Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ａ Ｓｍａｌｌ Ｓｐｒｉｎｋｌｅｒ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓａｖｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ＬＩＵ Ｙｕ ｑｉ．ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） 摘要：为提高喷灌系统的节水效果，在深入分析 土壤湿度对植物生长影响的基础上，提出了一种小 型高效节水喷灌系统的设计。利用土壤湿度实时检 测来控制阀门开度，以实现节水的目标。在讨论了 可行性、设计价值及控制方法的基础上完成了系统 的软硬件设计。系统能够适用于花园、草坪等小范 围区域的灌溉，也可应用于温室喷灌。 关键词：喷灌系统；湿度测试；自动化控制；节水 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２２５７（２０１０）１２—００２８—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ａ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｐｒｉｎｋｌｅｒ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｉｔ ｍｏｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｓａｖｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｆｔｅｒ ｉｔ ｉｓ ａｒｇｕｅｄ ｈｏｗ ｔｈｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｐｌａｎｔ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ ｖａｌｖｅｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｏｆ ｓａｖｉｎｇ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ．Ａｆｔｅｒ ｈａｖｉｎｇ ａ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｉｎｉｓｈｅｄ．Ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｓｙｓ ｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｒｄｅｎ ｏｒ ｔｈｅ ｌａｗｎ，ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌ１．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ａｌｓｏ ｂｅ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｔｈｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏ ｓ ｏｔ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｒｉｎｋｌｅｒ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｍｅａｓ ｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍｉｄｉｔｙ；ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｓａｖｉｎｇ ０ 引言 为节约用水，缓解水资源短缺的问题，喷灌技术 收稿日期：２０１０—０９—０７ ・ ２８ ・ 在农业灌溉中得到了广泛应用，喷灌技术也因此得 到快速发展。目前针对喷灌系统的改进大部分仍然 停留在硬件方面，如节能多用途喷头的研制，高性能 喷灌管材的开发，低耗能喷灌机的使用等。与此同 时。喷灌系统的智能化设计也得到发展。然而，部分 自动喷灌系统并非完全实现了智能化，如仅根据预 设定时间进行控制的喷灌系统｝】］。一些自动喷灌系 统虽实现了高度智能化并在大面积农业喷灌中得到 了应用，但造价不菲，特别不适用于小面积喷灌【２ｊ。 为此设计了一种实用、低成本的喷灌自动控制系统。 ｌ 土壤湿度对植物生长的影响 影响植物生长的一个主要因素是土壤湿度。通 常用２个参数来决定植物生长所需要的水量范围。 其中之一是萎蔫系数，用于定义植物生长所需最小 土壤湿度，另一个是田间持水量，表示土壤水分有效 性的上限值，表征了灌溉定额的上限。 因此，可以将萎焉点、田问持水量这２个参数作 为主要依据，通过控制喷灌阀门将土壤湿度控制在 萎焉点与田间持水量之问，以实现喷灌系统节水效 能的提高。 ２ 系统设计思想及架构 ２ １ 现有喷灌系统功能分析 系统以喷灌面积为６００ ｍ 左右的草坪为对象， 共使用喷头１２个，所有喷头由一个机械总阀控制。 未附加自动控制系统的原喷灌系统为全人工控制， 一般的工作方式为工作人员根据近几天的天气情况 及视觉判断所得的土壤湿度情况，做出是否开启阀 门的决定，这样的决定具有很大的主观性，缺少科学 合理性。试验区在此工作状况下，曾出现过喷灌水 量过多，土壤表层积水的情况，也有部分草皮因未及 时灌溉而枯黄。 《机械与申．子｝２０１０（１２） ２．２高效节水系统总体设计 鉴于现有喷灌系统在阀门控制上有较大的主观 性，存在灌溉用水浪费和灌溉水量不足的情况，考虑 通过测试土壤湿度，科学合理地控制阀门来掌握喷 灌的时机，以期达到在保证植物正常生长的基础上 进一步节水的目标。据此，设计系统如图１所示。 图１系统结构 系统主要由原喷灌系统、湿敏电阻传感器、惠斯 通电桥＿３］、直流稳压电源、Ａ／Ｄ转换器、单片机、电 机驱动器及步进电机构成。 小型喷灌系统常采用一个阀门控制所有喷头的 方法，而每个喷头的出水量相当，即一片草坪内各处 土壤湿度变化应相对保持一致，因此，各传感器测量 参数将会落在一个相对较小的数据范围内，当一定 数量的传感器测量参数符合开启阀门条件时，总阀 门打开，所有喷头开始喷水灌溉。反之，关闭阀门。 ２．３系统工作流程 将传感器分别置于具有萎焉点及田问持水量二 者特性的土壤中，将此时传感器得到的参数设定为 系统工作时的比较值ｗ，Ｔ（ｗ为萎焉系数，丁为田 间持水量）。工作流程如图２所示。 ［开始： Ｉ■ Ｉ传感器测量土壤湿度Ｉ Ｉ Ａ／Ｄ转换 ｌ ｌ 单片机 １＞ｒ 一一写 ＜ ＼ ｒ 关闭控制阀ｌ 控 ＞ 且＜７制 湿 湿 糊 １ 模 Ｉ打开控制阀Ｉ 阀 度 度 控 不 减 增 制 动 小 加 算 作 法 — ＼．．／ ；一 喷头全部停止ｌ Ｉ喷头相应动作『ｌ喷头全部打开ｆ 。－｛一 ’ ｒ １ 图２系统工作流程 《机械与电子））２０１０（１２） ３ 系统硬件设计 测试土壤湿度。 测试中使用ＷＢＨＲ２０２Ｉ 型湿敏电阻，其阻值 为１８．９～５Ｏ．２ ｋｇｌ，工作范围一１０～６Ｏ℃，额定电 压为１．５ Ｖ。 ３．１．２调理电路 在将信号送入单片机进行逻辑运算之前，必须 对其进行信号调理。调理电路如图４所示。 ｒ Ａ 稳压电源 图４电桥调理电路 图４中Ｒ 为湿敏电阻传感器，采用惠斯通电 桥作为基本的信号调理电路，考虑到外加电源在使 用过程中由于使用寿命造成的电动势的降低，将采 用０～２０ Ｖ的可调直流稳压电源作为外加电源。 输出电压值取决于Ｒ 的变化，取Ｒ 远大于Ｒ ，则 输出电压值可近似为： Ｖ。一Ｖ ×（１～ Ｒ３） 此时输出电压 。与传感器电阻尺 虽不满足 线性关系，但 。为Ｒ 的单调增函数，符合系统工 作条件。 此外，由于系统开放的工作环境，电路工作过程 中，不可避免会有外界干扰信号的出现，为降低这一 因素的影响，采用一阶低通滤波器削弱这一影响。 在此电路中，Ｒ ，Ｒ 及Ｒ。均为常值电阻。 鉴于ＡＴ８９Ｓ５１单片机４～５．５ Ｖ的工作电压范 围，取Ｒ 远大于Ｒ （Ｒ。为１ ｋｇｌ，Ｒ 为ｌＯ Ｑ），Ｒ。为 １０ ｋｔ－Ｉ，稳压电源输出６ Ｖ电压。 ３．１．３信号采集电路 经过调理后的土壤湿度信号仍为模拟信号，无 法直接送人微处理器进行逻辑运算。因此，需采用 Ａ／Ｄ转换电路对调理过后的土壤湿度信号采集并 进行模数转换。系统中传感器生３６路模拟信 号，而一般情况下Ａ／Ｄ转换器只有８路通道，故采 用２片１６通道多路复用器来解决这一问题，如图５ 所示。 ・ ３０ ・ 模拟信号 多路复用器 通 通 通 图５ ＭＵＸ一１６多路开关连接 此后，将转换后所得数字信号传人微处理器进 行逻辑运算。ＡＴ８９Ｓ５１单片机与ＡＤＣＯ８０９Ａ／Ｄ转 换器的连接 如图６所示。 ＡＬＥ ＣＬＫ ＡＤＤ ＩＮ０ ＡＤＤ ； ＡＤＤ ＩＮ７ ＤＯ Ｐ０．０～Ｐ０．７ ６７ ＡＤＣ０８０９ ＡＴ８９Ｓ５１ ＩＮＴＯ — 一 ＥＯＣ ＰＷ２Ｒ．ＤＲ７ 荽 ＴｏＥ Ｇ ＮＤ 图６单片机与Ａ／Ｄ转换器的连接 ３．２微处理器的选择 为降低成本，减小体积，系统使用低功耗、高性 能的ＣＭＯＳ ８位单片机ＡＴ８９Ｓ５１ｆ５］。考虑到不同 生长阶段，不同季节，植物生长需水量不同的情况， 用于逻辑运算的土壤湿度参数需要常常改变，而 ＡＴ８９Ｓ５１内含有的可反复擦写１ ０００次的Ｆｌａｓｈ只 读程序存储器，可满足这一要求。 ３．３控制电路 控制电路主要由驱动电路和步进电机构成。以 电机驱动器为主要元件的驱动电路，获取来自单片 机的脉冲信号驱动电机动作，以决定是否打开阀门。 选用转矩为２．１ Ｎ・ｍ的ＳＭ３９３６Ａ步进电机 及ＳＭＤ３５２５Ｄ细分驱动器。控制电路连接方式如 图７所示。当测试湿度小于ｗ时，单片机输出高电 平及５０个脉冲信号（ＳＭ３９３６Ａ步进电机的步矩角 为１８。），驱动电机将开度增大，喷水阀门在电机驱 动下打开，而后按相应控制规律进行。当测试湿度 大于Ｔ时，单片机输出低电平及脉冲信号，电机反 向转动以关闭阀门。 《机械与电子》２Ｏ１ｏ（１２） 图７控制电路连接方式 ４ 系统软件实现 ４．１软件功能 系统以土壤湿度作为判断标准，使用Ｃ语言作 为主要开发语言 ］，按照系统控制功能要求，确定了 系统软件的主要功能有：系统初始化，采集传感器输 出的土壤湿度信号，对采集后的数据进行逻辑处理， 输出脉冲信号及方向信号等。按照软件功能要求， 给出了程序总体结构，如图８所示。 厂 Ｉ初始化程序ｌ ｌ获取测定值ｌ 蠹 输 输 出 出 高 无 Ｉ电 脉 电 压 冲 湿 湿Ｉ糊 模 低 信 度 度Ｉ控 压 及 脉 号 减 增ｌ制 及 冲 输 小 加 脉 出 冲 信 信 号 号 ———＋ｌ 塞 —一 图８程序结构 系统工作时，无需人工介入，按预定编写的程序 对阀门进行控制。根据土壤成分及季节的变化，可 方便地对程序进行修改，主要是对萎焉系数及田问 持水量比较值的修正。 ４．２控制算法 考虑到喷灌系统中喷头出水流量一般较大，且 步进电机动作存在较大时延的情况，该系统采用模 糊控制算法，以提高控制精度并进而减少灌溉用水 的浪费。在萎焉系数为７．８，田问持水量为２Ｏ．７的 中壤土中，控制规律如表１所示。 《机械与电子》２Ｏ１０（１２） 表１控制规律 土壤测试湿度 单片机输出 电机动作 当土壤测试湿度逐渐增大时，此时为喷灌过程， 当土壤测试湿度逐渐减小时，此时为土壤失水干涸 过程，整个过程中，单片机无脉冲信号输出，电机无 动作，阀门保持关闭。 ５ 结束语 将湿度检测、电机驱动及模糊控制技术运用于 喷灌系统中，以小型喷灌系统为对象，将土壤湿度作 为控制依据，科学利用农业生产中萎蔫点和田问持 水量的概念，进一步提高了灌溉的节水效果。该系 统主要用于小范围的灌溉，如花园和草坪等。随着 城市绿化面积逐年增长，大量小型喷灌设备的使用 将成为必然，系统可直接附加于原喷灌系统，无须对 喷灌设备进行较大程度的改动，简单易行。系统的 使用将会节省大量的城市灌溉用水，产生良好的经 济效应、环境效应和社会效应。 参考文献： Ｅｌｉ王利文，包海蓉，李春阳．足球场草坪自动喷灌系统的 施Ｘ－ＥＪ］．中国给水排水，２００６，２２（２４）：９８—１００． Ｅ２３夏萍，曹成茂．自动化苗圃微喷灌系统优化设计［Ｊ］． 农业机械学报，２００４，３５（３）：９１—９４． ［３］张小栋．工程测试技术［Ｍ］．西安：西北工业大学出版 社，２００７． Ｅ４３王幸之，钟爱琴，王 雷，王 闪．ＡＴ８９系列单片机原 理与接口技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， ２００４． Ｅ５３李 萍，等．ＡＴ８９Ｓ５１单片机原理、开发与应用实例 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８． Ｅ６］ 赵 亮，侯国瑞．单片机Ｃ语言编程与实例［Ｍ］．北京： 人民邮电出版社，２００３． 作者简介：刘宇琦 （１９８９一），男，江苏连云港入，研究方向 为智能检测、诊断与控制技术；张小栋 （１９６７），男，陕西西安人． 教授，博士研究生导师，研究方向为智能检测、诊断与控制技术。 ・ ３１ ・
