分布式灌溉系統的研究與設計

李青鋒 黃慶 葉永志

摘?要：旨在從作物生長所需水分、養分差異入手，介紹分布式灌溉系統在水資源和作物養分上的有效利用。分布式灌溉系統采用主從容器設計思路，由傳感器收集到的數據傳輸給STC89C52控制芯片進行數據處理，控制LCD1602和步進電機工作，若達到預設值時，自動打開主從容器閥門進行水肥一體化灌溉。

關鍵詞：主從容器;分布式灌溉系統;水肥一體化

中圖分類號：S126?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.008

0?引言

眾所周知，農業是國民的重要支柱之一，推動著我國的經濟發展，是我國經濟基礎的一大來源。農業灌溉工程中，高效的節水灌溉是當今農業發展的重要難題。我國耕地資源與水資源錯位分布及北糧南運的糧食生產格局，加劇了農業用水總量短缺態勢，也使水減糧增問題更加凸顯。農業灌溉工程在我國特別是農村地區的經濟建設當中起到了推動作用，有效解決了農業用水及周邊居民的用水難題。目前，大多采用的是微噴灌或者大型機械化的灌溉技術，達不到理想精準灌溉的標準。有效、科學的農業灌溉需要一種可靠的新型灌溉技術來獲得更加精準的灌溉、施肥。

1?分布式灌溉系統研究

1.1?分布式灌溉系統概況

分布式灌溉系統基于物聯網技術等挖掘農業大數據，與傳統及現有滴灌技術對比，管道鋪設做了改進，加上了主從容器，形成分布式水肥一體化滴灌。因為有了主從容器，所以在精準施肥上得到改善，增加了產量。通過平臺利用大數據分析農作物當前生長狀況，直觀地展現給相關人員。由于灌溉分布及器件選用更合理，屬于目前流行的滴灌技術。所以對于現有灌溉技術而言，能夠更加靈活適應不同地區的節水施肥效應，與傳統灌溉工程作比較，現代灌溉工程表現出省時省力，趨于智能化發展。

假如有3種不同的作物，傳統方法是分開種植，現在因為有了主從容器，一塊土地就可以實現3種作物同時種植（如圖1）。可以劃分為3塊區域，每一塊區域（可大可小，完全取決于從容器管理的范圍及鋪設的管道長短）種植同一種作物，這一區域的從容器里裝有該區域作物所需的專用肥料，以實現精準施肥。主容器是與水庫直接相連的，但因為自然水種礦物質較多，所以主容器具有凈化功能。至此，每個區域要實現水肥一體化，主容器提供水分，該區域從容器按照設備自動注入一定肥料至管道，最后通過滴灌送給作物。

1.2?分布式灌溉系統研究

1.2.1?所處環境

經濟環境：我國灌溉面積廣闊，由此帶來巨大經濟財富。技術環境：當前我國的灌溉技術一般可分為畦灌、溝灌、噴灌、滴管、滲灌、微噴灌等方式，這些灌溉方式中，都在追求如何節水，而就我國目前所有的技術而言，為我們提供了很大的便利和啟發。政策環境：改革開放以來，國家開始高度重視三農問題。隨著經濟的不斷發展，水資源和土地流失問題也成為了一大困擾中國乃至世界的歷史大問題。

1.2.2?研究性

比較現在的灌溉模式，滴灌的應用是未來的發展趨勢，但仔細分析發現滴灌技術并不是能適應所有的地區。能解決同一地區種植不同的作物，同時又能高產，是分布式灌溉技術的出發點。按照分布式網絡的構思，采用主從容器設計，作物需水是共有的，由主容器承擔;不同作物之間所需的養分往往不同，所以需要多個從容器承擔，由此想到一種分布式的灌溉系統。 由STC89C52作為控制芯片是考慮成本問題，STC89C52作為低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8 kB系統可編程Flash存儲器，32個I/O口。在大多數嵌入式設備提供了靈活、高效的運作方案。

2?分布式灌溉系統設計

2.1?硬件設計

該系統硬件設計部分由傳感器模塊、ZigBee無線傳輸模塊、通信模塊、電源模塊、外部控制按鍵、步進電機模塊、數據顯示模塊等組成（如圖2）。控制模塊由STC89C52芯片及其最小系統電路組成，數據顯示模塊由LCD1602構成，芯片之間采用ZigBee通信，運用GPRS通信將采集的數據上傳至平臺，采用28BYJ-48型號步進電機控制閥門，傳感器模塊由溫濕度傳感器、養分傳感器和ADC轉換XPT2046芯片完成。

在分布式灌溉系統中，硬件設計電路均安裝在由主從容器構成的智能控水施肥裝置中。STC89C52控制LCD1602顯示器初始化，由傳感器采集到的數據經過AD轉換后，在LCD1602顯示器上顯示，并由STC89C52控制芯片判斷是否需要控制步進電機開啟閥門運輸水分和養分。若達到預設作物水分或養分需求量，則主從容器打開閥門通過管道實現水肥一體化灌溉。各控制芯片之間由I2C通信傳輸數據，傳感器采集到的數據會通過GPRS無線傳輸至網頁平臺。該分布式灌溉系統硬件部分利用主從容器的分布特點，采集分析數據，為每個區域農作物做出精準的反饋。

2.2?軟件設計

分布式灌溉系統采用軟硬件結合方法，相比于現在的灌溉系統而言，更加人性化，智能化。將傳感器采集的數據上傳到網頁平臺，在網頁平臺上顯示各區域農作物生長狀況，可以直觀的了解農作物從種植到成熟的整個過程。網頁平臺設計有以下幾個部分（如圖3）。

（1）數據采集。運用關系型數據庫MySQL來進行簡單的查詢和處理工作。（2）數據導入和預處理。將來自前端收集存儲的數據導入分布式庫和分布式存儲集群，并且可以在導入基礎上做一些簡單的清洗和預處理工作。（3）數據的統計和分析。利用Hadoop大數據生態圈進行統計與分析，或者分布式計算集群來對存儲于其內的海量數據進行普通的分析和分類匯總等。（4）數據挖掘。在現有采集和處理后的數據上面進行基于農作物生長條件的算法的計算，從而起到預測農作物生長及調控對農作物營養的效果，從而實現科學、高效的農業生產的需求。（5）數據可視化。通過一定的技術方法，利用圖形、圖像處理、計算機視覺以及用戶界面，通過表達、建模以及對立體、表面、屬性以及動畫的顯示，對農業數據加以可視化解釋，讓用戶直觀的明白預測結果。

3?分布式灌溉系統應用價值

3.1?市場空間

分布式灌溉系統屬于農業灌溉系統的一員。農業灌溉系統的適用范圍較廣，幾乎適用于所有的旱作物。農業灌溉系統不僅可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的成本。在實施農業節水灌溉工程后，極大的改善了傳統農業灌溉以經驗為依據、親臨現場、人工操作的生產形式，解決了人工灌溉管理面積小、耗時長、成本高、水資源利用率低、浪費嚴重的現狀。

3.2?發展前景

分布式灌溉系統仍采用滴灌技術，滴灌是迄今為止農田灌溉最節水的灌溉技術之一。在滴灌技術上，采取這種特殊的主從容器布局方式，更加靈活，可以滿足不同作物生長所需物質。系統可以輸入多種作物生長的需水需肥模型，根據作物種類的不同生長時期的水肥規律和特點，通過對各傳感器的數據分析，科學合理的安排灌溉施肥計劃，并結合先進的灌溉控制系統，達到精確控制灌水量、施肥量和水肥施用時間的目的，實現電腦端的遠程自動化控制。

3.3?需求分析

我國土地面積廣闊、自然環境復雜、各地區農業生產水平差距較大，因此推廣灌溉技術的一個重要原則就是因地制宜。我國的灌溉技術多應用于山地丘陵地區和干旱地區。以貴州為例，貴州山地較多，往往不同作物不能種植在一起，這浪費了大量的土地資源，采用分布式灌溉系統可以解決這一難題。該灌溉方法不僅可實現多種作物同時耕種，而且布局更加精細，施肥更加精準，從而達到高效高產的目的。最后通過網頁平臺，將農產品售出。

由于政府大力扶持農業產業，所以從農業灌溉的未來發展角度來看，分布式灌溉系統具有適應能力強、節水效果明顯、施肥精準等特點，實現農業可持續發展。

4?結語

目前，農業灌溉技術發展政策引導不夠以及地理位置的不可調控等因素，制約了其灌溉技術的發展。但發展新一代灌溉技術是傳統以及現有灌溉技術的一個轉型，是適應當今社會的發展需求。筆者探討了分布式灌溉系統，從設計上來看，采用主從容器設計，可以靈活適應不同作物種植在一塊區域。同時，如何能夠貼近老百姓，是現代灌溉技術需要考慮的一個問題，系統設計的網頁平臺能夠實時關注作物生長及其銷售，具有一定的實用性。

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