小型自動澆灌系統設計探究
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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，這不僅節約了人工成本，更讓自動化能應用于實際生產中。以農業產業的高質量發展為例，澆灌技術逐漸成為農業提質增效的關鍵所在，采取高效的節水灌溉方式逐漸成為國民經濟可持續發展的重要渠道。為此，課題組主要以農業為研究對象，從多重視角對目前小型自動澆灌系統設計進行梳理，即基于單片機的自動澆灌系統、嵌入式Linux室內場所盆栽自動澆灌系統、基于PLC的自動澆灌系統、基于ZigBee的自動澆灌系統的設計，旨在為此領域的研究提供一些技術上的支撐依據。
關鍵詞：多技術；小型；自動澆灌系統；設計
目前，我國農業自動化澆灌系統主要由滴灌技術、水肥一體化技術、智能農業控制系統技術、專家系統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，滴灌系統澆灌時間長，很容易受區域地形因素的制約，安裝成本高，智能化水平不高等；專家系統可以收集農作物生長、生理及土壤各方面指標數據[2]，建立相對系統的農作物數據庫，但是與具體生產實踐的結合度不高；智能農業控制系統需要以計算機數據為核心建立復雜且龐大的數據系統，在規模化的農業生產模式中較為適用，但并不適用于小面積家庭型澆灌系統。近年來，市場上流通著一些常見的自動澆灌系統，如采取虹吸和滲透原理的澆灌器具[3]，但在實踐農業生產過程中無法綜合考量農作物的需水規律。同時，還有很多自動化澆灌系統只能對作物進行整體性澆灌，無法實現獨立單元的澆灌。因此，課題組立足于現狀，積極整合諸多研究成果，對現在穩定性好、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設計
現階段，數據智能化的澆灌系統需要對外界環境因子進行動態性監測，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，尤其是對土壤環境因子的響應程度非常重要，比如常見的溫濕度信息數據。目前，國內外的自動澆灌系統大部分使用無線傳感器和網絡技術，通過信息化手段監測農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的價格極為昂貴，性價比不高。課題組結合自身實踐經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設計如下。基于單片機技術的自動澆灌系統主要由主電源模塊、單片機控制系統、土壤溫濕度監測與轉化系統、按鍵控制系統、繼電器控制水泵電路系統及報警電路系統等組成[4]，可以在無人管理環境下實現自動化灌溉，并根據農作物生理、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實現澆灌系統的濕度標準，即濕度上限和濕度下限。使用土壤溫濕度監測與轉化系統并搭配不同的傳感系統進行農作物溫濕度信息數據的采集，若土壤的濕溫度低于下限標準，系統會將數據及時反饋至單片機系統進行分析處理。當土壤濕度低于設定的下限值時報警電路系統會發出警報，控制水泵澆水；當土壤濕度達到設定的上限值就停止澆水，從而實現自動澆灌。總之，應用單片機技術所設計的自動澆灌系統，主要能夠實現對土壤溫度、濕度的動態監測，根據采集到的濕度值、溫度值進行判斷，進行實時監控和操作。系統運行穩定，具有結構簡單、實用性高及價格低廉等優點，同時兼具節約用水的功能，便于應用推廣[5]。
2嵌入式Linux室內場所盆栽自動澆灌系統設計
當前，為進一步改善室內環境或空氣，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，日常的灌溉及養護管理均需要人工完成。隨著信息化技術的不斷發展，目前很多室內場所采用盆栽自動澆灌系統。盆栽自動澆灌系統主要是借助土壤濕度傳感器動態監測土壤濕度值，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，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主要配備了土壤濕度傳感器，并能考慮到溫度、光照、土壤養分、土壤pH值等，但無法實現室內盆栽的精準化養護管理。此外，大型場所盆栽自動澆灌系統主要搭載了無線傳感器ZigBee組網，信息數據傳輸速度較低，且造價成本過高。為了從本質上改變這種現狀，很多研究者對盆栽自動澆灌系統進行了優化，主要是采取NRF24L01射頻模塊或者SSM射頻模塊為核心控制系統[6-7]，搭配嵌入式Linux大型場所盆栽自動澆灌系統，主要適用于一些室內場所盆栽環境因子采集，并實現自動化灌溉。原理與上述基于單片機的自動澆灌系統的設計原理相似，當濕度、溫度、光照、土壤養分、土壤pH等數值低于設定閾值時，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室內場所盆栽自動澆灌系統相較于單片機信息數據傳輸速度較快，且穩定性較強，成本低廉，容易擴展到小型農業澆灌場所，具有良好的市場前景。一般情況下，嵌入式Linux室內場所盆栽自動澆灌系統主要由ARM主控平臺、協調器及多個節點組成。同時，每一個節點能夠對相應的盆栽花卉進行精準控制，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、通信技術為一體的新型自動化控制裝置，具有穩定性強、可靠性高、適應環境能力強、編程編輯、結構層次化等優勢[9]，主要應用于農業、工業等領域實踐過程中現場控制系統。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，如何實現水資源的高效配置是當前研究的重點。目前，我國很多農田灌溉水資源浪費現象大量存在，尤其是在國家大力提倡高標準農田建設的時代背景下，農業高效節水被提升到戰略高度，因此，節水灌溉、科學灌溉具有非常重要的意義。本研究所闡述的基于PLC的自動澆灌系統的設計可實現對農作物的自動化澆灌，系統主要采用西門子S7-200PLC或者日本OMRONc系列PLC作為控制，通過以太網（通信技術）將傳感器采集到的數據傳輸給觸摸屏顯示，如溫度、濕度和液位值等。與此同時，計算機軟件系統進行數據分析，并繪制出數據變化趨勢圖。將數據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控制系統實現澆灌。其中，PLC控制模塊主要分為模擬模塊及以太網模塊，濕度、溫度、光照、土壤養分、土壤pH變送器主要監測對應的數據，液位傳感器主要監測灌水量的液位，搭配電磁閥開關實現澆灌，報警指示燈用于指示澆灌液位超限。基于PLC的自動澆灌系統同樣也能實現農作物的自動化澆灌。該系統的主要特點就是穩定性較高，數據收集、整合及監測能力較強，觸摸屏畫面及組態王界面顯示美觀，系統操作簡便。
4基于ZigBee的自動澆灌系統設計
現階段，我國農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，利用傳統方式獲取農作物生長的相關數據信息較為經驗化，獲取的數據信息不夠精準，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精準化控制而導致大量水資源浪費。隨著物聯網技術的不斷發展，精準化農業發展理念被提出，促進了現代農業的高質量發展，農業產業逐漸向智能化、數據化、高效化方向轉型升級，以ZigBee技術模塊為代表的自動化澆灌系統逐漸在農業中得到應用。縱觀前人研究成果[10-11]，基于ZigBee的自動澆灌系統的設計主要由ZigBee通信技術控制模塊、系統主控芯片、GPRS模塊系統、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，最終實現一體化農作物自動澆灌。基于ZigBee技術模塊的自動澆灌系統的底層數據終端主要是采取不同功能傳感器的實時數據，其中包括水溫、液位等數據信息。各個終端節點主要是通過ZigBee技術模塊進行數據整合、傳輸、交換及匯總，并最終傳輸給協調器。網絡協調器能夠將獲取的數據再次反饋至控制系統，控制系統會通過GPRS模塊將底層數據終端的各傳感器節點數據以無線方式發送到最近的基站，當然這樣側重反映出該系統主要依靠通信技術實現自動化澆灌。在此基礎上，基站同樣會將數據反饋至上機位，用戶通過上機位能夠實時動態監測農作物的各項數據，并進行精準化控制。此外，根據作物生長規律，精準控制農作物不同生育期的灌水量，搭配自動化控制水泵，這樣就解決了傳統的澆灌方式導致水利用率不高的問題，從而提高了農業用水的利用率。
5結語
現階段，受限于傳統的農業種植方式，我國很多地區農業種植還是依靠傳統的人工澆灌方式，造成嚴重的水肥資源浪費。同時，農作物的生長發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驗進行作物澆灌，無法做到精準化控制灌溉量從而降低農作物產量及品質。因此，將自動化澆灌系統應用于農業生產迫在眉睫。課題組通過梳理目前我國較為先進的幾種澆灌系統，為農業高質量發展提供一些技術參考。
作者:李志煌 陳樅 龔達濤 單位:羅定職業技術學院 肇慶醫學高等專科學校
