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小型自动浇灌系统设计探究

小型自动浇灌系统设计探究

摘要:随着信息化技术的不断更新迭代,很多的人工操作方式被自动化操作所取代,这不仅节约了人工成本,更让自动化能应用于实际生产中。以农业产业的高质量发展为例,浇灌技术逐渐成为农业提质增效的关键所在,采取高效的节水灌溉方式逐渐成为国民经济可持续发展的重要渠道。为此,课题组主要以农业为研究对象,从多重视角对目前小型自动浇灌系统设计进行梳理,即基于单片机的自动浇灌系统、嵌入式Linux室内场所盆栽自动浇灌系统、基于PLC的自动浇灌系统、基于ZigBee的自动浇灌系统的设计,旨在为此领域的研究提供一些技术上的支撑依据。

关键词:多技术;小型;自动浇灌系统;设计

目前,我国农业自动化浇灌系统主要由滴灌技术、水肥一体化技术、智能农业控制系统技术、专家系统技术及传感器技术等组成[1],但是在实际应用过程中普遍存在无法精准控制灌水量的问题。比如,滴灌系统浇灌时间长,很容易受区域地形因素的制约,安装成本高,智能化水平不高等;专家系统可以收集农作物生长、生理及土壤各方面指标数据[2],建立相对系统的农作物数据库,但是与具体生产实践的结合度不高;智能农业控制系统需要以计算机数据为核心建立复杂且庞大的数据系统,在规模化的农业生产模式中较为适用,但并不适用于小面积家庭型浇灌系统。近年来,市场上流通着一些常见的自动浇灌系统,如采取虹吸和渗透原理的浇灌器具[3],但在实践农业生产过程中无法综合考量农作物的需水规律。同时,还有很多自动化浇灌系统只能对作物进行整体性浇灌,无法实现独立单元的浇灌。因此,课题组立足于现状,积极整合诸多研究成果,对现在稳定性好、简易、廉价、具有无线方式和多点测量的装置进行系统梳理,旨在为相关研究提供一些有益思路。

1基于单片机的自动浇灌系统设计

现阶段,数据智能化的浇灌系统需要对外界环境因子进行动态性监测,并作出不同的反馈机制。土壤、肥料、气候、水分、光温热等外界因子,尤其是对土壤环境因子的响应程度非常重要,比如常见的温湿度信息数据。目前,国内外的自动浇灌系统大部分使用无线传感器和网络技术,通过信息化手段监测农作物不同生育阶段的生长、生理情况,但是市场上流通的自动化浇灌系统的价格极为昂贵,性价比不高。课题组结合自身实践经验及相关学者研究成果得出基于单片机技术的自动浇灌系统设计如下。基于单片机技术的自动浇灌系统主要由主电源模块、单片机控制系统、土壤温湿度监测与转化系统、按键控制系统、继电器控制水泵电路系统及报警电路系统等组成[4],可以在无人管理环境下实现自动化灌溉,并根据农作物生理、生长特征进行水分因子分析整合,在此基础上进行科学灌溉。系统一般使用STC89C52单片机、AT89C51单片机作为主要控制器,并通过按键控制系统实现浇灌系统的湿度标准,即湿度上限和湿度下限。使用土壤温湿度监测与转化系统并搭配不同的传感系统进行农作物温湿度信息数据的采集,若土壤的湿温度低于下限标准,系统会将数据及时反馈至单片机系统进行分析处理。当土壤湿度低于设定的下限值时报警电路系统会发出警报,控制水泵浇水;当土壤湿度达到设定的上限值就停止浇水,从而实现自动浇灌。总之,应用单片机技术所设计的自动浇灌系统,主要能够实现对土壤温度、湿度的动态监测,根据采集到的湿度值、温度值进行判断,进行实时监控和操作。系统运行稳定,具有结构简单、实用性高及价格低廉等优点,同时兼具节约用水的功能,便于应用推广[5]。

2嵌入式Linux室内场所盆栽自动浇灌系统设计

当前,为进一步改善室内环境或空气,比如大型办公楼、展览馆等,这些场所一般会布置大量的花卉盆栽,日常的灌溉及养护管理均需要人工完成。随着信息化技术的不断发展,目前很多室内场所采用盆栽自动浇灌系统。盆栽自动浇灌系统主要是借助土壤湿度传感器动态监测土壤湿度值,与预先设定的阈值进行对比,用输出高低电平控制继电器作为控制系统,对盆栽进行自动化控制。市场上流通的盆栽自动化浇灌系统主要配备了土壤湿度传感器,并能考虑到温度、光照、土壤养分、土壤pH值等,但无法实现室内盆栽的精准化养护管理。此外,大型场所盆栽自动浇灌系统主要搭载了无线传感器ZigBee组网,信息数据传输速度较低,且造价成本过高。为了从本质上改变这种现状,很多研究者对盆栽自动浇灌系统进行了优化,主要是采取NRF24L01射频模块或者SSM射频模块为核心控制系统[6-7],搭配嵌入式Linux大型场所盆栽自动浇灌系统,主要适用于一些室内场所盆栽环境因子采集,并实现自动化灌溉。原理与上述基于单片机的自动浇灌系统的设计原理相似,当湿度、温度、光照、土壤养分、土壤pH等数值低于设定阈值时,NRF24L01射频模块或者SSM射频模块会精准控制水泵进行浇灌[8]。在实践过程中,嵌入式Linux室内场所盆栽自动浇灌系统相较于单片机信息数据传输速度较快,且稳定性较强,成本低廉,容易扩展到小型农业浇灌场所,具有良好的市场前景。一般情况下,嵌入式Linux室内场所盆栽自动浇灌系统主要由ARM主控平台、协调器及多个节点组成。同时,每一个节点能够对相应的盆栽花卉进行精准控制,并进行相应控制(自动浇灌、温度报警、继电器控制等)。

3基于PLC的自动浇灌系统设计

所谓PLC(可编程控制器),是一种集自动化技术、计算机控制系统、通信技术为一体的新型自动化控制装置,具有稳定性强、可靠性高、适应环境能力强、编程编辑、结构层次化等优势[9],主要应用于农业、工业等领域实践过程中现场控制系统。当前,水资源短缺问题日渐严重,尤其是西北干旱半干旱地区,如何实现水资源的高效配置是当前研究的重点。目前,我国很多农田灌溉水资源浪费现象大量存在,尤其是在国家大力提倡高标准农田建设的时代背景下,农业高效节水被提升到战略高度,因此,节水灌溉、科学灌溉具有非常重要的意义。本研究所阐述的基于PLC的自动浇灌系统的设计可实现对农作物的自动化浇灌,系统主要采用西门子S7-200PLC或者日本OMRONc系列PLC作为控制,通过以太网(通信技术)将传感器采集到的数据传输给触摸屏显示,如温度、湿度和液位值等。与此同时,计算机软件系统进行数据分析,并绘制出数据变化趋势图。将数据与预先设定值进行对比,通过上机位或者下机位进行控制,PLC控制系统实现浇灌。其中,PLC控制模块主要分为模拟模块及以太网模块,湿度、温度、光照、土壤养分、土壤pH变送器主要监测对应的数据,液位传感器主要监测灌水量的液位,搭配电磁阀开关实现浇灌,报警指示灯用于指示浇灌液位超限。基于PLC的自动浇灌系统同样也能实现农作物的自动化浇灌。该系统的主要特点就是稳定性较高,数据收集、整合及监测能力较强,触摸屏画面及组态王界面显示美观,系统操作简便。

4基于ZigBee的自动浇灌系统设计

现阶段,我国农作物种植管理过程中主要还是采取人工浇灌方式,比如水稻、小麦、玉米等作物,日常的长势情况主要是通过人工查验。因此,利用传统方式获取农作物生长的相关数据信息较为经验化,获取的数据信息不够精准,同时还需要耗费大量的人力成本。长此以往,势必会因浇灌用水量无法实现精准化控制而导致大量水资源浪费。随着物联网技术的不断发展,精准化农业发展理念被提出,促进了现代农业的高质量发展,农业产业逐渐向智能化、数据化、高效化方向转型升级,以ZigBee技术模块为代表的自动化浇灌系统逐渐在农业中得到应用。纵观前人研究成果[10-11],基于ZigBee的自动浇灌系统的设计主要由ZigBee通信技术控制模块、系统主控芯片、GPRS模块系统、液位传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器及水泵等组成,最终实现一体化农作物自动浇灌。基于ZigBee技术模块的自动浇灌系统的底层数据终端主要是采取不同功能传感器的实时数据,其中包括水温、液位等数据信息。各个终端节点主要是通过ZigBee技术模块进行数据整合、传输、交换及汇总,并最终传输给协调器。网络协调器能够将获取的数据再次反馈至控制系统,控制系统会通过GPRS模块将底层数据终端的各传感器节点数据以无线方式发送到最近的基站,当然这样侧重反映出该系统主要依靠通信技术实现自动化浇灌。在此基础上,基站同样会将数据反馈至上机位,用户通过上机位能够实时动态监测农作物的各项数据,并进行精准化控制。此外,根据作物生长规律,精准控制农作物不同生育期的灌水量,搭配自动化控制水泵,这样就解决了传统的浇灌方式导致水利用率不高的问题,从而提高了农业用水的利用率。

5结语

现阶段,受限于传统的农业种植方式,我国很多地区农业种植还是依靠传统的人工浇灌方式,造成严重的水肥资源浪费。同时,农作物的生长发育需要科学的浇灌技术作为保证,若仅仅依靠以往的种植经验进行作物浇灌,无法做到精准化控制灌溉量从而降低农作物产量及品质。因此,将自动化浇灌系统应用于农业生产迫在眉睫。课题组通过梳理目前我国较为先进的几种浇灌系统,为农业高质量发展提供一些技术参考。

作者:李志煌 陈枞 龚达涛 单位:罗定职业技术学院 肇庆医学高等专科学校