智能灌溉節(jié)水噴淋系統(tǒng)的研發(fā)

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳安柱 徐文海

智能灌溉節(jié)水噴淋系統(tǒng)的研發(fā)

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳安柱 徐文海

傳統(tǒng)大棚農(nóng)業(yè)灌溉需耗費(fèi)大量水資源，利用率較低，本文研究的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測作物各時期對水分的需求量，以提高灌溉水資源利用率為目標(biāo)，精確進(jìn)行灌溉，保持作物一直在最佳土壤濕度狀態(tài)下成長，從而保證作物高品質(zhì)、高產(chǎn)量、高效益，極大促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

智能；節(jié)水；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

1 引言

隨著國家不斷重視農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高節(jié)約灌溉水資源利用率問題刻不容緩。大多數(shù)地區(qū)已經(jīng)意識到農(nóng)業(yè)智能灌溉的重要性和緊迫性，目前國內(nèi)大棚節(jié)水灌溉多采用霧化噴灌頭，還處于半自動化狀態(tài)，不僅灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重而且不能精確供給作物生長所需水分，阻礙了農(nóng)作物健康生長。

雖然我國已經(jīng)研發(fā)出自動化噴灌系統(tǒng)，但普遍存在人為參與因素較高，不能全天候?qū)崟r監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)單一，不能進(jìn)行分析精確化供給水分，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，難以滿足現(xiàn)代智能精準(zhǔn)化大棚農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為了便于實(shí)行大棚農(nóng)業(yè)的智能化，精細(xì)化管理，基于物聯(lián)網(wǎng)的微電子和通信技術(shù)的智能節(jié)水噴灌系統(tǒng)研究正是在此背景下展開的。

2 具體研究內(nèi)容

本文主要研究了在大棚種植環(huán)境下的節(jié)水噴淋系統(tǒng)，其主要由土壤、空氣濕度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、蓄水箱、霧化噴頭、若干灑水噴頭以及監(jiān)測終端等組成，濕度傳感器的信號輸出到數(shù)據(jù)處理器，再由數(shù)據(jù)處理器將信號輸出到水量控制開關(guān)，霧化噴淋頭與灑水噴淋頭分別通過水量控制開關(guān)連接蓄水箱。

本論文研究的是在大棚種植環(huán)境下使用的智能節(jié)水管理灌溉系統(tǒng)，采用精確量化灌溉的方式，再利用灑水頭與霧化頭的配合使用，使作物的質(zhì)量得到極大保障，節(jié)水節(jié)能。

2.1 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1.1 智能管理灌溉系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)簡圖

如圖1示，智能灌溉節(jié)水噴淋系統(tǒng)，其最大難點(diǎn)是把土壤、空氣濕度傳感器、數(shù)據(jù)處理器、蓄水箱、霧化噴頭、若干灑水噴頭以及監(jiān)測終端等科學(xué)合理地融為一體，形成有反饋，有執(zhí)行，有監(jiān)測的閉智能環(huán)控制系統(tǒng)。土壤濕度傳感器與空氣濕度傳感器分別將各自信號數(shù)據(jù)傳到處理器，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)處理器處理后，輸出到水量控制開關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)霧化噴淋頭以及灑水噴淋頭分別通過水量控制開關(guān)與儲水箱連接，傳感器數(shù)據(jù)傳輸連接到監(jiān)測終端。

2.1.2 霧化噴淋頭

本論文所應(yīng)用霧化噴淋頭包括噴頭本體，噴頭本體包括流道入口段、流道連接段、混合霧化腔和噴孔；混合霧化腔設(shè)置在噴頭本體內(nèi)部的球形空腔；流道入口段設(shè)置在噴頭本體的進(jìn)水端，流道入口段通過流道連接段與混合霧化腔一體化連通；混合霧化腔設(shè)有若干噴孔，噴孔連通混合腔與外界。如圖2所示。

圖2 霧化噴淋頭

本論文所述霧化噴淋頭包括噴頭本體11，所述噴頭本體11包括流道入口段12、流道連接段13、混合霧化腔14和噴孔15；所述混合霧化腔14為設(shè)置在噴頭本體11內(nèi)部的球形空腔；所述流道入口段12設(shè)置在噴頭本體11的進(jìn)水端，所述流道入口段12通過流道連接段13與混合霧化腔14一體化連通；所述混合霧化腔14設(shè)有若干噴孔15，所述噴孔15連通混合腔14與外界。所述混合霧化腔14的徑向尺寸大于流道入口段12的徑向尺寸，所述流道入口端12的徑向尺寸大于流道連接13的徑向尺寸。

3 工藝流程

智能管理節(jié)水灌溉系統(tǒng)在工作中，整個工作系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，土壤濕度傳感器與空氣濕度傳感器實(shí)時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理器分析，發(fā)出信號，控制噴灑執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確霧化噴灑灌溉，當(dāng)土壤以及空氣綜合濕度達(dá)到作物生長階段所需水分要求，則傳感器再次將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，處理后再次發(fā)出信號至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，霧化噴灑執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動作。如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

4 項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

（1）精確監(jiān)測濕度。精確測得土壤內(nèi)部影響作物生長的深度的土壤真實(shí)平均溫度，空氣濕度傳感器在大棚頂部做閉合巡回監(jiān)測，精準(zhǔn)獲取大棚實(shí)際的空氣濕度。

（2）灌溉水資源精確量化供給，節(jié)約水資源。噴灌執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)處理器計(jì)算后處理的信息，定量供給水分，不會造成過度灌溉的情況。

（3）利用單片機(jī)作為中央處理器來處理傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號，保證噴頭機(jī)構(gòu)、巡回機(jī)構(gòu)等動作能及時準(zhǔn)確完成。

（4）雙重調(diào)節(jié)保障濕度。灑水噴淋頭結(jié)合土壤濕度傳感器可以調(diào)節(jié)土壤內(nèi)的水分，霧化噴淋頭結(jié)合空氣濕度傳感器可以調(diào)節(jié)空氣的濕度，土壤水分和空氣水分的雙重保障，可以提高作物的產(chǎn)量。

5 小結(jié)

智能管理節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研發(fā)在整體構(gòu)思上充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念，提升了產(chǎn)品的人工智能和質(zhì)量。

[1]韓貴黎.基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017(12).

[2]沈翠鳳.基于單片機(jī)和無線通訊的自動農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(11).

陳安柱，男，1984年出生，江蘇連云港人，講師，碩士，研究方向：車輛工程。

鹽城市2016年度農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)引導(dǎo)資金擬立項(xiàng)項(xiàng)目智能灌溉節(jié)水噴淋系統(tǒng)的研發(fā)（編號：YKN201608）本論文得到2017年江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助。