新型光伏微電腦自灌溉系統的研究

李 睿，黃麗灣，胡 蕾，徐弼軍

(浙江科技學院 理學院，杭州 310023）

新型光伏微電腦自灌溉系統的研究

李 睿，黃麗灣，胡 蕾，徐弼軍

(浙江科技學院 理學院，杭州 310023）

新型光伏微電腦自灌溉系統裝置主要運用太陽能、傳感技術和微電腦控制等先進技術，在不需市電和布埋線的條件下，實現微功耗的水閥開啟和關閉，并能自動感應土壤的干濕，根據不同季節、不同植物生長周期的需要進行自動節水灌溉。通過該技術的推廣，實現了以太陽能作為動力的自動節水灌溉，既節省了勞力，又克服了定時澆灌的盲目性，具有很好的節能減排效應和生態環境保護效益。

智能控制系統；自灌溉系統；太陽能；微電腦

中國是農業大國，百姓安居樂業離不開農業，而農業離不開灌溉業。中國的現狀是人多地少，水資源相對緊缺，農業要發展一定要先發展灌溉業。人類要轉變向大自然無節制索取的思想行為，樹立人與自然的和諧共處，實現社會的可持續發展的觀念［1］。因此，人們必須重視采取新的節水灌溉措施，以支持經濟社會的持續發展。目前國內外的節水灌溉方法主要有3種形式：噴灌，微灌(滴灌、微噴灌、小管出流灌和滲灌），以及行走式節水灌溉［2］。在這些灌溉方法中，大都需人工來開關水閥，或者通過定時方法來控制，前者易造成澆水不及時而旱壞植物，后者易澆水過多造成水資源的大量浪費。對于經濟作物，國外采用了微機控制的溫室種作方法，雖然自動化程度較高，但設備成本昂貴，且需要提供大量的電力，一般只用于經濟作物。針對中國國情，研究運用太陽能、傳感技術和微電腦控制等先進技術組成的高效先進和低成本的節水灌溉器，已迫在眉睫，非常有實施的必要性［3］。

1 系統的裝置及功能

1.1 系統裝置

新型光伏微電腦自灌溉系統的裝置包括太陽能電池、太陽能控制器、蓄電池、采集卡、2個液位傳感器、2個濕度傳感器、1個電磁閥、1個水泵、1臺PC機。實物如圖1、圖2所示，由上述裝備搭建的實物基本可以實現光伏微電腦自灌溉功能。

1.2 裝置功能

這些裝置的功能分別如下：太陽能電池是利用光電材料吸收光能后發生的光電子轉移反應而進行工作的，它主要收集太陽能再轉換為電能給蓄電池充電，并且能夠為蓄電池提供過充、過放保護［4-5］；采集卡通過AD轉換對電池電壓進行采樣，呈現于PC機上，與土壤濕度標準值進行比較；濕度傳感器進行土壤濕度和電壓信號之間的轉換；在水塔中裝有2個水位傳感器，它們將水位值轉變成電平信號，并將系統的各種狀態呈現于PC機上；PC機將電池電壓、土壤濕度、系統工作狀態、太陽能控制器工作狀態呈現在界面上，并能夠起到控制的作用。

圖1 系統實物圖Fig.1 Physical map

圖2 太陽能控制器Fig.2 Solar controller

該系統可以自動檢測土壤的濕度，并可以根據作物不同的生長期對水分不同的要求提供相應的水分，在一定程度上減少了作物對人的依賴，降低了生產成本，并且提高了生產效率［6］。其裝置的簡化示意圖如圖3所示。

圖3 裝置簡化示意圖Fig.3 Device schematic diagram

2 系統運作原理

裝置使用時只需把干濕探測電極插入深度適當的土壤中，采集卡通過AD轉換將土壤濕度呈現于PC機上。PC機上可以根據植物不同時期、不同生長周期所需的水量值進行一定的預設，當土壤濕度低于預設的標準值時，采集卡就會控制電磁閥的開啟，實現灌溉；當土壤濕度值等于或大于標準值時，采集卡控制電磁閥關閉，停止灌溉，從而達到了對植物生長的全自動控制澆灌。裝置主要完成對土壤和大氣濕度的檢測及灌溉控制。

其工作具體流程如圖4所示：給定一個初始值，在一定時間對電池電壓進行采樣，呈現于PC機上，當電池電壓低于設定值時，提醒使用外接電池，確保系統正常運行。水位傳感器將水位高度轉換為電平信號，當水位低于下水位傳感器時，傳感器上的電平信號發生變化，將電平信號輸入到采集卡，然后控制水泵開啟，給水塔注水，直到水位高于上水位傳感器；上水位傳感器電平發生變化，電平信號輸入到采集卡，控制水泵關閉。然后再進行土壤濕度的檢測，與土壤濕度標準值進行比較，當土壤濕度低于標準值時，采集卡控制電磁閥開啟，實現灌溉；當土壤濕度值等于或大于標準值時，采集卡控制電磁閥關閉，停止灌溉。圖5是以這個流程為基礎設計出的一個監控軟件運行時的截面圖，軟件上具有可視化的操作畫面。

圖4 系統工作流程圖Fig.4 system work flow chart

3 系統的實驗與效果

整個光伏微電腦自灌溉系統通過軟件進行控制(圖5），當系統運行時，可以從監控軟件畫面上觀察系統當前的工作狀態。當選擇自動模式時，可以實現自動對蓄電池充電、對蓄水池抽水，通過傳感器對土壤的干濕度進行實時監控；當低于設定的數值時，即可實現自動灌溉，這樣比較方便用戶對灌溉的管理。對于一些特殊的情況，可以選擇手動模式，對裝置進行特殊的操作，如只灌溉或只蓄水。經過軟件模擬測試和多次戶外的實驗，顯示該控制軟件功能實用簡明，可視化界面友好，系統裝置易于操作，具有很好的實用性，軟件灌溉效果良好。

圖5 裝置運行的監控軟件畫面截圖Fig.5 Screen screenshots of devices running monitoring software

4 結 語

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發展前景非常廣闊。與傳統的灌溉方式相比，該研究裝置利用新型能源―――太陽能，采用自動控制技術，實現了先進的微灌節水灌溉技術，既節約了水資源又減少了電能的消耗，而且還達到了增產的目的。該裝置的系統操作性強，具有現代節水灌溉技術的優勢，可以廣泛應用于農業灌溉，前景十分可觀。

［1］ 劉濤，林汝謀，金紅光.能源利用與環境領域的基礎研究［J］.中國科學基金，2003，17(1）：32-35.

［2］ 逄煥成.我國節水灌溉技術現狀與發展趨勢分析［J］.中國土壤與肥料，2006，43(5）：1-6.

［3］ 陳黎敏.傳感器技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2009：53-80.

［4］ 郭浩，丁麗，劉向陽.太陽能電池的研究現狀及發展趨勢［J］.許昌學院學報，2006，25(2）：38-41.

［5］ 張寶劍，高國紅.雙蹤太陽能光伏發電系統研究［J］.安徽農業科學，2010，38(3）：1446-1447.

［6］ 朱海龍，吳開華，趙偉杰.模糊控制在太陽能自動灌溉系統中的應用［J］.機電工程，2012，29(11）：1310-1313.

Research of automatic irrigation system by new tyPe Photovoltaic microcomPuter

LI Rui，HUANG Liwan，HU Lei，XU Bijun
(School of Sciences，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China）

This system device mainly use the solar energy，advanced sensor technology and microcomputer control technology to implement opening and closing of micro power consumption water valve in conditions without embedded wire mains and cloth，and can proceed automatic water-saving irrigation by automatic induction of dry and wet soil，according to the needs of different seasons，different plant growth cycles.Promotion of this technology can realize automatic water-saving irrigation powered by the sun to save labor and overcome the blindness of regular watering，which has the very good effect for energy conservation and emissions reduction and ecological environment protection benefit.

intelligent control system；irrigation system；solar energy；microcomputer

TP273.5；S275

A

1671-8798(2014）05-0349-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.05.006

2014-07-03

浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2013C31103）；浙江省教育廳科研計劃項目(Y201120062）；浙江省大學生科技創新活動計劃(新苗人才計劃）(2013R415034）

李 睿(1992― ），男，山西省運城人，2010級應用物理學專業本科生。

徐弼軍，高級工程師，碩士，主要從事光電傳感技術研究。