基于物聯網的智能光伏水泵灌溉系統

張晨瀅 楊薇 嚴德廣 薛洋 曹辰旸

[摘要]基于物聯網技術，結合光伏水泵及微灌技術，開發出一種智能手機APP客戶端，實現人們對農田土壤的遠程監控。土壤傳感器將收集的土壤水分、溫度、微量元素、PH值等參數，反饋到手機APP的數據庫中，通過智能計算，以操作APP實現對農田的智能灌溉，從而提高作物的生長和提高產量，并減少對水資源的浪費。整個系統使用的電能均來自太陽能，實現了清潔、智能、高效灌溉，可解決我國西部部分地區農業灌溉缺水問題。

[關鍵詞]物聯網；太陽能電池；光伏水泵；微灌

[中圖分類號]S27 [文獻標識碼]A

目前世界各國都是在大量消耗化石資源為代價的基礎上實現經濟的飛速發展，這導致了全球自然資源短缺、生態環境惡化、水資源污染嚴重等問題。解決上述問題需要我們人類發展利用各種綠色能源，例如太陽能就是其中應用得比較好的一類綠色能源，人類利用逆變器將太陽能轉變為電能，解決西藏、內蒙、青海等缺電地區的用電問題。而基于物聯網的智能光伏水泵灌溉系統利用了現代先進的科學技術，將灌溉系統智能化，實現無人灌溉、節能灌溉、智能灌溉。

1 系統的組成與工作原理

基于物聯網的智能光伏水泵灌溉系統主要三大部分組成，分別是光伏水泵模塊、營養灌溉模塊、物聯網模塊。光伏水泵模塊由追日式太陽能電池板、蓄電池、逆變系統、三相異步電機、專用水泵、水塔構成；營養灌溉模塊由營養池、水塔、混合池、灌溉網絡、土壤數據采集模塊構成；物聯網模塊由土壤數據、控制中樞、終端控制開關、云端服務器、移動客戶端構成。系統在正常運行時，追日式太陽能電池板對太陽能進行收集，將其轉化為電能，一部分儲存于蓄電池中，一部分通過逆變系統直接對水泵供電，水泵將水抽進具有一定高度的水塔中。土壤數據采集模塊通過不同的傳感器對土壤的各種理化性質進行檢測與分析，并將數據傳送至控制中樞。控制中樞對數據進行簡單地整理和處理后，通過無線傳輸模塊傳輸到云端服務器（如圖1所示）。云端服務器根據對不同節水灌溉條件、氣候條件下主要農作物品種的需水指標和需水量建立估算模型，同時以農業模型庫、方法庫為支撐，對所收集和存儲的數據進行分析，處理成具有實際意義的物理量并將處理結果儲存到相關數據庫中，形成符合本地實際的決策模型。云端服務器通過建立的決策模型對收集到的數據進行分析處理，得出作物的精確灌溉時間、最佳灌水量以及土壤所需營養等，然后再生成各種與之對應的處理方式，展現在pc端或者移動端于工作人員，然后工作人員選擇相應的處理方式后，又通過云端將數據傳輸到控制中樞。控制中樞再將數據傳給終端控制開關，終端控制開關對可編程的邏輯控制器和執行電磁閥進行控制，然后對土地實施灌溉。數據采集模塊，控制中樞，各種終端控制開關由蓄電池來供電。

2 系統設計

2.1 光伏水泵模塊設計

供電系統（如圖2）的電能來源于追日式太陽能電池板，將電池板置于采光集中的地點，使其能更好的利用太陽能，得到的太陽能一部分儲存于蓄電池中，蓄電池中的電能可以在夜間為整套系統供電，其中包括對控制中樞當中的各種計算與處理系統，各種終端控制開關。夜間供電能使系統全天工作，保障對農田的灌溉與管理。得到的另一部分電能通過逆變系統將直流電轉化為交流電供三相異步電動機使用。而三相異步電動機又為水泵提供動力，將地下水提升至水塔中，水塔具有一定的高度，因而水塔中的水具有一定的重力勢能，能為后面與營養液的混合提供一部分能量。

2.2 營養灌溉模塊設計

營養灌溉模塊中的營養池中分為許多獨立的空間用于存放不同農作物所需的營養物質，如氮肥、磷肥、鉀肥等。每一個空間設置一個終端控制開關，能夠根據人為來實現精確控制，能夠根據植物的需要進行灌溉。混合池用于混合水塔中的水與營養池中的營養物質，混合池中可安裝小型攪拌機來使其混合均勻供農田灌溉。混合均勻后的灌溉用水利用管道傳輸至農田，傳輸的管道在農田中形成網狀結構，在每個結點處安裝微噴灌裝置，盡可能使農田得到全方位的灌溉。管道的材料應根據營養的成分來確定，避免損害管道。土壤采集模塊包括許多不同的傳感器，如土壤水分傳感器、土壤濕度計、土壤墑情儀，能對土壤的多種數據進行測量，包括溫度、濕度、pH值以及各種營養物質的含量等，將得到的數據傳輸至控制中樞，來實現對農田的有效灌溉。

2.3 物聯網模塊設計

物聯網模塊是由控制中樞、云端服務器、移動客戶端、終端控制開關四部分組成的。首先，土壤傳感器采集土壤的各方面信息，如濕度、CO2濃度、溫度、PH值、微量元素含量等，土壤傳感器定時將收集到的信息發送給控制中樞，控制中樞將一段時間內接受到的多種信息進行打包處理，發送給云端服務器。云端服務器工作人員處理分析接收到的數據，通過計算得到最優的灌溉方案（包括灌溉的水量、土壤所缺元素、土壤酸堿平衡等），最終將最優方案信息發送給移動客戶端，實現農田的主人通過手機APP獲取其農田的最新情況，并根據APP操作實現對農田的無人智能灌溉。農田主人選擇云端服務器發送過來的最優方案后，控制中樞將接受該信息，并通過控制對應所需營養池的某種養料池開關與水塔的開關，兩種液體在混合池中進行混合，得到做適合當前農田所需的灌溉液，然后啟動噴灌電池閥將灌溉液以微噴灌的方式噴灑在農田中，實現較智能的科學無人灌溉。

3 該系統的經濟價值和應用前景

1kW光伏水泵提水系統與柴油機提水系統進行經濟性對比（見表1、表2）。

光伏水泵的前期投入大，但節省了后期的人工成本，且節約了未來提水所需要的電，運行成本低。該系統安全、操作簡單，可實現無人值守灌溉，對于人居分散、交通不便以及地表水缺乏的西部地區來說，是十分重要的。西部地區本身地處內陸，日照時間長，可以將太陽能轉換為電能實現提水灌溉，這給西部地區的農業和經濟發展提供了保障。該系統可以廣泛的應用于西部地區，實現智能、經濟、清潔、科學的農業灌溉。

4 結語

總的來說，該系統廣泛適用于日照充足的缺水地區。對于西部地區來說，利用該系統可以更好地對地下水資源進行開發和利用，并利用了充足的太陽能，減少了化石燃料的燃燒，實現清潔能源的使用。通過物聯網的方式，可不用現場了解土壤的情況，通過遠程操作就能實現科學灌溉，增加作物產量，節省勞動力。西部某些地區太陽能資源豐富，年日照時間在2000h以上，年總輻射量在1510kWh/m?以上，因此太陽能水泵可為人畜飲水和提水灌溉提供可靠的能源保障，從而成為經濟發展的根本保障。但該系統也具有一定的缺點，前期投入太大，許多農戶承擔不起這筆費用，這就需要科研人員繼續研究改進，降低光伏水泵的價格，實現系統在西部地區能夠真正普及應用。

[參考文獻]

[1] 李智輝.光伏灌溉系統經濟性分析[J].經營管理者，2013（15）：164.

[2] 湯飛，洪再生，叢安琪.基于光伏技術的都市農業發展[J].江西社會科學，2014（04）：66-69.

[3] 王東偉.自動跟蹤式太陽能光伏水泵設計及性能預測[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[4] 羅紅英，崔遠來，陳堅，等.光伏提水技術在西藏的推廣前景[J].中國農學通報，2011（11）：276-280.