小型自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

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摘要：隨著信息化技術(shù)的不斷更新迭代，很多的人工操作方式被自動(dòng)化操作所取代，這不僅節(jié)約了人工成本，更讓自動(dòng)化能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展為例，澆灌技術(shù)逐漸成為農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效的關(guān)鍵所在，采取高效的節(jié)水灌溉方式逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要渠道。為此，課題組主要以農(nóng)業(yè)為研究對(duì)象，從多重視角對(duì)目前小型自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理，即基于單片機(jī)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)、嵌入式Linux室內(nèi)場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)、基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)、基于ZigBee的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在為此領(lǐng)域的研究提供一些技術(shù)上的支撐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多技術(shù)；小型；自動(dòng)澆灌系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)主要由滴灌技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)及傳感器技術(shù)等組成[1]，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中普遍存在無(wú)法精準(zhǔn)控制灌水量的問(wèn)題。比如，滴灌系統(tǒng)澆灌時(shí)間長(zhǎng)，很容易受區(qū)域地形因素的制約，安裝成本高，智能化水平不高等；專家系統(tǒng)可以收集農(nóng)作物生長(zhǎng)、生理及土壤各方面指標(biāo)數(shù)據(jù)[2]，建立相對(duì)系統(tǒng)的農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫(kù)，但是與具體生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)合度不高；智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)需要以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)為核心建立復(fù)雜且龐大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在規(guī)模化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式中較為適用，但并不適用于小面積家庭型澆灌系統(tǒng)。近年來(lái)，市場(chǎng)上流通著一些常見(jiàn)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，如采取虹吸和滲透原理的澆灌器具[3]，但在實(shí)踐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法綜合考量農(nóng)作物的需水規(guī)律。同時(shí)，還有很多自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)只能對(duì)作物進(jìn)行整體性澆灌，無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單元的澆灌。因此，課題組立足于現(xiàn)狀，積極整合諸多研究成果，對(duì)現(xiàn)在穩(wěn)定性好、簡(jiǎn)易、廉價(jià)、具有無(wú)線方式和多點(diǎn)測(cè)量的裝置進(jìn)行系統(tǒng)梳理，旨在為相關(guān)研究提供一些有益思路。

1基于單片機(jī)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)智能化的澆灌系統(tǒng)需要對(duì)外界環(huán)境因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)，并作出不同的反饋機(jī)制。土壤、肥料、氣候、水分、光溫?zé)岬韧饨缫蜃?，尤其是?duì)土壤環(huán)境因子的響應(yīng)程度非常重要，比如常見(jiàn)的溫濕度信息數(shù)據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)大部分使用無(wú)線傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)信息化手段監(jiān)測(cè)農(nóng)作物不同生育階段的生長(zhǎng)、生理情況，但是市場(chǎng)上流通的自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)的價(jià)格極為昂貴，性價(jià)比不高。課題組結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)學(xué)者研究成果得出基于單片機(jī)技術(shù)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下?；趩纹瑱C(jī)技術(shù)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)主要由主電源模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、土壤溫濕度監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、按鍵控制系統(tǒng)、繼電器控制水泵電路系統(tǒng)及報(bào)警電路系統(tǒng)等組成[4]，可以在無(wú)人管理環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉，并根據(jù)農(nóng)作物生理、生長(zhǎng)特征進(jìn)行水分因子分析整合，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)灌溉。系統(tǒng)一般使用STC89C52單片機(jī)、AT89C51單片機(jī)作為主要控制器，并通過(guò)按鍵控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)澆灌系統(tǒng)的濕度標(biāo)準(zhǔn)，即濕度上限和濕度下限。使用土壤溫濕度監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)并搭配不同的傳感系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)作物溫濕度信息數(shù)據(jù)的采集，若土壤的濕溫度低于下限標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋至單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定的下限值時(shí)報(bào)警電路系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，控制水泵澆水；當(dāng)土壤濕度達(dá)到設(shè)定的上限值就停止?jié)菜?，從而?shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌?？傊?，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤溫度、濕度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)采集到的濕度值、溫度值進(jìn)行判斷，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性高及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具節(jié)約用水的功能，便于應(yīng)用推廣[5]。

2嵌入式Linux室內(nèi)場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，為進(jìn)一步改善室內(nèi)環(huán)境或空氣，比如大型辦公樓、展覽館等，這些場(chǎng)所一般會(huì)布置大量的花卉盆栽，日常的灌溉及養(yǎng)護(hù)管理均需要人工完成。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，目前很多室內(nèi)場(chǎng)所采用盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)。盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)主要是借助土壤濕度傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤濕度值，與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，用輸出高低電平控制繼電器作為控制系統(tǒng)，對(duì)盆栽進(jìn)行自動(dòng)化控制。市場(chǎng)上流通的盆栽自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)主要配備了土壤濕度傳感器，并能考慮到溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH值等，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)盆栽的精準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)管理。此外，大型場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)主要搭載了無(wú)線傳感器ZigBee組網(wǎng)，信息數(shù)據(jù)傳輸速度較低，且造價(jià)成本過(guò)高。為了從本質(zhì)上改變這種現(xiàn)狀，很多研究者對(duì)盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，主要是采取NRF24L01射頻模塊或者SSM射頻模塊為核心控制系統(tǒng)[6-7]，搭配嵌入式Linux大型場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，主要適用于一些室內(nèi)場(chǎng)所盆栽環(huán)境因子采集，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。原理與上述基于單片機(jī)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理相似，當(dāng)濕度、溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH等數(shù)值低于設(shè)定閾值時(shí)，NRF24L01射頻模塊或者SSM射頻模塊會(huì)精準(zhǔn)控制水泵進(jìn)行澆灌[8]。在實(shí)踐過(guò)程中，嵌入式Linux室內(nèi)場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)相較于單片機(jī)信息數(shù)據(jù)傳輸速度較快，且穩(wěn)定性較強(qiáng)，成本低廉，容易擴(kuò)展到小型農(nóng)業(yè)澆灌場(chǎng)所，具有良好的市場(chǎng)前景。一般情況下，嵌入式Linux室內(nèi)場(chǎng)所盆栽自動(dòng)澆灌系統(tǒng)主要由ARM主控平臺(tái)、協(xié)調(diào)器及多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。同時(shí)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)ο鄳?yīng)的盆栽花卉進(jìn)行精準(zhǔn)控制，并進(jìn)行相應(yīng)控制（自動(dòng)澆灌、溫度報(bào)警、繼電器控制等）。

3基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂PLC（可編程控制器），是一種集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)化控制裝置，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、編程編輯、結(jié)構(gòu)層次化等優(yōu)勢(shì)[9]，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)嵺`過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。當(dāng)前，水資源短缺問(wèn)題日漸嚴(yán)重，尤其是西北干旱半干旱地區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。目前，我國(guó)很多農(nóng)田灌溉水資源浪費(fèi)現(xiàn)象大量存在，尤其是在國(guó)家大力提倡高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的時(shí)代背景下，農(nóng)業(yè)高效節(jié)水被提升到戰(zhàn)略高度，因此，節(jié)水灌溉、科學(xué)灌溉具有非常重要的意義。本研究所闡述的基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的自動(dòng)化澆灌，系統(tǒng)主要采用西門(mén)子S7-200PLC或者日本OMRONc系列PLC作為控制，通過(guò)以太網(wǎng)（通信技術(shù)）將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏顯示，如溫度、濕度和液位值等。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并繪制出數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖。將數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)上機(jī)位或者下機(jī)位進(jìn)行控制，PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)澆灌。其中，PLC控制模塊主要分為模擬模塊及以太網(wǎng)模塊，濕度、溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH變送器主要監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，液位傳感器主要監(jiān)測(cè)灌水量的液位，搭配電磁閥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)澆灌，報(bào)警指示燈用于指示澆灌液位超限?；赑LC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)同樣也能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的自動(dòng)化澆灌。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)就是穩(wěn)定性較高，數(shù)據(jù)收集、整合及監(jiān)測(cè)能力較強(qiáng)，觸摸屏畫(huà)面及組態(tài)王界面顯示美觀，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便。

4基于ZigBee的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)作物種植管理過(guò)程中主要還是采取人工澆灌方式，比如水稻、小麥、玉米等作物，日常的長(zhǎng)勢(shì)情況主要是通過(guò)人工查驗(yàn)。因此，利用傳統(tǒng)方式獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息較為經(jīng)驗(yàn)化，獲取的數(shù)據(jù)信息不夠精準(zhǔn)，同時(shí)還需要耗費(fèi)大量的人力成本。長(zhǎng)此以往，勢(shì)必會(huì)因澆灌用水量無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制而導(dǎo)致大量水資源浪費(fèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)發(fā)展理念被提出，促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)逐漸向智能化、數(shù)據(jù)化、高效化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，以ZigBee技術(shù)模塊為代表的自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)逐漸在農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用?？v觀前人研究成果[10-11]，基于ZigBee的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由ZigBee通信技術(shù)控制模塊、系統(tǒng)主控芯片、GPRS模塊系統(tǒng)、液位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤水分傳感器及水泵等組成，最終實(shí)現(xiàn)一體化農(nóng)作物自動(dòng)澆灌?；赯igBee技術(shù)模塊的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)終端主要是采取不同功能傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中包括水溫、液位等數(shù)據(jù)信息。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)ZigBee技術(shù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、傳輸、交換及匯總，并最終傳輸給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能夠?qū)@取的數(shù)據(jù)再次反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)GPRS模塊將底層數(shù)據(jù)終端的各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到最近的基站，當(dāng)然這樣側(cè)重反映出該系統(tǒng)主要依靠通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化澆灌。在此基礎(chǔ)上，基站同樣會(huì)將數(shù)據(jù)反饋至上機(jī)位，用戶通過(guò)上機(jī)位能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行精準(zhǔn)化控制。此外，根據(jù)作物生長(zhǎng)規(guī)律，精準(zhǔn)控制農(nóng)作物不同生育期的灌水量，搭配自動(dòng)化控制水泵，這樣就解決了傳統(tǒng)的澆灌方式導(dǎo)致水利用率不高的問(wèn)題，從而提高了農(nóng)業(yè)用水的利用率。

5結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，受限于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方式，我國(guó)很多地區(qū)農(nóng)業(yè)種植還是依靠傳統(tǒng)的人工澆灌方式，造成嚴(yán)重的水肥資源浪費(fèi)。同時(shí)，農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育需要科學(xué)的澆灌技術(shù)作為保證，若僅僅依靠以往的種植經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行作物澆灌，無(wú)法做到精準(zhǔn)化控制灌溉量從而降低農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，將自動(dòng)化澆灌系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫在眉睫。課題組通過(guò)梳理目前我國(guó)較為先進(jìn)的幾種澆灌系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供一些技術(shù)參考。

作者:李志煌 陳樅 龔達(dá)濤 單位:羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校