小型自動澆灌系統(tǒng)設計探究
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摘要：隨著信息化技術的不斷更新迭代，很多的人工操作方式被自動化操作所取代，這不僅節(jié)約了人工成本，更讓自動化能應用于實際生產(chǎn)中。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展為例，澆灌技術逐漸成為農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效的關鍵所在，采取高效的節(jié)水灌溉方式逐漸成為國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要渠道。為此，課題組主要以農(nóng)業(yè)為研究對象，從多重視角對目前小型自動澆灌系統(tǒng)設計進行梳理，即基于單片機的自動澆灌系統(tǒng)、嵌入式Linux室內(nèi)場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)、基于PLC的自動澆灌系統(tǒng)、基于ZigBee的自動澆灌系統(tǒng)的設計，旨在為此領域的研究提供一些技術上的支撐依據(jù)。
關鍵詞：多技術；小型；自動澆灌系統(tǒng)；設計
目前，我國農(nóng)業(yè)自動化澆灌系統(tǒng)主要由滴灌技術、水肥一體化技術、智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)技術、專家系統(tǒng)技術及傳感器技術等組成[1]，但是在實際應用過程中普遍存在無法精準控制灌水量的問題。比如，滴灌系統(tǒng)澆灌時間長，很容易受區(qū)域地形因素的制約，安裝成本高，智能化水平不高等；專家系統(tǒng)可以收集農(nóng)作物生長、生理及土壤各方面指標數(shù)據(jù)[2]，建立相對系統(tǒng)的農(nóng)作物數(shù)據(jù)庫，但是與具體生產(chǎn)實踐的結合度不高；智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)需要以計算機數(shù)據(jù)為核心建立復雜且龐大的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在規(guī)模化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式中較為適用，但并不適用于小面積家庭型澆灌系統(tǒng)。近年來，市場上流通著一些常見的自動澆灌系統(tǒng)，如采取虹吸和滲透原理的澆灌器具[3]，但在實踐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中無法綜合考量農(nóng)作物的需水規(guī)律。同時，還有很多自動化澆灌系統(tǒng)只能對作物進行整體性澆灌，無法實現(xiàn)獨立單元的澆灌。因此，課題組立足于現(xiàn)狀，積極整合諸多研究成果，對現(xiàn)在穩(wěn)定性好、簡易、廉價、具有無線方式和多點測量的裝置進行系統(tǒng)梳理，旨在為相關研究提供一些有益思路。
1基于單片機的自動澆灌系統(tǒng)設計
現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)智能化的澆灌系統(tǒng)需要對外界環(huán)境因子進行動態(tài)性監(jiān)測，并作出不同的反饋機制。土壤、肥料、氣候、水分、光溫熱等外界因子，尤其是對土壤環(huán)境因子的響應程度非常重要，比如常見的溫濕度信息數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外的自動澆灌系統(tǒng)大部分使用無線傳感器和網(wǎng)絡技術，通過信息化手段監(jiān)測農(nóng)作物不同生育階段的生長、生理情況，但是市場上流通的自動化澆灌系統(tǒng)的價格極為昂貴，性價比不高。課題組結合自身實踐經(jīng)驗及相關學者研究成果得出基于單片機技術的自動澆灌系統(tǒng)設計如下?；趩纹瑱C技術的自動澆灌系統(tǒng)主要由主電源模塊、單片機控制系統(tǒng)、土壤溫濕度監(jiān)測與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、按鍵控制系統(tǒng)、繼電器控制水泵電路系統(tǒng)及報警電路系統(tǒng)等組成[4]，可以在無人管理環(huán)境下實現(xiàn)自動化灌溉，并根據(jù)農(nóng)作物生理、生長特征進行水分因子分析整合，在此基礎上進行科學灌溉。系統(tǒng)一般使用STC89C52單片機、AT89C51單片機作為主要控制器，并通過按鍵控制系統(tǒng)實現(xiàn)澆灌系統(tǒng)的濕度標準，即濕度上限和濕度下限。使用土壤溫濕度監(jiān)測與轉(zhuǎn)化系統(tǒng)并搭配不同的傳感系統(tǒng)進行農(nóng)作物溫濕度信息數(shù)據(jù)的采集，若土壤的濕溫度低于下限標準，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)及時反饋至單片機系統(tǒng)進行分析處理。當土壤濕度低于設定的下限值時報警電路系統(tǒng)會發(fā)出警報，控制水泵澆水；當土壤濕度達到設定的上限值就停止?jié)菜?，從而實現(xiàn)自動澆灌?？傊?，應用單片機技術所設計的自動澆灌系統(tǒng)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤溫度、濕度的動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)采集到的濕度值、溫度值進行判斷，進行實時監(jiān)控和操作。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有結構簡單、實用性高及價格低廉等優(yōu)點，同時兼具節(jié)約用水的功能，便于應用推廣[5]。
2嵌入式Linux室內(nèi)場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)設計
當前，為進一步改善室內(nèi)環(huán)境或空氣，比如大型辦公樓、展覽館等，這些場所一般會布置大量的花卉盆栽，日常的灌溉及養(yǎng)護管理均需要人工完成。隨著信息化技術的不斷發(fā)展，目前很多室內(nèi)場所采用盆栽自動澆灌系統(tǒng)。盆栽自動澆灌系統(tǒng)主要是借助土壤濕度傳感器動態(tài)監(jiān)測土壤濕度值，與預先設定的閾值進行對比，用輸出高低電平控制繼電器作為控制系統(tǒng)，對盆栽進行自動化控制。市場上流通的盆栽自動化澆灌系統(tǒng)主要配備了土壤濕度傳感器，并能考慮到溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH值等，但無法實現(xiàn)室內(nèi)盆栽的精準化養(yǎng)護管理。此外，大型場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)主要搭載了無線傳感器ZigBee組網(wǎng)，信息數(shù)據(jù)傳輸速度較低，且造價成本過高。為了從本質(zhì)上改變這種現(xiàn)狀，很多研究者對盆栽自動澆灌系統(tǒng)進行了優(yōu)化，主要是采取NRF24L01射頻模塊或者SSM射頻模塊為核心控制系統(tǒng)[6-7]，搭配嵌入式Linux大型場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)，主要適用于一些室內(nèi)場所盆栽環(huán)境因子采集，并實現(xiàn)自動化灌溉。原理與上述基于單片機的自動澆灌系統(tǒng)的設計原理相似，當濕度、溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH等數(shù)值低于設定閾值時，NRF24L01射頻模塊或者SSM射頻模塊會精準控制水泵進行澆灌[8]。在實踐過程中，嵌入式Linux室內(nèi)場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)相較于單片機信息數(shù)據(jù)傳輸速度較快，且穩(wěn)定性較強，成本低廉，容易擴展到小型農(nóng)業(yè)澆灌場所，具有良好的市場前景。一般情況下，嵌入式Linux室內(nèi)場所盆栽自動澆灌系統(tǒng)主要由ARM主控平臺、協(xié)調(diào)器及多個節(jié)點組成。同時，每一個節(jié)點能夠?qū)ο鄳呐柙曰ɑ苓M行精準控制，并進行相應控制（自動澆灌、溫度報警、繼電器控制等）。
3基于PLC的自動澆灌系統(tǒng)設計
所謂PLC（可編程控制器），是一種集自動化技術、計算機控制系統(tǒng)、通信技術為一體的新型自動化控制裝置，具有穩(wěn)定性強、可靠性高、適應環(huán)境能力強、編程編輯、結構層次化等優(yōu)勢[9]，主要應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領域?qū)嵺`過程中現(xiàn)場控制系統(tǒng)。當前，水資源短缺問題日漸嚴重，尤其是西北干旱半干旱地區(qū)，如何實現(xiàn)水資源的高效配置是當前研究的重點。目前，我國很多農(nóng)田灌溉水資源浪費現(xiàn)象大量存在，尤其是在國家大力提倡高標準農(nóng)田建設的時代背景下，農(nóng)業(yè)高效節(jié)水被提升到戰(zhàn)略高度，因此，節(jié)水灌溉、科學灌溉具有非常重要的意義。本研究所闡述的基于PLC的自動澆灌系統(tǒng)的設計可實現(xiàn)對農(nóng)作物的自動化澆灌，系統(tǒng)主要采用西門子S7-200PLC或者日本OMRONc系列PLC作為控制，通過以太網(wǎng)（通信技術）將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏顯示，如溫度、濕度和液位值等。與此同時，計算機軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，并繪制出數(shù)據(jù)變化趨勢圖。將數(shù)據(jù)與預先設定值進行對比，通過上機位或者下機位進行控制，PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)澆灌。其中，PLC控制模塊主要分為模擬模塊及以太網(wǎng)模塊，濕度、溫度、光照、土壤養(yǎng)分、土壤pH變送器主要監(jiān)測對應的數(shù)據(jù)，液位傳感器主要監(jiān)測灌水量的液位，搭配電磁閥開關實現(xiàn)澆灌，報警指示燈用于指示澆灌液位超限?；赑LC的自動澆灌系統(tǒng)同樣也能實現(xiàn)農(nóng)作物的自動化澆灌。該系統(tǒng)的主要特點就是穩(wěn)定性較高，數(shù)據(jù)收集、整合及監(jiān)測能力較強，觸摸屏畫面及組態(tài)王界面顯示美觀，系統(tǒng)操作簡便。
4基于ZigBee的自動澆灌系統(tǒng)設計
現(xiàn)階段，我國農(nóng)作物種植管理過程中主要還是采取人工澆灌方式，比如水稻、小麥、玉米等作物，日常的長勢情況主要是通過人工查驗。因此，利用傳統(tǒng)方式獲取農(nóng)作物生長的相關數(shù)據(jù)信息較為經(jīng)驗化，獲取的數(shù)據(jù)信息不夠精準，同時還需要耗費大量的人力成本。長此以往，勢必會因澆灌用水量無法實現(xiàn)精準化控制而導致大量水資源浪費。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，精準化農(nóng)業(yè)發(fā)展理念被提出，促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)逐漸向智能化、數(shù)據(jù)化、高效化方向轉(zhuǎn)型升級，以ZigBee技術模塊為代表的自動化澆灌系統(tǒng)逐漸在農(nóng)業(yè)中得到應用?？v觀前人研究成果[10-11]，基于ZigBee的自動澆灌系統(tǒng)的設計主要由ZigBee通信技術控制模塊、系統(tǒng)主控芯片、GPRS模塊系統(tǒng)、液位傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤水分傳感器及水泵等組成，最終實現(xiàn)一體化農(nóng)作物自動澆灌?；赯igBee技術模塊的自動澆灌系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)終端主要是采取不同功能傳感器的實時數(shù)據(jù)，其中包括水溫、液位等數(shù)據(jù)信息。各個終端節(jié)點主要是通過ZigBee技術模塊進行數(shù)據(jù)整合、傳輸、交換及匯總，并最終傳輸給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器能夠?qū)@取的數(shù)據(jù)再次反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會通過GPRS模塊將底層數(shù)據(jù)終端的各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到最近的基站，當然這樣側重反映出該系統(tǒng)主要依靠通信技術實現(xiàn)自動化澆灌。在此基礎上，基站同樣會將數(shù)據(jù)反饋至上機位，用戶通過上機位能夠?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物的各項數(shù)據(jù)，并進行精準化控制。此外，根據(jù)作物生長規(guī)律，精準控制農(nóng)作物不同生育期的灌水量，搭配自動化控制水泵，這樣就解決了傳統(tǒng)的澆灌方式導致水利用率不高的問題，從而提高了農(nóng)業(yè)用水的利用率。
5結語
現(xiàn)階段，受限于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方式，我國很多地區(qū)農(nóng)業(yè)種植還是依靠傳統(tǒng)的人工澆灌方式，造成嚴重的水肥資源浪費。同時，農(nóng)作物的生長發(fā)育需要科學的澆灌技術作為保證，若僅僅依靠以往的種植經(jīng)驗進行作物澆灌，無法做到精準化控制灌溉量從而降低農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，將自動化澆灌系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫在眉睫。課題組通過梳理目前我國較為先進的幾種澆灌系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供一些技術參考。
作者:李志煌 陳樅 龔達濤 單位:羅定職業(yè)技術學院 肇慶醫(yī)學高等專科學校
