节水灌溉自动控制系统分析

　　作者：唐乃江

　　【摘要】随着自动化技术的发展，其应用领域也不断的拓展。对于植物灌溉用水而言，为了最大限度的节约用水，提高水资源的利用率。本文主要采用传感器、单片机、RS-485网络、变量控制及无线通讯等技术，设计一套精准的灌溉控制系统。根据本文所研究的结果表明，该系统可以实现精准灌溉的要求，最大限度的实现了节水灌溉的目的。

　　【关键词】节水灌溉；控制系统；自动化

　　【中图分类号】S275【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2012）11-0350-02

　　目前，怎样节约用水是全球关注的热点问题，各个国家都根据自己国家的实际情况，推出了不同高度节水技术。在国外，节水灌溉控制系统发展较早，其自动化程度相对较高，节水灌溉控制体系较为完备。随着相关的研究不算的深入，将蒸腾量、土壤含水率、气象等因素相结合，开展综合灌溉控制。由于我国对这方面的研究起步相对较晚，自动化的程度还不高，设备落后，与国外有一定的差距。在我国，如何来发展适合中国国情的灌溉方法成为业内人士关注的重点。本文主要针对一套节水灌溉自动控制系统进行分析，该系统实现了土壤含水率的在线监测与控制，实现了精灌溉，对水资源利用率的提高有重要的意义。

　　1、系统理论的形成

　　受缺水、干旱等对植物正常生长功能产生影响的因素的胁迫。李文华在研究中表明：不同土壤水分处理对树种的根重、茎重、生物量及树种有显著的影响，植物的单株耗水量及叶片的含水量都睡随着土壤水分的降低和降低，只有在含水量高于某一值时，植物才能很好的生存。所以，对植物需要的水量变化进行掌握，对植物的生长有重要的作用，对于灌溉而言，不但可以达到节水的目的，还能保证植物的正常生长。所以，该自动灌溉系统基于对植物土壤含水率的阈值与最大生物量阈值进行研究。

　　2、系统设计

　　2.1系统组成部分

　　如图1所示为系统的结构，分别包括中央监控计算机、灌溉检测控制器、阀门控制器及土壤水分传感器等部分。土壤水分传感器主要是检测土壤的含水率，灌溉监测控制器主要完成中央监控计算机与底层RS485网络节点之间的通讯；阀门控制器主要目的是用于控制喷灌，阀门打开时间长短对应喷灌量的多少。中央监控计算机主要针对土壤含水率进行分析，然后做出灌溉的决策。

　　2.2系统工作流程

　　首先，中央监控计算机定时通过无线通讯模块向灌溉监测控制器发出数据采集信息，灌溉监测控制器对信息进行分析，并通过Rs_485网络向土壤水分传感器发出采集指令，土壤水分传感器开始对土壤含水率进行采集，通过原路径返回给灌溉监测控制器，灌溉监测控制器再回传给中央监控计算机。经过中央监控计算机对采集到的数据进行分析处理，将处理结果通过Rs-485网络发送给灌溉监测控制器，由该控制器向阀门发出控制命令。阀门根据命令决定阀门的开与关，并将信息原路径返回给中央监控计算机。往复循环，形成一个闭环控制自动灌溉系统。

　　2.3土壤水分传感器设计

　　在该自动灌溉系统中，最为关键的是土壤水分传感器，其关系到精准灌溉的目的，其设计的精准性成为首先要解决的问题。本系统主要采用自主研发的BD-1型土壤水分传感器。由100MHz信号源、不锈钢探头及同轴传输线组成。信号源产生电磁波沿着传输线传输到探头，探头与传输线的阻抗是不同的，一部分信号反射会信号源，在传输线上，入射波和反射波叠加，形成驻波，传输线上各点电压幅值存在变化。土壤介电特性对探头的阻抗有一定的影响，土壤的含水率又影响土壤的介电特性。含水率不同时，土壤的节点性质是不同的。BD-1型传感器的测量性能较好，其测量精度可以达到正负2%，可以满足该系统的需求，其内置处理器对于Rs-485接口进行扩展，便于组建大范围的监测网络。

　　2.4灌溉检测控制器设计

　　在整个节水灌溉系统中，灌溉监测控制器处于监控基站的地位，其基本构架如图2所示：

　　该控制器采用凌阳16位单片机SPCE061A组成最小系统。通过SRWF无线模块，控制器与中央监控计算机进行通信，通过Rs-485网络和土壤水分传感器及阀门控制器进行通信。通过扩展，系统的兼容性更强，不但可以单独有中央监控计算机进行控制，还能脱离计算机独立进行运行。

　　2.5中央监控计算机监控软件设计

　　在整个系统运行中，中央监控计算机监控软件起着核心的作用，中央监控计算机监控模块的结构如图3所示：

　　土壤含水率数据的采集方式有三种。最短的采集步长可以设置为两分钟，也而已设置为二十四小时内的某一点整点采集，手动采集用于测试系统的通讯是否正常。在数据的采集过程中，按照含水率的变化，对含水率低于10%，高于15%的土壤进行过滤。如果要查看历史数据及阀门的动作记录，可以通过管理功能模块来实现。传感器的矫正功能主要用于对传感器的标定参数进行修改，这样可以使传感器使用各种土壤类型。

　　3、实验验证

　　该系统在某精准灌溉示范区进行试验，已经无障碍运行长达200多天，实现了精准灌溉的要求。该示范区的面积约500平方米，种植有乔木、草坪、灌木及花卉等植物，主要植被以彩屏草为主，并认为的修建平原、土丘景观。根据植物类型及地势的差异，本研究将示范区分为五个灌溉区，每个区域至少布置一台土壤水分传感器，埋置的深度根据植物根系的深度设置。在地势平坦的草坪区，距离地表8厘米、12厘米及20厘米深度各埋置一台BD-1土壤水分传感器。草坪草的根系都比较短，约10厘米左右，所以在深度为8厘米和12厘米处安置的土壤水分传感器可以检测到根系附近土壤水分的变化情况，而20厘米深的传感器作用主要是对灌溉水下渗及地下水补给情况进行监测。

　　该系统控制的主要目的是，使中层土壤的含水率趋于稳定，下层土壤含水率在灌溉之前保持稳定，不至于灌溉水过分的下渗造成水资源的浪费，达到节水的目的。为了对系统的控制性能进行检测，将土壤含水率灌溉阈值设置在8%-26%之间，本文选定在20.7%，对土壤的含水率进行实时的监测。

　　4、结果与分析

　　图4为2010年9月1日至2010月9日4日草坪土壤含水率的变化情况，自上而下三条曲线分别表示土壤上层、中层、下层的含水率变化曲线。在1日和2日，土壤中层含水率两次出现灌溉阈值，系统自动开启电磁阀进行灌溉，在检测到下层土壤含水率上升一个百分点之后，灌溉停止，防止出现过量灌溉。在灌溉前后，下层土壤的含水率最小值17.1%，最大值18.7，基本处于稳定状态；中层土壤最小值20.5%，最大值22.5，也基本稳定。这就说明灌溉水没有渗透到根系以下层的土壤中，没有出现过量灌溉，达到了节水的目的。也就说说，该系统可以对土壤中的含水率通过灌溉进行控制，既保证植物需要的水分，又不至于出现过量灌溉现象，节约了灌溉用水。

　　结束语

　　随着精细农业观念的深人人心，精准化灌溉作为一个重要的方向受到人们的重视，在此背景下出现的节水灌溉自动控制系统很好的将节水灌溉技术推广起来，对农作物灌溉策略的深化具有深远的意义。