物聯(lián)網(wǎng)與太陽(yáng)能發(fā)電在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅 凱,尹顯東

(電子科技大學(xué) 成都學(xué)院,成都 611731)

0 引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物,種植范圍廣泛[1],但在邊遠(yuǎn)地區(qū),由于市政供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對(duì)落后[2],電驅(qū)動(dòng)灌溉不能滿足水稻生長(zhǎng)狀態(tài)。同時(shí),邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)人口老齡化嚴(yán)重,青壯年勞力嚴(yán)重不足,無(wú)法應(yīng)對(duì)耗時(shí)費(fèi)力水稻灌溉勞動(dòng)[3]。同時(shí),在一些市政供電網(wǎng)絡(luò)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū),為了響應(yīng)政府節(jié)能減排號(hào)召,開始采用清潔能源進(jìn)行稻田灌溉[4]。太陽(yáng)能作為分布廣泛的清潔能源進(jìn)入人們的視線,目前光伏水泵提水已經(jīng)應(yīng)用于小規(guī)模灌溉當(dāng)中[5],但用于流量較大的灌溉系統(tǒng)較少,且只是在光照強(qiáng)的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行灌溉[6];另外,以往粗放的灌溉模式既不能保證土壤濕度一直處于水稻生長(zhǎng)的最佳范圍內(nèi),又造成了水資源的浪費(fèi)[7]。

為了解決邊遠(yuǎn)地區(qū)灌溉難的問(wèn)題,引入太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[8],依靠太陽(yáng)能進(jìn)行灌溉。為此,分析了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,建立太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)模型;為了使灌溉過(guò)程中土壤濕度保持在水稻最適宜生長(zhǎng)區(qū)間,引入傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和模糊控制分析系統(tǒng)。最后,對(duì)太陽(yáng)能灌溉系統(tǒng)模型和土壤濕度模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:模型預(yù)測(cè)精度較高,土壤濕度被控制在最適宜生長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)。

1 系統(tǒng)組成

智能灌溉系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板,將光能轉(zhuǎn)化為直流電能,一部分直接儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi),通過(guò)電量傳感器為控制系統(tǒng)供電;另一部分通過(guò)逆變器,轉(zhuǎn)化為交流電源[9],為灌溉系統(tǒng)水泵供電。水泵灌溉系統(tǒng)主要包括水泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)為稻田供水。物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)包括分布在稻田里的土壤濕度傳感器和電量傳感器[10]:土壤濕度傳感器檢測(cè)當(dāng)前土壤濕度及土壤濕度變化率,作為水泵模糊控制系統(tǒng)輸入量;電量傳感器檢測(cè)光伏供電系統(tǒng)蓄電池當(dāng)前電量,控制系統(tǒng)供電。控制系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和水泵模糊控制系統(tǒng):太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心為太陽(yáng)能水泵灌溉模型,計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻光照情況下水泵的排水量;水泵模糊控制系統(tǒng)保證土壤濕度處于水稻生長(zhǎng)最適濕度范圍內(nèi),輸入量為土壤濕度及土壤濕度變化率,輸出量為水泵開機(jī)時(shí)間。

2 太陽(yáng)能水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由太陽(yáng)能向水泵提水機(jī)械能的轉(zhuǎn)移,太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能,直流電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能,交流電作為水泵輸入能量,轉(zhuǎn)化為提升灌溉水源的機(jī)械能。首先,建立一天中光照強(qiáng)度模型;其次,分析水泵在非額定功率情況下的輸出功率和工作效率,實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)變;最后,推導(dǎo)出不同光照情況下水泵供水流量模型,實(shí)現(xiàn)光能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變。

2.1 日照分布函數(shù)模型

灌溉系統(tǒng)以太陽(yáng)能作為能源,因此太陽(yáng)輻射強(qiáng)度直接影響這個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。由于同一地區(qū)不同季節(jié)光照強(qiáng)度不同,5月份為水稻灌溉高峰期,且東北地區(qū)5月份太陽(yáng)輻射強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到全年最大值[11],因此以5月份太陽(yáng)輻射樣本進(jìn)行分析。

地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)作用[12]造成稻田日照強(qiáng)度隨時(shí)間變化,5月份實(shí)驗(yàn)田地區(qū)平均每個(gè)時(shí)刻太陽(yáng)照射強(qiáng)的變化關(guān)系如圖2所示。4:00日出,18:00日落,期間光照強(qiáng)度呈先變大后降低趨勢(shì)。在上午12:00左右,出現(xiàn)最大值Emax=902W/m2。現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)擬合,t時(shí)刻光照強(qiáng)度如式(1)所示。其中,T為全天日照時(shí)間,t為當(dāng)前時(shí)刻,擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。由圖2可知:試驗(yàn)田地區(qū)具有豐富的太陽(yáng)能資源,光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提供灌溉系統(tǒng)所需能量,實(shí)現(xiàn)光能向電能轉(zhuǎn)化。

(1)

圖2 5月份太陽(yáng)光強(qiáng)曲線

2.2 光伏發(fā)電能量轉(zhuǎn)化模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)完成從太陽(yáng)光輻射到水泵輸入之間的轉(zhuǎn)換:首先,通過(guò)太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為直流電能[13],直流電采用逆變器轉(zhuǎn)化為交流電,交流電作用水泵電機(jī)的輸入,最終水泵將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)能力轉(zhuǎn)移。太陽(yáng)能電池板輸出功率Ps為

Ps=ηsAsEt

(2)

其中,ηs為太陽(yáng)能電池板光電轉(zhuǎn)換效率,As為太陽(yáng)能電池板總面積,Et為t時(shí)刻光照強(qiáng)度。采用逆變器,將直流轉(zhuǎn)化為交流,逆變器效率為ηn,則水泵輸入功率Pr為

(3)

2.3 水泵工作模型

水泵實(shí)現(xiàn)輸入交流電能向排水機(jī)械能的轉(zhuǎn)變,如圖3(a)所示。其中,4:00-6:00區(qū)間內(nèi),水泵有輸入功率,輸入功率為0;6:00-8:00區(qū)間內(nèi),隨著水泵輸入功率的提升,水泵輸出功率開始增加;8:00-14:00區(qū)間內(nèi),水泵輸出功率保持不變,輸入功率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì);14:00-17:00區(qū)間內(nèi),水泵輸出功率隨輸入功率降低而下降;17:00-18:00區(qū)間內(nèi),水泵有輸入功率,輸出功率為0。效率曲線如圖3(b)所示。其中,4:00-5:00區(qū)間效率為0;5:00-8:00區(qū)間,效率上升到最高點(diǎn);8:00-14:00區(qū)間效率呈先減小后降低規(guī)律;14:00-17:00區(qū)間內(nèi),效率逐漸降低;17:00后,效率為0。

圖3 水泵工作效率

造成水泵效率變化的原因?yàn)樗么嬖趩?dòng)功率及額定功率[14]。當(dāng)輸入功率低于啟動(dòng)功率時(shí),水泵無(wú)法啟動(dòng);當(dāng)輸入功率大于啟動(dòng)功率小于額定功率時(shí),水泵效率會(huì)隨著輸入功率的增加而增加,效率也相應(yīng)增加;當(dāng)輸入功率大于額定功率時(shí),水泵輸出功率為額定功率輸出,不會(huì)改變,呈現(xiàn)出隨著輸入功率的增加水泵工作效率下降的現(xiàn)象,輸入功率最大值時(shí),效率為該區(qū)間最小值。當(dāng)輸入功率小于額定功率時(shí),水泵效率會(huì)隨之降低;當(dāng)輸入功率小于啟動(dòng)功率時(shí),水泵停止工作,輸出為0。由圖3可知:水泵啟動(dòng)功率為5kW,額定輸入功率為18kW。水泵工作效率與輸入功率相關(guān),現(xiàn)討論二者關(guān)系。

水泵存在啟動(dòng)功率和額定功率。將整個(gè)輸入功率曲線分為3部分,由于輸入功率低于啟動(dòng)功率時(shí),系統(tǒng)無(wú)輸出,因此討論輸入功率位于水泵啟動(dòng)功率和額定功率之間、輸入功率大于額定功率和輸入功率最大值兩區(qū)間內(nèi)效率問(wèn)題。效率與輸入功率關(guān)系如圖4所示。

六是最嚴(yán)格水資源管理制度逐步落實(shí)。出臺(tái)了最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法，建立環(huán)保、國(guó)土房管、水利等多部門聯(lián)席會(huì)議制度，市政府分解“三條紅線”控制指標(biāo)的文件，水利部印發(fā)全國(guó)。

圖4 效率與輸入功率關(guān)系

當(dāng)輸入功率位于水泵啟動(dòng)功率和額定功率之間時(shí),效率如圖4(a)所示。對(duì)其進(jìn)行線性擬合,線性決定系數(shù)R2=0.97,表明該模型具有較高線性相關(guān)性。在該區(qū)間內(nèi),水泵效率與輸入功率成線性關(guān)系,即

y=4.54x-17.386

(4)

輸入功率大于額定功率和輸入功率最大值之間時(shí),效率如圖4(b)所示。對(duì)其進(jìn)行2次擬合,則

y=-0.177x2+4.466x+36.878

(5)

相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96,表明在該區(qū)間內(nèi),水泵效率與輸入功率呈2次方關(guān)系。由此可得水泵效率ηp模型,如式(6)所示。其中,Pstart為啟動(dòng)功率,Pe為額定功率,Pr為水泵輸入實(shí)際功率。

(6)

2.4 灌溉流量模型

水泵將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,完成灌溉用水提取,期間效率為ηp,即水泵輸出功率Pc全部用于提水,則排水流量Q與水泵輸出功率Pc之間的關(guān)系為

(7)

其中,ρ為水密度(g/cm3),g為重力加速度(m/s2),H為提水高度(m)。

則灌溉用水流量Q與當(dāng)天最大太陽(yáng)光照強(qiáng)度之間的關(guān)系如式(8)所示。其中,Qe為水泵額定排水量。

(8)

3 模糊控制系統(tǒng)

采用模糊控制的方法對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制,通過(guò)調(diào)整水泵開機(jī)時(shí)間改變灌溉水量。不同生長(zhǎng)時(shí)期的水稻對(duì)應(yīng)的土壤濕度范圍及最適宜土壤濕度不同,因此系統(tǒng)輸入量為實(shí)際土壤濕度與最適土壤濕度的差值e和土壤濕度變化率de/dt,模糊系統(tǒng)輸出為水泵放水時(shí)間h。整個(gè)傳感器物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),為了保持土壤濕度一直處于最佳位置,會(huì)造成水泵一直處于開機(jī)狀態(tài),整個(gè)系統(tǒng)過(guò)于敏感,嚴(yán)重影響水泵使用壽命和系統(tǒng)效率。

因此,通過(guò)土壤濕度變化率de/dt計(jì)算當(dāng)前濕度到水稻最適濕度下限所需要時(shí)間t,隨后水泵供水系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài);經(jīng)歷t時(shí)段后,傳感器檢測(cè)當(dāng)前濕度,信號(hào)進(jìn)入灌溉模糊控制系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 模糊控制系統(tǒng)

系統(tǒng)輸入量為當(dāng)前土壤實(shí)際濕度和最適宜土壤濕度偏差E和土壤濕度變化率de/dt。已知5月份水稻需水量大,土壤濕度應(yīng)保存在70%～80%范圍內(nèi),因此土壤濕度偏差E區(qū)間為[-5%,5%],實(shí)測(cè)土壤濕度變化率de/dt區(qū)間為[-1%, 1%]。對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)輸入量設(shè)立7個(gè)中心值,分別為{PB, PM, PS, ZO, NS, NM, NB}。已知試驗(yàn)田面積為1 322m2,水泵額定出水量為130m3/h,土壤厚度為20cm,根據(jù)土壤調(diào)虧理論,土壤濕度變化范圍為[40%, 100%][15]。因此,水泵開機(jī)時(shí)間范圍為[0, 1.2h],設(shè)置5個(gè)中心值,分別為{ ZO, NS, NM, NB}。則模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

本系統(tǒng)分為兩大部分,即太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)。其中,太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為水泵供電,實(shí)現(xiàn)灌溉。系統(tǒng)模型考慮光能轉(zhuǎn)化為直流電能,然后通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能,最后通過(guò)水泵轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。考慮一天內(nèi)太陽(yáng)輻射變化及轉(zhuǎn)化過(guò)程中效率問(wèn)題,建立了一天中光照強(qiáng)度最大值和水泵出水量之間的關(guān)系模型。模糊控制系統(tǒng)的核心是保證土壤濕度位于最適宜土壤濕度和最適宜土壤濕度下限之間。

5月5日太陽(yáng)能灌溉模型檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。利用太陽(yáng)能灌溉模型式(8),計(jì)算一天內(nèi)不同時(shí)段系統(tǒng)排水量預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)系統(tǒng)排水量曲線,如圖6(a)所示。由圖6(a)可知:太陽(yáng)能輸入功率在水泵啟動(dòng)功率和額定功率之間時(shí)、太陽(yáng)能輸入功率大于額定功率時(shí),模型與實(shí)際值吻合程度較好,在8:00和14:00二者偏差最大。這是由于模型采用5月光照每天平均值作為建模樣本,由于太陽(yáng)公轉(zhuǎn)作用,在整個(gè)月中太陽(yáng)高度角是發(fā)生變化的,造成地面接收的太陽(yáng)輻射能力也會(huì)發(fā)生變化,因此在8:00太陽(yáng)能到達(dá)水泵額定功率時(shí)間向后推延,造成額定功率點(diǎn)預(yù)測(cè)值高于實(shí)際值。相對(duì)誤差曲線如圖6(b)所示。由圖6(b)可知:在6:00相對(duì)誤差較大。這是由于當(dāng)時(shí)天氣為多云狀態(tài),造成該點(diǎn)相對(duì)誤差較大。

灌溉系統(tǒng)濕度保持性能測(cè)試如圖7所示。其中,水稻最適宜土壤濕度為75%,如虛線所示;水稻最適宜土壤濕度下限如點(diǎn)畫線所示,為70%。隨著溫度與太陽(yáng)照射強(qiáng)度的升高,土壤濕度下降速度逐漸加快。其原因是土壤濕度流失主要包括植物蒸發(fā)蒸騰作用和土壤滲透作用,溫度升高促進(jìn)土壤滲透作用,而光照加強(qiáng)會(huì)加快植物蒸發(fā)蒸騰作用。12:30系統(tǒng)開機(jī),檢測(cè)到濕度達(dá)到最適溫度下限,水泵開機(jī),經(jīng)歷1h灌溉土壤濕度達(dá)到75%,此時(shí)水泵關(guān)機(jī),土壤濕度進(jìn)入下一輪消耗過(guò)程;整天時(shí)間內(nèi),土壤濕度始終位于70%～75%之間,模糊控制效果良好。

圖7 土壤濕度變化曲線

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保及自動(dòng)化控制,保證土壤濕度一直處于水稻最佳生長(zhǎng)區(qū)間,引入了太陽(yáng)能光伏技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器模糊控制技術(shù)。建立了5月中太陽(yáng)光強(qiáng)變化模型及水泵輸入輸出效率曲線,最終建立太陽(yáng)能灌溉模型,即太陽(yáng)能強(qiáng)度與排水量之間的關(guān)系。模糊控制系統(tǒng)輸入變量為當(dāng)前土壤濕度和水稻最適宜土壤濕度差值(即該差值的變化率),輸出為水泵開機(jī)時(shí)間,以確保土壤濕度適宜水稻生長(zhǎng)。采用5月5日對(duì)太陽(yáng)能灌溉模型進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:模型預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的相對(duì)誤差控制在14%以內(nèi);一天中土壤濕度一直處于最適宜土壤濕度和最適宜土壤濕度下限之間,滿足設(shè)計(jì)要求。