新型農業節水灌溉控制系統

鄒德旺

摘 要：在當前水資源緊缺和科技新農村如火如荼發展的情況下，農業水資源的合理利用和灌溉技術的有效提高是一個亟待解決的問題，也是一個長期受到各界關注的一個問題。文章采用了自主創新設計的節水灌溉裝置和監測設備，通過WIFI模塊進行傳輸，實現了一套行之有效的節水灌溉聯動控制系統。

關鍵詞：節水灌溉技術；數據監測；WIFI模塊

中圖分類號：S275 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0124-02

Abstract： With the shortage of water resources and the rapid development of the new countryside's science and technology， the rational utilization of agricultural water resources and the effective improvement of irrigation technology are urgent problems to be solved， which are also problems that have been concerned about by all circles for a long time. In this paper， an effective water-saving irrigation linkage control system is realized by adopting the water-saving irrigation device and monitoring equipment designed independently and innovatively， and transmitting through the WIFI module.

Keywords： water-saving irrigation technology； data monitoring； WIFI module

引言

我國國土面積廣大，地勢情況復雜，但是由于我國人口眾多，各類資源人均占有量相當少。全國每年水資源缺少量達到400億立方米，尤其在農業灌溉方面，缺水量達到300億立方米。目前，正值我國經濟快速發展的關鍵時期，環境問題不應成為我國快速發展的絆腳石。在我國，水資源浪費和不合理使用的情況非常普遍，相關品配套設施發展也不夠完善，在農業方面，灌溉技術的長久得不到進步和發展，使得水資源大量的被浪費與不合理的使用，人民的生命財產也相應的受到了很大的傷害。針對這樣的情況，更新節水灌溉的技術、合理調配灌溉的策略、制定科學的水利工程建設計劃等是勢在必行的，這些措施既能夠節約用水，發展符合新時代要求的新型農業，也能夠提高農民的收入水平。

在農業的水資源灌溉中，首先出現的問題就是水資源的短缺問題，這來自于多個方面。由于我國正在發展成為世界第一大工廠，工業的迅猛發展在帶來好處與經濟優勢的同時也造成了水資源的極大污染，各地區水質的惡化局面越來越嚴重。工業的排污現象越愈加嚴重使得本就缺乏的水資源進一步減少，這也是工業對于水資源污染的主要的污染源之一，全國每年排放污水量達到335億立方米。隨著人民生活水平與生活質量的日益提高，人民生活節奏的逐步加快；生活污水的排放也使得水資源浪費愈加的嚴重，很多鄉鎮居民區并沒有相應的污水治理措施，直接排放河流等水流域，造成了污染水源的逐步擴散，污染面積越來越大。另外，對于農業灌溉當中，化肥藥物等亂用的現象造成的水源、土壤、植被等被污染的情況愈加嚴重，當前來說，對于農業灌溉中水資源的有效利用和控制成為一個亟待解決的問題。

本文在以上農業節水灌溉的基本情況之下，并在對土壤進行研究與監測的基礎上進行了節水灌溉控制系統的研究與設計，并在農作物生長期間對其進行一定時間間隔的監測，從而形成一套自動控制的聯動系統。

1 系統設計

1.1 系統組成

本系統設計主要包括了硬件系統和軟件系統兩個部分，通信網絡環境主要采用了智能WIFI模塊。硬件控制系統主要包括了兩個部分，一個是灌溉控制器部分，另一個是地面數據采集整理部分。灌溉控制器的作用是接受地面土壤數據的采集，進行整合處理，其內部的專家診斷環節是基于一套強大的智能診斷系統，診斷后下達指令，是否進行相關的灌溉操作；另外一個數據采集部分是采集了關于土壤的和水分的的信息之后傳輸到灌溉控制器。系統的整體框圖如下圖1。

1.2 系統整體工作過程

中央控制計算機定時向數據監測系統和灌溉控制系統發送信號，此處信號的傳輸通過特定的WIFI通信模塊。數據監測系統收到信號以后通過CAN總線聯系下行的各個土壤水分傳感器實時在線地收集關于土壤和水分的相關信息，此處的信息主要有土壤的含水率數據，收集之后傳感器再通過CAN總線數據整合并返回到數據監測系統。監測系統將數據整合處理傳送至灌溉控制系統并且同時傳回中央處理器進行存儲備份。灌溉控制器部分收到數據以后也通過CAN總線對下行的各個閥門控制器進行控制通斷，即進行節水灌溉。在灌溉指定時間之后，土壤水分傳感器再次監測土壤中的含水率，達到指定的要求之后即傳輸信號給灌溉控制器停止灌溉，周而復始，這就構成了一個閉環控制的自動灌溉系統。

1.3 數據監測系統設計

數據監測系統是整個節水灌溉系統的重要的一個環節，其搜集到的數據要傳輸到灌溉控制器和中處理器當中。本系統設計的數據處理器在每一塊農田當中都需要進行安置。由于農田環境的復雜性，在數據監測系統鋪設時每一塊農田都安裝一套數據采集系統，每個采集系統當中都需要安裝一塊太陽能電池板進行供電，確保每一個采集系統模塊都能夠獨立的運作。每一個數據采集系統包括太陽能電池板、蓄電池、數據采集控制器、短信模塊以及多個土壤水分傳感器。太陽能電池板的功率均設置為20W；數據采系統的核心采用STM32單片機。數據監測系統的結構框圖如下圖2所示。endprint

1.4 系統自動灌溉控制系統軟件設計

本設計中的系統自動灌溉控制軟件部分采用簡潔的C語言編程，也是基于C語言編制了操作界面。軟件中設置了短信收發時間、數據的監測時間、土壤水分傳感器的校正公式等。軟件部分主要連接系統的兩大主要部分，就是數據監測系統和灌溉控制系統，對兩大系統進行實時的監測與控制。

1.5 灌溉自動控制

中央處理控制器的另外一個重要的功能是生成一個每日的節水灌溉計劃，下發至灌溉控制器和數據監測控制器執行。節水灌溉計劃會定期進行修正，由于每一次的土壤監測數據都會上傳至中央控制器，所以在土壤含水率比較高的時候，灌溉計劃會自動地將灌溉頻率降低，將灌溉時間減少。在土壤的含水率較低的時候，會自動校正灌溉計劃，將灌溉的時間加長，將灌溉的頻率提高，以確保灌溉的合理性和科學性。

2 試驗驗證

針對設計的灌溉控制系統進行了實時的試驗驗證。實地劃取了400m2的農田，該片農田主要種植糧食作物和花卉植物，在內部安置了至少4個數據采集控制系統。其中每一個數據監測控制系統的土壤水分傳感器都掩埋在同樣的深度，太陽能電池板均放置在一定的高度和一定的角度，保證變量的一致性。

在試驗中，整個系統的控制目標是在人為干預的情況下和在沒有人為干預的情況下均能穩定的維持作物生長，而不出現作物死亡、土壤干涸以及農田水量過多的現象。通過試驗表明，整個系統在自動調節并運行或者在有人為干預的情況下，都能運行正常。作物灌溉頻率合適，灌溉水量能自動根據土壤的含水量進行調整，農田當中的作物和花卉等植物都正常生長，土壤的含水量能保持在8%-26%之間，基本穩定在了預先設定值的附近，比較合理。

3 結束語

現今社會的發展正在以前所未有的速度實現現代化，農業現代化的腳步更加大步邁進。在我國當前的水資源緊缺的情況下，實現農業節水灌溉是一項重要的工程。農業的節水灌溉既解決了水資源匱乏的問題，又能保證農民生命財產的安全。本文基于以上的現實情況設計了一套農業自動控制節水灌溉系統，實現了從農田數據自動監測與采集到灌溉自動控制的全自動化運行，減少了人為工作。本文將該系統實際運用于農田中，進行了試驗，得出的結果和預期一致能夠有效地進行自動化控制并實現精準地灌溉。

本系統設計作為農業自動化設計的一個環節，為以后的農業的自動化發展提供了一個良好的建議和參考，對農作物節水灌溉策略是一個很重要的建議。

參考文獻：

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