基于太陽能的生態擋土墻自動灌溉系統研究

李秉晟，李就好，王 浩，袁以美，可欣榮

(1. 華南農業大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635；3. 華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642)

隨著當今社會對生態和環保要求的提高，常規的擋土墻難以滿足需求，生態擋土墻作為一種新型的擋土墻，既能保證受力，又具有生態、環保的特點，近年來在城市河涌改造等工程中得到了廣泛應用[1-6]，但由于受已有建筑物、城市道路等各種條件限制，一般河涌的岸墻比較陡直，為此開發了一種植綠裝配式擋土墻，不僅具有生態功能，也有助于落水者自救，如圖1所示[7]。

圖1 植綠型混凝土擋墻示意

從圖1可以看出，越靠近上部越植物越不易獲得水分。為了保證生態景觀，需要進行適當灌溉，即能根據土壤濕度進行自動灌溉。提水灌溉傳統上是用電帶動水泵抽水，需要拉電線到水源處，或者用柴油(汽油)發動機做動力，使用和維護成本很高。太陽能作為一種可再生綠色能源，國內一些學者進行了利用基于太陽能自動灌溉系統設計，如車保川[8]設計了一種基于單片機的低功耗太陽能灌溉系統，該系統采用單片機控制整個系統，利用變頻器可調節輸出功率，以降低功耗和提高系統的可靠性。束文強等[9]利用單片機作為控制器的核心，設計出一種可根據土壤溫濕度等參數的變化而進行自動灌溉且具有顯示功能的系統。李雙等[10]提出一種基于STM8S 單片機的太陽能抽蓄灌溉自動控制系統的設計方案。李淳楨等[11]設計了一種用于抽蓄灌溉的太陽能板電源電路，該電路通過改變各個開關的狀態可以實現蓄電池的充電和放電過程，可以根據充電和放電的需要使2塊蓄電池工作在串聯模式和并聯模式。傅秋艷等[12]對一種新型太陽能集水蓄水智能化微潤灌溉系統進行了適宜性試驗研究，以便能在維持土壤最適濕度的同時減少耗水量。邱林等[13]設計了農田智能化灌溉系統的太陽能供電電源功能模塊、太陽能智能化控制灌溉模塊及其子功能模塊，達到利用太陽能光伏技術實現智能化精準灌溉。李光林等[14]研制了基于太陽能的柑桔園自動灌溉與土壤含水率監測系統，試驗表明該系統能實現柑桔園區的自動灌溉與土壤含水率的自動監測。阮三桂等[15]設計了一套自動控水灌溉系統，應用該控水灌溉系統進行田間試驗。李文斌等[16]通過建立太陽能光伏提水試驗區進行研究蔗區太陽能輻射、發電量、提水量的月分配規律。劉柯楠等[17]以研發的太陽能驅動噴灌機組為平臺，通過對機組工作方式和行走驅動理論進行分析，構建了一種太陽能驅動噴灌機組動力需求與光伏功率匹配設計方法。

以上在利用太陽能作為灌溉動力研究方面做出了探索和實踐，為本研究提供有益的參考，但都是針農作物灌溉需求進行的，因此需要研究與生態擋墻相適應的自動灌溉系統。本文研發了一種基于太陽能的自動灌溉系統，自動監測土壤濕度，并根據土壤濕度，實現對植物的實時灌溉，以確保植物再各階段都處于良好的生長環境中。

1 灌溉控制系統優化

基于單片機的控制系統，在灌溉控制系統應用很廣，但要選擇即性能可靠又要成本合理的單片機，需要根據工程的要求組合考慮。本文研究的單片機控制的灌溉系統，主要對生態擋土墻的植被進行補充灌溉，因此一般水源較近，灌溉的頻率也較低，主要考慮系統運行的可靠性、穩定性。

1.1 單片機最小系統

本系統采用的Stm32F103CBT6，具有72 MHz的工作頻率，集成了存儲器、電源管理、模數轉換器、DMA、調式模式、計算單元和封裝等模塊，具有低功耗，并且芯片用途廣泛，已經普遍應用到電力電子系統等方面，其最小系統如圖2所示。

圖2 單片機電路示意

1.2 基于土壤水分的控制系統

工程中需要根據土壤水分控制灌溉，土壤水分通過傳感器采集。本研究采用了土壤溫濕度一體化數字傳感器RS-WS-N01-TR，該傳感器受土壤含鹽量影響較小，適用于各種土質，并且可長期埋入土壤中，耐長期電解，耐電腐蝕，抽真空灌封，完全防水。

為了與水分傳感器連接，研制了土壤水分傳感器與測控模塊的硬件連接電路。土壤溫濕度模塊采用RS485與測控模塊連接，最大可同時連接32路傳感器。其RS485連接轉換電路如圖3所示。

土壤濕度采集時，通過RS485讀取土壤濕度變送器輸出的土壤濕度，利用單片機單片機ADC功能對電池電壓進行數模轉換，當單片機控制引腳輸出高電平時，控制三極管導通，驅動水泵接觸器吸合，直流電機供電開始灌溉，當單片機控制引腳輸出低電平，水泵關閉。當電池電壓過低時，即是土壤濕度低于設計值需要灌溉，但仍禁止水泵開啟。

2 太陽能供電電源系統

2.1 蓄電池及容量選擇

為了保證系統在一年四季的氣候條件下都能維持系統正常工作，因此，在選擇太陽能儲蓄電池時，電池需要滿足放電性能好。同時作為太陽能電池板采集系統白天儲存采集的能量，電池供電系統將長期處于邊充電邊放電的工作狀態，故電池必須滿足浮充特性，具有良好的充電特性。表1中對幾種常見的蓄電池特點進行了對比，并舉例了他們各自的優點、缺點和用途。

表1 各種類蓄電池特點對比

在對各蓄電池綜合比較之后，考慮野外工作環境，最后選擇鉛酸蓄電池作為儲能電池。根據蓄電池通用規格設計實際選取容量為100 Ah，額定電壓12 V鉛酸蓄電池，較標稱多出6.15 Ah保證一些短時未計入核算負載。將蓄電池充滿電后輸出電壓為13.5 V，充滿放完全階段點發幅度為10.5～14.5 V。

2.2 太陽能電池板的選擇與計算

目前，晶體硅材料是市場上最重要的光伏材料，可分為單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池板。單晶硅電池板的光電轉換效率一般為16%，最大可達25%，是所有類型太陽能電池中光電轉換效率最高的，而且還采用鋼化玻璃和硅鋼防水樹脂封裝，堅固耐用。而多晶硅電池板的光電轉換效率則要低一些，一般在13%左右，使用壽命也要比單晶硅電池板短。綜合考量，采集系統設計采用單晶硅太陽電池板。

設系統總功耗為P，系統全天工作時長為t，則每天蓄電池耗電量應為：

(1)

式中W為每天的耗電量,W；P為系統總功耗,W；t為工作時長,h；為電路功耗損失系數。

年平均日照時數H可按式(2)計算：

(2)

其中Qm為當地年輻射總量,kcal/cm2，經過查閱氣象部門提供的數據，廣州地區一般取值120 kcal/cm2； ε是2℃、AM1.5光譜時的輻照度，取0.1 W/cm2；1.63為Wh與kcal單位轉化系數，Wh/kcal。

太陽能電池組件實際使用功率為：

(3)

式中W蓄電池的耗電量；H為年平均日照實數。

在實際工程中，一般太陽能電池板輸出充電電壓應該大于蓄電池的工作電壓25%左右比較合適，因此，衡量利弊，最后采用功率為100 W、空載充電電壓17.5 V、輸出電流5.71 A、尺寸1 200 mm×550 mm的單晶硅太陽能電板。為了滿足24 V直流水泵的供電需求，利用2個17.6 V/100 W太陽能板(帶充電控制器)和2個12 V/100 Ah鉛酸電池，組成太陽能供電模塊。為了保證充電和延長電池壽命，采用1個太陽能板、1個充電控制器、1個12 V電池為一組，進行獨立充電控制，電源功率輸出采用串聯方式輸出24 V， 24 V電壓接入單片機測控板，為水泵提供功率電源。

太陽能板輸出電流通過充電控制器對12 V鉛酸蓄電池進行充電，充電控制器不斷檢測蓄電池的工作狀態，決定鉛酸蓄電池的充電電流，防止鉛酸蓄電池過充，單片機同時在不斷檢測鉛酸蓄電池的兩端電壓，當電池電壓過低時，水泵不能工作，產生報警信息，防止鉛酸蓄電池過放損壞。

3 系統的總體集成

在理論研究的基礎上，制作了生態擋墻自動灌溉系統，該系統由2個17.6 V/100 W太陽能板(帶充電控制器)和2個12 V/100 Ah鉛酸電池，組成太陽能供電模塊，其構成原理簡圖如圖4所示。按照圖1的形式用塑料板制作了生態擋墻模型模型如圖5所示。

圖4 系統組成示意

圖5 自動控制灌溉系統試驗平臺示意

本自動灌溉系統采用可再生綠色能源——太陽能為動力，以Stm32F103CBT6單片機為控制核心，根據作物生產需求以設定的土壤濕度，利用RS-WS-N01-TR土壤濕度傳感器接收生態擋土墻的土壤濕度信息，做到按需、適時灌溉，可節約水資源與電力資源的目的，降低人工灌溉成本。

4 結論與討論

1) 將基于太陽能的自動灌溉系統與生態擋土墻相結合，實現了生態擋土墻的自動灌溉。

2) 可根據不同植物設定土壤濕度灌溉指標，以滿足絕大多數植物在不同時期的需水要求，給各類植物提供良好的生長環境。

3) 實驗室運行1 a來，性能穩定、可靠。

本應用實現了將太陽能自動灌溉系統應用于生態擋土墻中，減少了水資源與電力資源的浪費，對降低工人勞動強度有著非常實際的意義，但還缺少實際應用，其性能有待在工程應用中進一步驗證。