李秉晟，李就好，王 浩，袁以美，可欣榮

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510635；3. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東 廣州 510642)

隨著當今社會對生態(tài)和環(huán)保要求的提高，常規(guī)的擋土墻難以滿足需求，生態(tài)擋土墻作為一種新型的擋土墻，既能保證受力，又具有生態(tài)、環(huán)保的特點，近年來在城市河涌改造等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]，但由于受已有建筑物、城市道路等各種條件限制，一般河涌的岸墻比較陡直，為此開發(fā)了一種植綠裝配式擋土墻，不僅具有生態(tài)功能，也有助于落水者自救，如圖1所示[7]。

圖1 植綠型混凝土擋墻示意

從圖1可以看出，越靠近上部越植物越不易獲得水分。為了保證生態(tài)景觀，需要進行適當灌溉，即能根據(jù)土壤濕度進行自動灌溉。提水灌溉傳統(tǒng)上是用電帶動水泵抽水，需要拉電線到水源處，或者用柴油(汽油)發(fā)動機做動力，使用和維護成本很高。太陽能作為一種可再生綠色能源，國內(nèi)一些學者進行了利用基于太陽能自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計，如車保川[8]設(shè)計了一種基于單片機的低功耗太陽能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機控制整個系統(tǒng)，利用變頻器可調(diào)節(jié)輸出功率，以降低功耗和提高系統(tǒng)的可靠性。束文強等[9]利用單片機作為控制器的核心，設(shè)計出一種可根據(jù)土壤溫濕度等參數(shù)的變化而進行自動灌溉且具有顯示功能的系統(tǒng)。李雙等[10]提出一種基于STM8S 單片機的太陽能抽蓄灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。李淳楨等[11]設(shè)計了一種用于抽蓄灌溉的太陽能板電源電路，該電路通過改變各個開關(guān)的狀態(tài)可以實現(xiàn)蓄電池的充電和放電過程，可以根據(jù)充電和放電的需要使2塊蓄電池工作在串聯(lián)模式和并聯(lián)模式。傅秋艷等[12]對一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統(tǒng)進行了適宜性試驗研究，以便能在維持土壤最適濕度的同時減少耗水量。邱林等[13]設(shè)計了農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)的太陽能供電電源功能模塊、太陽能智能化控制灌溉模塊及其子功能模塊，達到利用太陽能光伏技術(shù)實現(xiàn)智能化精準灌溉。李光林等[14]研制了基于太陽能的柑桔園自動灌溉與土壤含水率監(jiān)測系統(tǒng)，試驗表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)柑桔園區(qū)的自動灌溉與土壤含水率的自動監(jiān)測。阮三桂等[15]設(shè)計了一套自動控水灌溉系統(tǒng)，應(yīng)用該控水灌溉系統(tǒng)進行田間試驗。李文斌等[16]通過建立太陽能光伏提水試驗區(qū)進行研究蔗區(qū)太陽能輻射、發(fā)電量、提水量的月分配規(guī)律。劉柯楠等[17]以研發(fā)的太陽能驅(qū)動噴灌機組為平臺，通過對機組工作方式和行走驅(qū)動理論進行分析，構(gòu)建了一種太陽能驅(qū)動噴灌機組動力需求與光伏功率匹配設(shè)計方法。

以上在利用太陽能作為灌溉動力研究方面做出了探索和實踐，為本研究提供有益的參考，但都是針農(nóng)作物灌溉需求進行的，因此需要研究與生態(tài)擋墻相適應(yīng)的自動灌溉系統(tǒng)。本文研發(fā)了一種基于太陽能的自動灌溉系統(tǒng)，自動監(jiān)測土壤濕度，并根據(jù)土壤濕度，實現(xiàn)對植物的實時灌溉，以確保植物再各階段都處于良好的生長環(huán)境中。

1 灌溉控制系統(tǒng)優(yōu)化

基于單片機的控制系統(tǒng)，在灌溉控制系統(tǒng)應(yīng)用很廣，但要選擇即性能可靠又要成本合理的單片機，需要根據(jù)工程的要求組合考慮。本文研究的單片機控制的灌溉系統(tǒng)，主要對生態(tài)擋土墻的植被進行補充灌溉，因此一般水源較近，灌溉的頻率也較低，主要考慮系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性。

1.1 單片機最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用的Stm32F103CBT6，具有72 MHz的工作頻率，集成了存儲器、電源管理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA、調(diào)式模式、計算單元和封裝等模塊，具有低功耗，并且芯片用途廣泛，已經(jīng)普遍應(yīng)用到電力電子系統(tǒng)等方面，其最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機電路示意

1.2 基于土壤水分的控制系統(tǒng)

工程中需要根據(jù)土壤水分控制灌溉，土壤水分通過傳感器采集。本研究采用了土壤溫濕度一體化數(shù)字傳感器RS-WS-N01-TR，該傳感器受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質(zhì)，并且可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐電腐蝕，抽真空灌封，完全防水。

為了與水分傳感器連接，研制了土壤水分傳感器與測控模塊的硬件連接電路。土壤溫濕度模塊采用RS485與測控模塊連接，最大可同時連接32路傳感器。其RS485連接轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

土壤濕度采集時，通過RS485讀取土壤濕度變送器輸出的土壤濕度，利用單片機單片機ADC功能對電池電壓進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，當單片機控制引腳輸出高電平時，控制三極管導通，驅(qū)動水泵接觸器吸合，直流電機供電開始灌溉，當單片機控制引腳輸出低電平，水泵關(guān)閉。當電池電壓過低時，即是土壤濕度低于設(shè)計值需要灌溉，但仍禁止水泵開啟。

2 太陽能供電電源系統(tǒng)

2.1 蓄電池及容量選擇

為了保證系統(tǒng)在一年四季的氣候條件下都能維持系統(tǒng)正常工作，因此，在選擇太陽能儲蓄電池時，電池需要滿足放電性能好。同時作為太陽能電池板采集系統(tǒng)白天儲存采集的能量，電池供電系統(tǒng)將長期處于邊充電邊放電的工作狀態(tài)，故電池必須滿足浮充特性，具有良好的充電特性。表1中對幾種常見的蓄電池特點進行了對比，并舉例了他們各自的優(yōu)點、缺點和用途。

表1 各種類蓄電池特點對比

在對各蓄電池綜合比較之后，考慮野外工作環(huán)境，最后選擇鉛酸蓄電池作為儲能電池。根據(jù)蓄電池通用規(guī)格設(shè)計實際選取容量為100 Ah，額定電壓12 V鉛酸蓄電池，較標稱多出6.15 Ah保證一些短時未計入核算負載。將蓄電池充滿電后輸出電壓為13.5 V，充滿放完全階段點發(fā)幅度為10.5～14.5 V。

2.2 太陽能電池板的選擇與計算

目前，晶體硅材料是市場上最重要的光伏材料，可分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池板。單晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)換效率一般為16%，最大可達25%，是所有類型太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，而且還采用鋼化玻璃和硅鋼防水樹脂封裝，堅固耐用。而多晶硅電池板的光電轉(zhuǎn)換效率則要低一些，一般在13%左右，使用壽命也要比單晶硅電池板短。綜合考量，采集系統(tǒng)設(shè)計采用單晶硅太陽電池板。

設(shè)系統(tǒng)總功耗為P，系統(tǒng)全天工作時長為t，則每天蓄電池耗電量應(yīng)為：

(1)

式中W為每天的耗電量,W；P為系統(tǒng)總功耗,W；t為工作時長,h；為電路功耗損失系數(shù)。

年平均日照時數(shù)H可按式(2)計算：

(2)

其中Qm為當?shù)啬贻椛淇偭?kcal/cm2，經(jīng)過查閱氣象部門提供的數(shù)據(jù)，廣州地區(qū)一般取值120 kcal/cm2； ε是2℃、AM1.5光譜時的輻照度，取0.1 W/cm2；1.63為Wh與kcal單位轉(zhuǎn)化系數(shù)，Wh/kcal。

太陽能電池組件實際使用功率為：

(3)

式中W蓄電池的耗電量；H為年平均日照實數(shù)。

在實際工程中，一般太陽能電池板輸出充電電壓應(yīng)該大于蓄電池的工作電壓25%左右比較合適，因此，衡量利弊，最后采用功率為100 W、空載充電電壓17.5 V、輸出電流5.71 A、尺寸1 200 mm×550 mm的單晶硅太陽能電板。為了滿足24 V直流水泵的供電需求，利用2個17.6 V/100 W太陽能板(帶充電控制器)和2個12 V/100 Ah鉛酸電池，組成太陽能供電模塊。為了保證充電和延長電池壽命，采用1個太陽能板、1個充電控制器、1個12 V電池為一組，進行獨立充電控制，電源功率輸出采用串聯(lián)方式輸出24 V， 24 V電壓接入單片機測控板，為水泵提供功率電源。

太陽能板輸出電流通過充電控制器對12 V鉛酸蓄電池進行充電，充電控制器不斷檢測蓄電池的工作狀態(tài)，決定鉛酸蓄電池的充電電流，防止鉛酸蓄電池過充，單片機同時在不斷檢測鉛酸蓄電池的兩端電壓，當電池電壓過低時，水泵不能工作，產(chǎn)生報警信息，防止鉛酸蓄電池過放損壞。

3 系統(tǒng)的總體集成

在理論研究的基礎(chǔ)上，制作了生態(tài)擋墻自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2個17.6 V/100 W太陽能板(帶充電控制器)和2個12 V/100 Ah鉛酸電池，組成太陽能供電模塊，其構(gòu)成原理簡圖如圖4所示。按照圖1的形式用塑料板制作了生態(tài)擋墻模型模型如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)組成示意

圖5 自動控制灌溉系統(tǒng)試驗平臺示意

本自動灌溉系統(tǒng)采用可再生綠色能源——太陽能為動力，以Stm32F103CBT6單片機為控制核心，根據(jù)作物生產(chǎn)需求以設(shè)定的土壤濕度，利用RS-WS-N01-TR土壤濕度傳感器接收生態(tài)擋土墻的土壤濕度信息，做到按需、適時灌溉，可節(jié)約水資源與電力資源的目的，降低人工灌溉成本。

4 結(jié)論與討論

1) 將基于太陽能的自動灌溉系統(tǒng)與生態(tài)擋土墻相結(jié)合，實現(xiàn)了生態(tài)擋土墻的自動灌溉。

2) 可根據(jù)不同植物設(shè)定土壤濕度灌溉指標，以滿足絕大多數(shù)植物在不同時期的需水要求，給各類植物提供良好的生長環(huán)境。

3) 實驗室運行1 a來，性能穩(wěn)定、可靠。

本應(yīng)用實現(xiàn)了將太陽能自動灌溉系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)擋土墻中，減少了水資源與電力資源的浪費，對降低工人勞動強度有著非常實際的意義，但還缺少實際應(yīng)用，其性能有待在工程應(yīng)用中進一步驗證。