(lián)網(wǎng)的方式，可不用現(xiàn)場了解土壤的情況，通過遠程操作就能實現(xiàn)科學灌溉，增加作物產(chǎn)量，節(jié)省勞動力。西部某些地區(qū)太陽能資源豐富，年日照時間在2000h以上，年總輻射量在1510kWh/m?以上，因此太陽能水泵可為人畜飲水和提水灌溉提供可靠的能源保障，從而成為經(jīng)濟發(fā)展的根本保障。但該系統(tǒng)也具有一定的缺點，前期投入太大，許多農(nóng)戶承擔不起這筆費用，這就需要科研人員繼續(xù)研究改進，降低光伏水泵的價格，實現(xiàn)系統(tǒng)在西部地區(qū)能夠真正普及應(yīng)用。

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