智能灌溉系统设计与实现

智能灌溉系统设计与实现

张家口三生智慧农业科技有限公司 河北 张家口 075000

摘要：随着中国农业的发展，用水量也在不断地增加，但是，由于水资源缺乏，发展智能灌溉技术就显得尤为重要。如果仅仅通过机械定时浇水，不仅耗费大量人力物力，同时也不能够满足环境的实时变化。将智能化控制技术与传统机械浇水相结合，实现智能化灌溉系统，不仅能够实现智能化管理，而且能够提高水资源利用率，促进农作物健康生长。下面，文章重点就智能灌溉系统设计与实现展开论述。

关键词：智能灌溉；灌溉系统；设计实现

引言

水资源是农业的命脉，我国作为农业大国，发展节水灌溉技术对于节约水资源和发展农业技术的重要性非比寻常，对我国经济建设以及科学技术发展也都具有重要的战略意义。《“十三五”农业科技发展规划》明确提出了“要充分发挥科技对加快农业现代化建设、促进农村经济社会发展的重要支撑引领作用”。对智能灌溉系统进行推广应用，不仅能够有效转变传统农业生产过程当中粗放式的灌溉方式，还能有效增强水肥利用率，达到节水节肥的良好效果，推动农业转型升级，为农业持续健康发展奠定坚实的基础。

1智能灌溉系统概述

近年来，随着信息技术的飞速进步，以Zigbee、GPRS和物联网等新型通讯技术现实的智能灌溉系统应运而生，其中物联网技术的应用最多。物联网与灌溉系统的结合，不但

实现了远程控制智能灌溉，也有效提高了灌溉效率，节约了水资源。其中，师志刚等人以物联网为支撑搭建的智能灌溉系统，基本实现了智慧型农业，在实时灌溉及经济效益方面得到了改善，但在精准灌溉方面还不够完善。王宗省等人将物联网与农业灌溉相结合，实现了自动化灌溉，但在精准灌溉方面没有具体阐述。本研究的智能灌溉系统利用自动控制技术、物联网技术、可视化技术，实现了大面积农田种植的精准灌溉，提升农业种植的自动化和信息化水平，降低劳动强度，提高水资源利用率，为智慧农业的发展奠定坚实基础。

2智能灌溉系统设计要点

2.1系统总体设计

智能灌溉系统根据分布在田间的气象传感器及土壤墒情传感器，采集气象数据及土壤墒情数据，将其转换为数字信号，采用无线通讯方式，将数据存储到云端，并依据这些数据及农作物在不同生长周期的需水量和施肥量，进行专家决策，进而对水泵、计量泵和电磁阀等田间设备进行远程控制，实现农作物的智能灌溉，从而提高农作物的产量及品质，同时提高土壤水分利用率。该系统还可以通过农田现场的人机交互界面，实现系统初始化、灌溉设备的就地控制、灌溉规则的设定等功能。智能灌溉系统的框图如图1所示。

图1智能灌溉系统框图

2.2系统硬件设计

智能灌溉系统硬件采用模块化设计，主要包括气象信息和土壤墒情采集与控制模块，通讯服务模块。其中，气象信息和土壤墒情采集与控制模块由气象信息和土壤墒情采集单元、中心控制单元、继电器单元、水泵控制单元、计量泵控制单元、人机交互单元组成。由于气象信息和土壤墒情采集单元、人机交互单元、通讯服务单元已有成熟产品，故不再对其进行设计，直接采用成熟产品。

2.2.1中心控制单元硬件设计

中心控制单元的控制器选用STM32F103VET6，通过控制器的IO管脚驱动继电器单元来用UART方式与人机交互单元和通讯服务模块建立通信，通过CAN总线与水泵控制单元和计量泵控制单元建立通信。该硬件系统的供电电压为DC24V，中心控制单元需要DC5V和DC3.3V两种电压，选用LM2596S-5输出5V电压，选用LM1117DTX-33输出3.3V

电压，并在输出端增加滤波电路。

2.2.2水泵控制单元硬件设计

水泵控制单元与计量泵控制单元的硬件设计完全相同，只在程序中加以区分。该控制单元选用STM32F072CBT6作为控制器，设计模拟量输入输出申路和数字量输入输出电路，用于设定和采集管道压力，启动变频器及检测变频器的运行状态。变频器的启动信号采用无源输入，通过控制器驱动NUD3124LT1G苏片，进而驱动继电器动作，利用继电器的干接点实现信号输入:变频器的运行状态反馈信号是AC220V电压信号，采用PS2501L1实现电压隔离变换将AC220V高电压转换为控制器可接收的DC3.3V电压。

2.2.3继电器单元硬件设计

继电器单元选用ULN2803AN驱动芯片，其输入端用于接收中心控制单元控制器的驱动信号，输出端用于驱动继电器的线圈和状态指示灯。

2.3系统软件设计

通过对智能灌溉控制系统整体功能的需求分析，将数据云模块需要实现的功能进行模块划分如图2所示。

图2数据云模块功能图

2.3.1硬件资源分配

包括农场管理、气象信息分配管理、田间控制柜分配管理等。这是系统的初始操作，将现场硬件控制装置，与农场，用户做初始设置。

2.3.2灌溉管理

针对不同农作物的需水量不同，可以对该农场的电磁阀进行分组配置，设定不同的轮灌时间，通过通信协议，远程控制电磁阀、水泵、计量泵等现场设备，实现智能灌溉。

2.3.3可视化展示

为了进一步提升用户的交互体验，该功能将气象信息、土壤墒情、田间灌溉设备运行状态进行可视化展示，包括日照强度、风向、风速、降雨量、空气温度、空气湿度、土壤温湿度、水泵和计量泵，以及电磁阀的运行状态。

3重要作用

农业智能灌溉系统有利于节水节肥，能定时定量对农作物进行灌溉施肥工作，增加农作物产量与品质，减少时间和人力的投入，科学控制温湿度，对于后续生产种植具有非常重要的促进作用。

4成本效益分析

一直以来，在农业生产过程当中，推广应用智能灌溉系统速度相对缓慢，这是由于广大农业生产者以及参与者在计算成本以及效益时，只看重短期效益，或者没有对成本收益进行全面系统的分析，相关设备以及服务成本表面上来看很高。因此，广大农户以及小型的农场经营者，很难投入成本引入智能灌溉系统，或者不愿意投入。然而，智能灌溉系统应用于农业生产实际提供的新型生产方式，可以在不改变成本的同时，对更多的土地进行经营管理。美国相关专家指出，在农业生产实际应用智能灌溉系统，可以大幅减少农业生产过程当中的费用投入，每亩能够节约15美元左右，而且将该系统应用于农业生产实际还能使化肥应用量减少10%左右。

结语

在农业生产过程当中推广应用智能灌溉系统，与国家倡导的节水型农业发展以及智慧农业发展理念相符，有利于推动农业规模化经营。从技术层面分析，目前智能灌溉系统已经达到智能化操控的效果。从经济层面分析，在农业生产过程当中推广应用水肥一体化智能灌溉系统，有利于控制和减少人力以及农资成本方面的投入，还能使水肥利用率进一步提高，促进生产效率提升。另外，其对农业生产过程当中的自然灾害带来的影响具有很好的制约作用，增进农业生产效益，有利于绿色农业的持续健康发展。特别是对于部分省份

复杂的农业自然条件，大力推广应用智能灌溉系统，可以有效缓解当地农业生产过程当中水资源地理时空分布不均的问题，促进水资源的科学开发和利用，提高肥效，减少肥料应用量，有效应对日益恶化的种植环境问题。因此，在农业生产实际当中应大力推广和应用智能灌溉系统，普及科学技术，实现农业现代化、规模化发展，打造智慧农业，为农业持续健康发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1]左黎明,周庆,陈兰兰,夏萍萍.基于安全协议的智能灌溉系统设计[J].河南师范大学学报(自然科学版),2019,47(01):33-39.

[2]陈天成.基于ZigBee农田水肥一体化智能灌溉系统设计[J].中国设备工程,2018(23):166-168.