南華大學(xué) 胡海洋 蔡 涵 趙德龍 唐女智 彭志浪 曾 倩

水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，解決這一問題的核心是提高用水資源的利用率，這就需要把節(jié)水放在突出位置。傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高。很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減，因此我們設(shè)計了一種高效節(jié)能的自動控制智能噴灌系統(tǒng)。本項目以節(jié)水、珍惜園林植物的精確灌溉為目的，設(shè)計一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、后臺監(jiān)視系統(tǒng)組成。

收集土壤濕度傳感器實時測量各個子區(qū)域的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)絇C端后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得出噴灌時間發(fā)送至stm32單片機進而調(diào)控光伏供電系統(tǒng)的水泵、主閥門和噴水管路區(qū)域閥門的啟閉實現(xiàn)精確灌溉。

該系統(tǒng)的創(chuàng)新和技術(shù)關(guān)鍵在于采用無線傳輸技術(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統(tǒng)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測噴淋時間，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)電；結(jié)合軟件硬件實現(xiàn)智能化自動控制。

為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高灌溉水平，增強淡水資源利用率，設(shè)計節(jié)水灌溉系統(tǒng)以及推廣十分重要，本設(shè)計把提高灌溉水利用率和作物水分生產(chǎn)效率作為研究重點，將作物水分生理調(diào)控機制與作物高效用水技術(shù)緊密結(jié)合，提出調(diào)虧灌溉，分根區(qū)交替灌溉等技術(shù)，以此來達到節(jié)水增產(chǎn)作用。

此外，水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，核心是提高用水的利用效率，把節(jié)水放在突出位置。傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高。很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減。因此我們設(shè)計了一種節(jié)水節(jié)能的智能化自動控制噴灌系統(tǒng)，并建立模型優(yōu)化設(shè)計噴灌系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠降低勞動者工作強度，克服根據(jù)人的經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉水量的弊端，大大提高水資源的利用率，實現(xiàn)對農(nóng)作物灌溉的科學(xué)調(diào)控和管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 基本思路設(shè)計

本設(shè)計為一款基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動灌溉系統(tǒng)，本項目以節(jié)水、珍惜園林植物的精確灌溉為目的。為了自動對土地進行灌溉，通過無線濕度傳感器檢測收集環(huán)境信息，同時利用stm32控制器收集濕度數(shù)據(jù)，收集完成后通過esp8266上傳至PC端。將收集到的數(shù)據(jù)，輸入到MATLAB中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行濕度預(yù)測，預(yù)測最佳噴灌開始時間，預(yù)測完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送回stm32控制器，最終由stm32控制器完成對土地的灌溉。

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。本系統(tǒng)按照功能基本分為數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)分析、控制三部分?？刂破鬟x用STM32單片機處理器，用于匯總采集到的信息并上傳致云端的功能。電源電路將電壓進行轉(zhuǎn)化。同時電源電路依據(jù)實際情況可進行多種轉(zhuǎn)化，提供給各模塊電路使用。

圖1 整體電路控制系統(tǒng)圖

1.2 電器控制設(shè)計方案

1.2.1 控制器介紹

控制器選用stm32單片機。在本系統(tǒng)中stm32起到了至關(guān)重要的作用，一方面stm32控制器需要完成噴灌模塊的控制工作，另一方面其又是與數(shù)據(jù)分析部分的連結(jié)的重要樞紐。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，stm32控制器完成濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集工作，同時將數(shù)據(jù)上傳致云端。在噴灌系統(tǒng)的控制過程中，stm32控制器完成對噴灌系統(tǒng)的開關(guān)。

控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路如圖2所示小，成本更加低廉，同時引腳數(shù)目可以滿足使用。

圖2 電路控制圖

1.2.2 噴灌電路

噴灌系統(tǒng)主要由多路繼電器，多路電磁閥，以及管網(wǎng)系統(tǒng)三部分組成，電磁閥，繼電器由電源直接進行供電。

采用stm32控器控制繼電器，進而控制電磁閥開合的控制思路，這大大減輕了控制電路的壓力。繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量（電流/電壓）的變化達到規(guī)定要求時。在噴灌電路中，電磁閥所需要的外接電壓要比stm32控制器所能輸出的電壓高出許多，且stm32無法負載功率較大的用電器。因此，在噴灌電路中我們引入繼電器來控制電磁閥，以達成用stm32小電流去控制電磁閥所需要的“大電流”。stm32控制器可以直接輸出高低電平進行對繼電器的控制，進而達到控制閥門的目的。同時，設(shè)置多路繼電器控制多路電磁閥，這種設(shè)計旨在為缺水的區(qū)域進行專門的灌溉，從而大大的節(jié)約水源。

1.2.3 濕度無線傳輸系統(tǒng)

溫濕度的無線傳輸，主要利用了Zigbee的組網(wǎng)及信息傳遞功能。根據(jù)這一特性，使用外圍Zigbee收集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)匯總到一個Zigbee，最后完成將數(shù)據(jù)進行處理。如圖3所示。

圖3 溫濕度無線傳輸系統(tǒng)圖

在需要鋪設(shè)節(jié)水噴灌系統(tǒng)的場地里面，進行排布，每一個Zigbee相當(dāng)于是一個溫濕度傳感器，并每隔一定時間將濕度傳遞給控制系統(tǒng)中的Zigbee，如此設(shè)計既完成了溫濕度傳感器的布放，又解決了實時濕度的傳遞的問題。

1.3 電源電路

整體電路設(shè)計所需電壓不超過12V，因此電源電路可采取多種方式進行供電?？梢酝耆珴M足實際情況的若出于節(jié)能的思路可以設(shè)置太陽能供電裝置。

若出于簡便方向考慮，也可采用將220v交流電處理之后進行供電。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計模型

在實際情況中我們會根據(jù)基本設(shè)計路線，首先完成管網(wǎng)和噴頭等硬件的設(shè)計，再進行系統(tǒng)的調(diào)試和實測檢驗。在設(shè)計過程中，我們根據(jù)對土壤傳感器傳出的土壤溫濕度等數(shù)據(jù)進行分析，并建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行接下來的實驗以進一步優(yōu)化設(shè)計和模型。如圖4所示。

圖4 管網(wǎng)及其他結(jié)構(gòu)模型

2 理論設(shè)計計算

數(shù)據(jù)分析：

在確定管線、電磁閥、噴頭和濕度傳感器的位置后，記錄每個傳感器所在區(qū)域植被所需要的最佳土壤濕度值；在系統(tǒng)工作后，將采集的土壤濕度數(shù)據(jù)與該區(qū)域植被所需最佳土壤濕度值進行對比并計算差值，同時結(jié)合土壤溫濕度計傳輸?shù)臏囟戎?，考慮溫度對土壤水分蒸發(fā)情況，對電磁閥的啟閉時間和噴頭噴淋的時間進行計算。影響噴頭噴淋時間的因素有：1）噴頭噴淋過程需要一定的時間；2）溫度變化對土壤中水分的蒸發(fā)速度；3）一條管線上有多個噴頭，途徑多個傳感器，但所設(shè)置的電磁閥個數(shù)占少數(shù)。每個傳感器采集的土壤濕度與最佳土壤濕度值的差距不一致等。

這里我們采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并建立預(yù)測模型，該預(yù)測模型可以較為準(zhǔn)確地估算出下一周各個傳感器周圍的土壤溫濕度。這樣我們可以提前進行數(shù)據(jù)分析，得出下周要噴灑的傳感器區(qū)域以及閥門開關(guān)時間（這里我們要知道閥門開啟一分鐘能流出的水量），在下周的某兩個時間點自動定時開啟閥門和關(guān)閉閥門，達到對區(qū)域的噴灌處理。數(shù)據(jù)處理與分析整體框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理與分析整體框圖

3 可行性分析

傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高，很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減。

本設(shè)計的智能噴灌產(chǎn)品較之傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，采用太陽能裝置進行供電，對植物所需水分進行精確分析并自動分區(qū)域進行噴灌。采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得出各節(jié)點的噴灌時間；stm32單片機實現(xiàn)自動調(diào)控。節(jié)水節(jié)電的同時實現(xiàn)智能化自動控制，節(jié)約人力物力。ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特色。其能源消耗顯著低于其他無線通信技術(shù)，通過為裝置有ZigBee的設(shè)備配備兩節(jié)5號電池可持續(xù)運行超過6個月。其無線電波覆蓋半徑達100m、傳輸速度可達54Mbps，符合大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)云端的需求。

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

該系統(tǒng)的創(chuàng)新和技術(shù)關(guān)鍵在于采用Zigbee組網(wǎng)技術(shù)，建立星型網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸；供水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統(tǒng)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測噴淋時間，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)電；結(jié)合軟件硬件實現(xiàn)智能化自動控制。