一種新型農(nóng)林節(jié)水噴灌系統(tǒng)

南華大學 胡海洋 蔡 涵 趙德龍 唐女智 彭志浪 曾 倩

水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，解決這一問題的核心是提高用水資源的利用率，這就需要把節(jié)水放在突出位置。傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高。很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減，因此我們設(shè)計了一種高效節(jié)能的自動控制智能噴灌系統(tǒng)。本項目以節(jié)水、珍惜園林植物的精確灌溉為目的，設(shè)計一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法的噴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、后臺監(jiān)視系統(tǒng)組成。

收集土壤濕度傳感器實時測量各個子區(qū)域的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)絇C端后采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得出噴灌時間發(fā)送至stm32單片機進而調(diào)控光伏供電系統(tǒng)的水泵、主閥門和噴水管路區(qū)域閥門的啟閉實現(xiàn)精確灌溉。

該系統(tǒng)的創(chuàng)新和技術(shù)關(guān)鍵在于采用無線傳輸技術(shù)，建立網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統(tǒng)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法預測噴淋時間，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)電；結(jié)合軟件硬件實現(xiàn)智能化自動控制。

為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高灌溉水平，增強淡水資源利用率，設(shè)計節(jié)水灌溉系統(tǒng)以及推廣十分重要，本設(shè)計把提高灌溉水利用率和作物水分生產(chǎn)效率作為研究重點，將作物水分生理調(diào)控機制與作物高效用水技術(shù)緊密結(jié)合，提出調(diào)虧灌溉，分根區(qū)交替灌溉等技術(shù)，以此來達到節(jié)水增產(chǎn)作用。

此外，水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，核心是提高用水的利用效率，把節(jié)水放在突出位置。傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高。很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減。因此我們設(shè)計了一種節(jié)水節(jié)能的智能化自動控制噴灌系統(tǒng)，并建立模型優(yōu)化設(shè)計噴灌系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)的應用能夠降低勞動者工作強度，克服根據(jù)人的經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉水量的弊端，大大提高水資源的利用率，實現(xiàn)對農(nóng)作物灌溉的科學調(diào)控和管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 基本思路設(shè)計

本設(shè)計為一款基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自動灌溉系統(tǒng)，本項目以節(jié)水、珍惜園林植物的精確灌溉為目的。為了自動對土地進行灌溉，通過無線濕度傳感器檢測收集環(huán)境信息，同時利用stm32控制器收集濕度數(shù)據(jù)，收集完成后通過esp8266上傳至PC端。將收集到的數(shù)據(jù)，輸入到MATLAB中利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行濕度預測，預測最佳噴灌開始時間，預測完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送回stm32控制器，最終由stm32控制器完成對土地的灌溉。

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。本系統(tǒng)按照功能基本分為數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)分析、控制三部分。控制器選用STM32單片機處理器，用于匯總采集到的信息并上傳致云端的功能。電源電路將電壓進行轉(zhuǎn)化。同時電源電路依據(jù)實際情況可進行多種轉(zhuǎn)化，提供給各模塊電路使用。

圖1 整體電路控制系統(tǒng)圖

1.2 電器控制設(shè)計方案

1.2.1 控制器介紹

控制器選用stm32單片機。在本系統(tǒng)中stm32起到了至關(guān)重要的作用，一方面stm32控制器需要完成噴灌模塊的控制工作，另一方面其又是與數(shù)據(jù)分析部分的連結(jié)的重要樞紐。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，stm32控制器完成濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集工作，同時將數(shù)據(jù)上傳致云端。在噴灌系統(tǒng)的控制過程中，stm32控制器完成對噴灌系統(tǒng)的開關(guān)。

控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路如圖2所示小，成本更加低廉，同時引腳數(shù)目可以滿足使用。

圖2 電路控制圖

1.2.2 噴灌電路

噴灌系統(tǒng)主要由多路繼電器，多路電磁閥，以及管網(wǎng)系統(tǒng)三部分組成，電磁閥，繼電器由電源直接進行供電。

采用stm32控器控制繼電器，進而控制電磁閥開合的控制思路，這大大減輕了控制電路的壓力。繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（電流/電壓）的變化達到規(guī)定要求時。在噴灌電路中，電磁閥所需要的外接電壓要比stm32控制器所能輸出的電壓高出許多，且stm32無法負載功率較大的用電器。因此，在噴灌電路中我們引入繼電器來控制電磁閥，以達成用stm32小電流去控制電磁閥所需要的“大電流”。stm32控制器可以直接輸出高低電平進行對繼電器的控制，進而達到控制閥門的目的。同時，設(shè)置多路繼電器控制多路電磁閥，這種設(shè)計旨在為缺水的區(qū)域進行專門的灌溉，從而大大的節(jié)約水源。

1.2.3 濕度無線傳輸系統(tǒng)

溫濕度的無線傳輸，主要利用了Zigbee的組網(wǎng)及信息傳遞功能。根據(jù)這一特性，使用外圍Zigbee收集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)匯總到一個Zigbee，最后完成將數(shù)據(jù)進行處理。如圖3所示。

圖3 溫濕度無線傳輸系統(tǒng)圖

在需要鋪設(shè)節(jié)水噴灌系統(tǒng)的場地里面，進行排布，每一個Zigbee相當于是一個溫濕度傳感器，并每隔一定時間將濕度傳遞給控制系統(tǒng)中的Zigbee，如此設(shè)計既完成了溫濕度傳感器的布放，又解決了實時濕度的傳遞的問題。

1.3 電源電路

整體電路設(shè)計所需電壓不超過12V，因此電源電路可采取多種方式進行供電。可以完全滿足實際情況的若出于節(jié)能的思路可以設(shè)置太陽能供電裝置。

若出于簡便方向考慮，也可采用將220v交流電處理之后進行供電。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計模型

在實際情況中我們會根據(jù)基本設(shè)計路線，首先完成管網(wǎng)和噴頭等硬件的設(shè)計，再進行系統(tǒng)的調(diào)試和實測檢驗。在設(shè)計過程中，我們根據(jù)對土壤傳感器傳出的土壤溫濕度等數(shù)據(jù)進行分析，并建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行接下來的實驗以進一步優(yōu)化設(shè)計和模型。如圖4所示。

圖4 管網(wǎng)及其他結(jié)構(gòu)模型

2 理論設(shè)計計算

數(shù)據(jù)分析：

在確定管線、電磁閥、噴頭和濕度傳感器的位置后，記錄每個傳感器所在區(qū)域植被所需要的最佳土壤濕度值；在系統(tǒng)工作后，將采集的土壤濕度數(shù)據(jù)與該區(qū)域植被所需最佳土壤濕度值進行對比并計算差值，同時結(jié)合土壤溫濕度計傳輸?shù)臏囟戎担紤]溫度對土壤水分蒸發(fā)情況，對電磁閥的啟閉時間和噴頭噴淋的時間進行計算。影響噴頭噴淋時間的因素有：1）噴頭噴淋過程需要一定的時間；2）溫度變化對土壤中水分的蒸發(fā)速度；3）一條管線上有多個噴頭，途徑多個傳感器，但所設(shè)置的電磁閥個數(shù)占少數(shù)。每個傳感器采集的土壤濕度與最佳土壤濕度值的差距不一致等。

這里我們采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行預處理并建立預測模型，該預測模型可以較為準確地估算出下一周各個傳感器周圍的土壤溫濕度。這樣我們可以提前進行數(shù)據(jù)分析，得出下周要噴灑的傳感器區(qū)域以及閥門開關(guān)時間（這里我們要知道閥門開啟一分鐘能流出的水量），在下周的某兩個時間點自動定時開啟閥門和關(guān)閉閥門，達到對區(qū)域的噴灌處理。數(shù)據(jù)處理與分析整體框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理與分析整體框圖

3 可行性分析

傳統(tǒng)的灌溉方式不僅耗費人力、對作物沒有進行及時的水分補充，而且對水資源的利用效率并不高，很多珍貴植物和農(nóng)作物由于沒有得不到及時適量的水分而產(chǎn)量大減。

本設(shè)計的智能噴灌產(chǎn)品較之傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，采用太陽能裝置進行供電，對植物所需水分進行精確分析并自動分區(qū)域進行噴灌。采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，得出各節(jié)點的噴灌時間；stm32單片機實現(xiàn)自動調(diào)控。節(jié)水節(jié)電的同時實現(xiàn)智能化自動控制，節(jié)約人力物力。ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、低復雜度等特色。其能源消耗顯著低于其他無線通信技術(shù)，通過為裝置有ZigBee的設(shè)備配備兩節(jié)5號電池可持續(xù)運行超過6個月。其無線電波覆蓋半徑達100m、傳輸速度可達54Mbps，符合大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡云端的需求。

4 創(chuàng)新點及應用

該系統(tǒng)的創(chuàng)新和技術(shù)關(guān)鍵在于采用Zigbee組網(wǎng)技術(shù)，建立星型網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸；供水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統(tǒng)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法預測噴淋時間，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)電；結(jié)合軟件硬件實現(xiàn)智能化自動控制。