CN104542193A - 一种节水灌溉智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种节水灌溉智能控制系统，主要包括土壤湿度传感器、单片机和喷雾系统；该发明其具有以下优势和有益的效果：不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张矛盾，还可以提高农作物的产量，降低农产品的生产成本；采用太阳能电池提供该系统的运行电能，节能环保；该系统是一种高效率、低成本的灌溉优化控制系统；系统布线简单易行，而且系统性能稳定、工作可靠、经济实用，将会有更广阔的开发前景。

Description

一种节水灌溉智能控制系统

技术领域

本发明涉及农业生产的灌溉领域，具体而言是一种节水灌溉智能控制系统。

背景技术

水资源是人类赖以生存的基础性资源，我国一方面水资源十分紧缺。虽然水资源的总量居世界第6位，但人均占有量只有2500m³，约为世界人均水量的1/4，属于全球贫水国家之一。另外一方面农业用水浪费又十分严重，就全国范围而言，水资源的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，由于农业灌溉用水的利用率低下，因此，提高节水灌溉的利用率，对于解决我国农业灌溉用水，缓解水资源的紧缺非常重要。

我国的节水灌溉技术，在经过近几十年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了其技术体系，在某些方面已经达到或接近国际先进水平。但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的节水灌溉技术与发达国家还有很大的差距。随着我国水资源供需矛盾日益尖锐，农业用水分配额减少的问题势必日益突出，同时为了缓解我国水资源短缺对我国农业发展的压力，如何快速发展我国的节水灌溉技术及其配套设备，从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的严峻问题。

在灌溉系统中，合理地推广智能化控制，不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张矛盾，还可以提高农作物的产量，降低农产品的生产成本，为我国农业的发展提供技术保障是十分必要的。

一些西方先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调模式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简单。

在美国，早在1984年，Benami和Offen公司就开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。Phene和Howell分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤水分传感器把湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉，是作物根部总跟保持一定的湿度。

加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区都有发开成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的如澳大利亚的HARDIE IR-RGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列，几十种型号的产品。

国内自20世纪70年代以来就非常重视灌溉设备的研制，但引进较多，自主开发且有影响的成果较少。灌区灌水自动控制技术在“九五”期间才真正开始研制，进行示范。目前我国在灌溉控制系统方面还处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用广泛的灌溉控制器还不多见。

节水农业就是以节约用水、提高农业用水效率为核心的农业，是现代化农业的重要内涵。其核心是在有限的水资源条件下，通过采用先进的工程技术、适宜的农业技术和用水管理等综合技术措施，充分提高农业用水利用率和水的生产效率及效益，保证农业持续稳定发展。节水农业更应该赋予其新的内涵，其内涵应扩展为节水、高产、高效、优质的农业。

节水灌溉技术是发展节水农业的基础性工作，选择适当的技术有助于节水农业的发展；研究开发节水灌溉技术，有助于提高节水农业的效益。因此，我们非常有必要对现状节水灌溉技术，节水的水平以及技术的适应性，发展现状及存在问题做认真分析，为真正实现提高农业用水效率和水的生产效率打好基础。

结合我国各地区特点，认为适宜各地区推广应用的节水农业技术主要有，渠道防渗技术、低压管道输水技术、地面灌水技术、雨水利用技术、农业节水配套技术、劣质水利用技术及农业节水管理等技术。

当前我国包括灌溉水和降水在内的农田利用效率也很低，单方水生产粮食的能力约为0.84kg。而以色列已达2.32kg，一些发达国家大体都在2kg以上，差距很大。为了提高灌溉水的利用率，使单方水生产粮食的能力得到提高，为保证21世纪中国16亿人口的粮食安全，靠传统的灌水方式是难以达到期望的，必须从高新技术入手，在管理上下功夫，从过去那种“浇地”转变为“浇植物”的思想观念。做到作物需要多少水，灌溉系统就能及时而准确地提供多少水。要实现这一目标，只有发展先进的灌溉系统，是灌溉过程达到自动控制才有可能。因此实现灌溉系统的智能控制，对节水、提高灌溉水的利用率以及对我国的粮食安全将起到极为重要的作用，具有重要的实现意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，开发一种节水灌溉智能控制系统，实现感应土壤的湿度；判别土壤是否缺水；自动启动灌溉系统的功能和达到节水的目标。

本发明为实现发明目的，采用的技术方案是：

该系统主要包括土壤湿度传感器、单片机和喷雾系统。

进一步的，所述土壤湿度传感器采用FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪；是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)。

进一步的，所述单片机采用AT89C51型单片机；是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

进一步的，所述系统还包括太阳能电池板，该系统由太阳能电池板提供电能。

进一步的，所述系统还包括软件系统；该软件系统主要包括：主程序软件、采样子程序软件、数据处理程序软件、显示子程序软件和串口通信程序软件。

本发明的主要工作原理是：现实生活中很多农作物温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对农作物的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现农作物生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下：

1、实现按需灌溉功能。按照农作物的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。

2、通过土壤湿度传感器检测农作物生长的环境湿度，依据设定的植物要求的湿度的上下限值，由单片机来控制灌溉开关，从而调节湿度。当土壤湿度高于上限值时，自动关闭灌溉开关。

该设计利用湿度传感器检测土壤湿度，再将湿度数据通过A/D转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由控制核心单片机控制，经主程序处理数据之后，自动启动灌溉系统。

由以上本发明的技术方案可知，本发明与传统的系统相比，其具有以下优势和有益的效果：

1、不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张矛盾；

2、还可以提高农作物的产量，降低农产品的生产成本；

3、采用太阳能电池提供该系统的运行电能，节能环保；

4、该系统是一种高效率、低成本的灌溉优化控制系统；系统布线简单易行，而且系统性能稳定、工作可靠、经济实用，将会有更广阔的开发前景。

附图说明

图1是本发明的节水灌溉智能控制系统实施例系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明；如图1示，本发明的系统由土壤湿度传感器、单片机和喷雾系统组成。

系统技术指标要求具体见下表所示，其控制范围亦可据具体作物的需要来设定，土壤湿度%RH(Relative Humidity)为相对百分数，其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定的差值；

本发明的设备的选型主要包括：

1.土壤湿度传感器：目前比较流行的是FDR型；

FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器，其功能及特点在于：

本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；

结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；

外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀；

土质影响较小，应用地区广泛；

测量精度高，性能可靠，确保正常工作；

响应速度快，数据传输效率高；

广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。

2.AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

综上所述，本发明的节水灌溉智能控制系统具有如下特点和明显优势：

（1）该系统是一种高效率、低成本的灌溉优化控制系统。系统布线简单易行，而且系统性能稳定、工作可靠、经济实用。

（2）硬件电路以AT89C51单片机为核心，系统输入由采集土壤湿度传感器、及传感器信号处理电路组成，输出控制由继电器、执行器构成。

（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。

当然，灌溉问题是个复杂的问题，要在考虑环境因子的基础上，同时考虑肥料状况、病虫害等对灌溉的影响，因此，在今后的研究中要逐步加入这些问题，以便最终完善自动灌溉的商业化运行。

以上说明书文字与附图仅为对本发明的解释和说明，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求书为准，一切不超出本发明宗旨的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。

Claims (5)

1.一种节水灌溉智能控制系统，其特征在于，该系统主要包括土壤湿度传感器、单片机和喷雾系统。

2.根据权利要求1所述的节水灌溉智能控制系统，其特征在于，所述土壤湿度传感器采用FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪；是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)。

3.根据权利要求1所述的节水灌溉智能控制系统，其特征在于，所述单片机采用AT89C51型单片机；是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

4.根据权利要求1所述的节水灌溉智能控制系统，其特征在于，所述系统还包括太阳能电池板，该系统由太阳能电池板提供电能。

5.根据权利要求1所述的节水灌溉智能控制系统，其特征在于，所述系统还包括软件系统；该软件系统主要包括：主程序软件、采样子程序软件、数据处理程序软件、显示子程序软件和串口通信程序软件。