一種新型農林節水噴灌系統

南華大學 胡海洋 蔡 涵 趙德龍 唐女智 彭志浪 曾 倩

水資源可持續利用是我國經濟社會發展的戰略問題，解決這一問題的核心是提高用水資源的利用率，這就需要把節水放在突出位置。傳統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。很多珍貴植物和農作物由于沒有得不到及時適量的水分而產量大減，因此我們設計了一種高效節能的自動控制智能噴灌系統。本項目以節水、珍惜園林植物的精確灌溉為目的，設計一種基于BP神經網絡算法的噴灌系統。該系統主要由自動控制系統、數據分析系統、后臺監視系統組成。

收集土壤濕度傳感器實時測量各個子區域的土壤溫濕度數據，通過無線傳輸技術傳輸到PC端后采用BP神經網絡算法對采集到的數據進行分析，得出噴灌時間發送至stm32單片機進而調控光伏供電系統的水泵、主閥門和噴水管路區域閥門的啟閉實現精確灌溉。

該系統的創新和技術關鍵在于采用無線傳輸技術，建立網絡進行數據傳輸；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統，建立BP神經網絡算法預測噴淋時間，實現節水節電；結合軟件硬件實現智能化自動控制。

為實現農業現代化，提高灌溉水平，增強淡水資源利用率，設計節水灌溉系統以及推廣十分重要，本設計把提高灌溉水利用率和作物水分生產效率作為研究重點，將作物水分生理調控機制與作物高效用水技術緊密結合，提出調虧灌溉，分根區交替灌溉等技術，以此來達到節水增產作用。

此外，水資源可持續利用是我國經濟社會發展的戰略問題，核心是提高用水的利用效率，把節水放在突出位置。傳統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。很多珍貴植物和農作物由于沒有得不到及時適量的水分而產量大減。因此我們設計了一種節水節能的智能化自動控制噴灌系統，并建立模型優化設計噴灌系統方案。該系統的應用能夠降低勞動者工作強度，克服根據人的經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，實現對農作物灌溉的科學調控和管理。

1 系統設計與實現

1.1 基本思路設計

本設計為一款基于BP神經網絡的自動灌溉系統，本項目以節水、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境信息，同時利用stm32控制器收集濕度數據，收集完成后通過esp8266上傳至PC端。將收集到的數據，輸入到MATLAB中利用神經網絡算法進行濕度預測，預測最佳噴灌開始時間，預測完成后，將數據發送回stm32控制器，最終由stm32控制器完成對土地的灌溉。

系統的總體設計框架如圖1所示。本系統按照功能基本分為數據采集部分和數據分析、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化。同時電源電路依據實際情況可進行多種轉化，提供給各模塊電路使用。

圖1 整體電路控制系統圖

1.2 電器控制設計方案

1.2.1 控制器介紹

控制器選用stm32單片機。在本系統中stm32起到了至關重要的作用，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據分析部分的連結的重要樞紐。

在數據傳輸過程中，stm32控制器完成濕度傳感器的數據采集工作，同時將數據上傳致云端。在噴灌系統的控制過程中，stm32控制器完成對噴灌系統的開關。

控制系統最小系統電路如圖2所示小，成本更加低廉，同時引腳數目可以滿足使用。

圖2 電路控制圖

1.2.2 噴灌電路

噴灌系統主要由多路繼電器，多路電磁閥，以及管網系統三部分組成，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，設置多路繼電器控制多路電磁閥，這種設計旨在為缺水的區域進行專門的灌溉，從而大大的節約水源。

1.2.3 濕度無線傳輸系統

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

圖3 溫濕度無線傳輸系統圖

在需要鋪設節水噴灌系統的場地里面，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中的Zigbee，如此設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能的思路可以設置太陽能供電裝置。

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 系統設計模型

在實際情況中我們會根據基本設計路線，首先完成管網和噴頭等硬件的設計，再進行系統的調試和實測檢驗。在設計過程中，我們根據對土壤傳感器傳出的土壤溫濕度等數據進行分析，并建立BP神經網絡模型進行接下來的實驗以進一步優化設計和模型。如圖4所示。

圖4 管網及其他結構模型

2 理論設計計算

數據分析：

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域植被所需要的最佳土壤濕度值；在系統工作后，將采集的土壤濕度數據與該區域植被所需最佳土壤濕度值進行對比并計算差值，同時結合土壤溫濕度計傳輸的溫度值，考慮溫度對土壤水分蒸發情況，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速度；3）一條管線上有多個噴頭，途徑多個傳感器，但所設置的電磁閥個數占少數。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神經網絡對各個傳感器采集的數據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據分析，得出下周要噴灑的傳感器區域以及閥門開關時間（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閉閥門，達到對區域的噴灌處理。數據處理與分析整體框圖如圖5所示。

圖5 數據處理與分析整體框圖

3 可行性分析

傳統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，很多珍貴植物和農作物由于沒有得不到及時適量的水分而產量大減。

本設計的智能噴灌產品較之傳統灌溉技術，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域進行噴灌。采用ZigBee組網技術實現數據的無線傳輸，BP神經網絡算法對采集到的數據進行分析，得出各節點的噴灌時間；stm32單片機實現自動調控。節水節電的同時實現智能化自動控制，節約人力物力。ZigBee無線通信技術具有低功耗、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，通過為裝置有ZigBee的設備配備兩節5號電池可持續運行超過6個月。其無線電波覆蓋半徑達100m、傳輸速度可達54Mbps，符合大量數據傳輸到網絡云端的需求。

4 創新點及應用

該系統的創新和技術關鍵在于采用Zigbee組網技術，建立星型網絡進行數據傳輸；供水管網的優化設計；stm32單片機自動控制。太陽能裝置輔助供電系統，建立BP神經網絡算法預測噴淋時間，實現節水節電；結合軟件硬件實現智能化自動控制。