太阳能自动灌溉（精选7篇）
太阳能自动灌溉 篇1
0 引言
利用太阳能增温技术,提出了一种基于PLC控制的自动灌溉系统,既达到节水目的,又可以提高水温、避免井水冷害、促进水稻增产、提高品质。井水温度一般为4～6℃,远低于水稻生长的最低温度要求,从而导致井灌水稻生长进程延迟,产量低、品质差。为了解决以上问题,传统的增温技术包括晒水池、雾化增温、延长灌渠等技术,能够起到一定的增温效果;但是以上技术对气温的依赖程度大,而对太阳能的利用率不高。为此,拟引入太阳能加热器对井水增温,提高太阳能的利用率。同时,探索该技术的增温效果与水温、水量、气温、太阳辅射强度之间的关系,并结合传统的增温技术,确定其所占增温设施规模的最佳比例,以得到高性价比;利用计算机自动控制技术、水稻节水灌溉技术和决策支持系统等最大限度地提高水温,节水灌溉,提高水资源的利用率。该研究对于井灌稻区节水增温、提高水稻产量以及稻米品质具有重要的作用。
1 系统组成及结构功能
该系统由上位机组态监控系统、PLC、无线数传电台、太阳能加热控制系统、管道灌溉自动控制系统以及温湿度采集系统等组成。其系统结构框图,如图1所示。
1.1 上位机组态监控系统
主机选用研华工业控制机IPC-610,实现对各项参数的监控,对数据进行管理和网络监控。
1.2 数传电台
采用日本日精超小型ND250A数传电台。该电台功率较大,连续的工作能力强,具有一定的抗干扰能力,数话兼容,数传可优先。此控制系统应用面积广,布线耗量大且不方便,所以采集到的数据信息均通过电台传输。
1.3 太阳能加热控制系统
该地区一般灌溉用地下水水温在5℃左右,直接用来灌溉不利于苗生长。利用太阳能对灌溉水进行加温调控,不仅能够快速将水温调节到理想温度,而且节约能源。太阳能加温可以使水温升高,将水温控制在设定的上下限温度之间(22～36℃)。当温度传感器采样值低于下限值时,循环水泵将水送入加热管进行热交换,然后重新进入晒水池,反复循环;当温度传感器采样值达到上限值后,循环水泵停止工作,此时水温正适合用于灌溉。
1.4 管道灌溉自动控制系统
在控制中心计算机上,对前端温度、水位、土壤湿度等信息的采集采用无线数传电台传输。用PLC控制灌溉闸门,将温度合适的水直接输送田间沟畦灌溉农田。本系统使农业生产用水由粗放向精细转变,实施精准灌溉,按需供水,达到节约用水,提高水资源利用率的目的。
1.5 温湿度采集系统
基于无线传输技术,可以实现大规模、自组织、低功耗。低电压的无线传感网络系统,能将测量到的温度、湿度数据发送到中心监控主机,主机保存实时或历史数据可以通过局域网或互联网传送至更远端。通过温度、湿度、液位、流量等传感器采集相应的数据信息,经数传电台送入PLC中,程序判断何时灌溉、灌溉用时以及灌溉用水量。
2 太阳能加热自动控制系统设计
2.1 系统硬件设计
本文讨论的太阳能加热系统的控制装置的设计,以PLC为主控器,系统将通过温度、水位、光强等传感器把灌溉池以及灌溉田里的相关数据采集到PLC中;然后,根据相关算法来驱动供水阀、开启以及关闭太阳能加热设施。
2.1.1 PLC控制器
通过对多种PLC性能的指标、适用性和性价比等进行分析比较,最后采用了美国罗克韦尔公司的SLC500系列可编程控制器。它是一种模块结构的小型PLC, 提供最大容量最多可达64K字(128K字节)的数据/程序内存,SLC 500的模块化I/O系统提供了包括开关量、模拟量和专用模块在内的60多种I/O模块。模拟量模块电路,如图2所示。在模拟量电路中,各传感器采集信号通过数传电台与数传转换设备使PLC获取能够识别的模拟量信号。
2.1.2 温湿度采集系统
温度采集系统选用WCP-R系列 Pt100温度传感器,测温范围-80～500℃,允许偏差值△℃:A级±(0.15+0.002│t│), B级±(0.30+0.005│t│,热响应时间<30s,热电阻的最小置入深度≥200mm,允通电流≤5mA。Pt100温度传感器具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。湿度采集系统选用德国TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪,基于TDR(Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements)时域反射技术,用以直接测量土壤或其它介质的介电常数。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系,土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。测量范围为0～100%体积含水量,电导率范围为0～6dS/m,土壤温度测量范围为-15～+50℃(可定制其他温度量程)。本仪器具有防水结实、使用简单、支持中文、供电时间长、屏幕亮度高,且阳光下可见等特点,有多种通讯方式及接口,扩展性强,可接GPS,MODEM等。
2.1.3 液位采集系统
选用美国banner T30UINA5芯电缆式液位传感器。检测距离可选150～1 000mm 和300～ 2 000mm 两种。宽范围操作温度 -20 ～ +70℃,开关量输出可选 NPN 和 PNP型,模拟量输出可选0 ～ 10V或 4 ～ 20mA。U-GAGE T30系统是超声波检测方面一种操作简便、效果理想的超声波传感器。
2.1.4 WS科研级自动气象站
WS自动气象站核心部分由DL2e数据采集器组成,可对常规12种气象因子(大气温度、环境湿度、平均风速风向、瞬时风速风向、降水量、光照时数、太阳直接辐射、露点温度、土壤温度、土壤热通量、土壤水分、叶面湿度)进行直接测量。
2.2 系统软件设计
太阳能热水器与晒水池进行热循环,从晒水池入水口处取水,进入太阳能加热管里进行热交换,出来后重新进入晒水池的出水口位置。经过反复循环,当温度传感器采样值达到设定的上限值,如36℃—水稻生长较理想的温度,循环泵停止工作。智能灌溉系统可以根据当前某一块田的土壤情况(土壤湿度,稻田液位等),决策是否灌溉,排出晒水池中被加温过的水。灌溉结束后,智能灌溉系统启动机井水泵,向晒水池中注入井水。由于井水的注入,晒水池水温会降低,温度传感器采样值低于设定的温度下限值,如22℃—水稻生长的低温度。太阳辐射光强采样值高于下限值,太阳能加热循环泵重新开始工作。具体软件控制流程图,如图3所示。
Visual Studio .net 是微软公司推出的开发环境,是目前最流行的 Windows 平台应用程序开发环境。该系统采用微软Visual Studio .net 2005作为集成开发环境,使用SQL Server2005作为后台数据库,采用C#开发语言,完成软件的设计与实现。
3 结束语
本系统已投入使用,在实际应用中,太阳能加热自动控制系统成功地克服了该地区地下水温过低的难题,满足了灌溉的要求,而且降低了操作人员的劳动强度,是较理想的灌溉自动控制系统。实践证明,基于太阳能加热的水稻灌溉自动控制系统具有显著的经济和社会效益,是发展高效节能农业的有效途径之一。
摘要：生产实践表明,温度是影响水稻生长发育的重要因素之一。合适的水温,对水稻的生长发育起到了促进作用。为此,提出了一种由太阳能加热的自动控制灌溉系统的设计思想;同时,介绍了该系统的工作原理,并给出了软、硬件设计方法。实践证明,该系统具有节能环保,提高水稻质量与产量等优点,研究价值较高。
关键词：自动控制,太阳能,水稻,灌溉
参考文献
[1]纪春生.水稻节水控制灌溉技术[J].黑龙江水利科技,2007,55(5):205.
[2]朱士江,孙爱华,张忠学.三江平原不同灌溉模式水稻需水规律及水分利用效率试验研究[J].节水灌溉,2009(11):12-14.
[3]顾波飞.太阳能自动灌溉系统[D].杭州:杭州电子科技大学,2011.
[4]刘晓初,叶邦彦.一种新型太阳能全自动节水灌溉设备研究[J].电子科技大学学报,2003,32(6):30-35.
[5]田清华,陈家斌,张建平.太阳能热水器自动控制系统的设计[J].计算机测量与控制,2002,10(12):798-800.
[6]朱善君.单片机接口技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2005.
[7]Ribeiro,S.E,Yoder,R.E.An Automated Fuzzy IrrigationControl System[C]//In:Proceedings Irrigation AssociationTechnical Conference.Nashville:TN,1997:171-178.
[8]付强,梁川.三江平原井灌水稻节水技术组装与综合优化研究[J].四川大学学报,2002,34(6):18-23.
[9]王立权,王忠玉.井水增温对水稻产量的影响研究[J].黑龙江水专学报,2005,32(4):56-58.
[10]刘作慧,王勇.晒水池和渠道结合增温技术在井灌水稻中的应用[J].黑龙江水利科技,2010,38(5):132.
太阳能节水灌溉实验平台设计 篇2
近年来, 太阳能节水灌溉技术正在我国各地蓬勃发展。四川省的攀西地区和川西高原光热资源丰富, 具有开展太阳能节水灌溉技术研究的天然资源条件。从2010年开始, 四川省各地累计建设完成太阳能灌溉工程20余处, 灌溉面积2 000 hm2以上, 推广应用效果较好。四川省丘陵地区由于受光照、地形和地理位置等因素的限制, 建设太阳能节水灌溉工程有一定的技术难度, 迫切需要太阳能节水灌溉实验平台为其提供技术支撑。为了进一步研究太阳能灌溉技术的规律, 四川省发展和改革委员会于2013年批准四川省农业机械研究设计院建立了“太阳能农业节水灌溉四川省工程实验室”, 四川省科技厅于2013年立项支持了“太阳能农业节水灌溉工程实验条件平台”建设, 为开展相关研究提供了有力的支持, 南方丘区节水农业研究四川省重点实验室2014年度开放课题项目 (小型光伏太阳能节灌技术研究) 也为本项目的研究提供了支撑条件[1,2]。
1 关键技术
拟通过对太阳能节水灌溉实验平台相关关键技术的研究, 确定适合四川省太阳能光照特点的节水灌溉系统关键技术控制要点。关键技术如下:一是在四川省各地太阳能光照条件下, 太阳能电池板的发电特性及规律。二是无蓄电池条件下, 电能输入适时变化时, 各种型式水泵的运转特性, 并对其进行分析比较, 找出适合四川省太阳能光照特点的光伏水泵及控制方法[3,4]。三是研究在节水灌溉系统中, 一定气象、土壤、温湿度等客观因素影响下, 不同土质土壤的水分特性。作物根系主要从土壤湿润体内吸取水分, 湿润体的大小及其水分分布特性直接影响着作物根系分布形状及作物的生长状况, 因此研究土壤湿润体特性及土壤水分运动规律显得尤为重要。
2 系统设计
太阳能节水灌溉实验平台主要由太阳能发电系统、中心控制系统、数据收集检测系统、太阳能节灌台架系统构成, 其构成如图1所示。
2.1 太阳能发电系统
太阳能发电系统主要由太阳能电池板/方阵、防雷汇流箱及支架等组成。太阳能电池板/方阵根据需要进行串并联以达到满足系统正常运行的电流和电压参数, 将太阳能转换为电能, 太阳能板斜面朝南±5°以内, 与水平面安装角30°;防雷汇流箱将各路电源汇流后至中心控制系统为其提供电源;支架主要用于支撑、固定太阳能电池板。
2.2 数据收集检测系统
数据收集检测系统主要包括太阳能发电系统数据检测、水泵运行数据检测和气象及土壤参数检测三大部分。太阳能发电系统数据检测包括光照强度、光伏能量、太阳能电池板输出电压、输出电流、输出功率等;水泵运行数据检测包括流量、扬程、转速等;气象及土壤参数检测包括温度、湿度、风力、降雨量、土壤温湿度等。
2.3 中心控制系统
该系统主要由逆变器、PLC及配套电器元件等组成。通过接收数据收集检测系统发送的太阳能发电系统数据等信号, 进行记录分析处理后, 输出至水泵加压系统, 带动水泵机组工作, 其程序流程详见图2。它还可将数据收集检测系统发送的太阳能发电系统数据、水泵运行数据、气象及土壤参数等信号输送至可视化界面, 同时可实现可视化操作, 实现报表生成打印等功能。
2.4 太阳能节灌台架系统
太阳能节灌台架系统主要包括水泵加压系统和节水灌溉系统。太阳能节灌台架示意图如图3所示。
2.4.1 水泵加压系统。
该系统主要由水泵机组、安装底座、阀门、管道、水箱等部分组成。系统从水箱取水, 经水泵机组加压后, 将水抽至滴灌实验台。它通过中心控制系统配套的压力传感器测量系统压力, 通过涡轮流量计测量系统流量, 并进行记录分析处理。
2.4.2 节水灌溉系统。
该系统主要由滴灌实验台、滴头、配套管路等组成。加压水输送到滴灌实验台后, 通过滴头对不同分区内不同土质土壤进行浸润。它通过中心控制系统配套的土壤水分测试仪测量土壤水分等参数, 并进行记录分析处理。
注:1为水箱;2为水箱支架;3为钢管;4为钢丝软管;5为水泵机组;6为压力传感器;7为涡轮流量计;8为闸阀;9为滴灌实验台。
3 结语
通过将平台关键技术的研究成果应用于平台的设计中, 后期通过平台的搭建, 可为开展适合四川省太阳能光照特点的太阳能农业节水灌溉相关研究找到一条有效途径。
参考文献
[1]刘晓初, 叶邦彦.一种新型太阳能全自动节水灌溉设备研究[J].电子科技大学学报, 2003, 32 (6) :638-640.
[2]刘伟, 吴永忠, 刘惠敏, 等.太阳能光伏提水节水灌溉技术[J].工程技术, 2004 (5) :49-50.
[3]张林, 吴普特, 范兴科.多点源滴灌条件下土壤水分运动的数值模拟[J].农业工程学报, 2010, 26 (9) :40-45.
模糊控制在太阳能灌溉器中的应用 篇3
当今全球面临人口、资源、环境三大危机。保护地球环境,节约水资源和能源是我国面临的重大课题。本文将模糊控制技术应用在太阳能节水灌溉器中,达到节水节能目的,具有较好的市场前景。
2 问题的提出
2.1 模糊控制在太阳能节水灌溉器上的应用分析
本文采用的课题组研制的一种新型太阳能节水灌溉器,主要由太阳能面板、蓄电池、干湿探测电极、控制电路板、电磁阀等组成,运用太阳能电源供电,使用时,把控制器的两个干湿探测电极插入土壤中,同时把进水端口接上水源,出水端口则用水管连接旋转喷头,通过模糊控制技术来控制低功耗的电磁阀的开关,在土壤干时控制喷头浇水,在土壤湿时控制喷头停止浇水,从而实现了对植物进行全自动浇水控制[1,2],实现节能节水。
其具体控制过程如下:当土壤水分降低时,湿度就会发生变化,传感器(干湿探测电极)检测出湿度值变化,控制算法就会根据给定标准值和反馈值的误差作为输入信号,以控制电磁阀开关的控制量为输出,通过调节电磁阀的开关使土壤湿度保持在给定湿度。
本文描述的是模糊控制系统对电磁阀实施自动控制。该太阳能节水灌溉器工作在闭环状态,根据管理中心调度决策指令,以土壤湿度作为设定值传给电磁阀开关,调整土壤水分,并使土壤湿度保持在给定值。
2.2 选用模糊控制原因
在传统的控制领域里,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要因素,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。然而,对于复杂的系统,由于变量太多,往往难以正确的描述系统的动态,于是工程师便利用各种方法来简化系统动态,以达成控制的目的,但却不尽理想。换言之,传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力,但对于过于复杂或难以精确描述的系统,则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题[3]。
模糊控制具有以下突出特点。
1)模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型,因而使得控制机理和策略易于接受与理解,设计简单,便于应用。
2)由工业过程的定性认识出发,比较容易建立语言控制规则,因而模糊控制对那些数学模型难以获取,动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
3)基于模型的控制算法及系统设计方法,由于出发点和性能指标的不同,容易导致较大差异;但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性,利用这些控制规律间的模糊连接,容易找到折中的选择,使控制效果优于常规控制器。
4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的,这有利于模拟人工控制的过程和方法,增强控制系统的适应能力,使之具有一定的智能水平。
5)模糊控制系统的鲁棒性强,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
在随机干扰作用下,土壤水分的变化存在不确定区,太阳能节水灌溉器要达到节水节能的目的[4],就要尽量减少这些随机干扰的影响,同时系统也很难得到精确的数学模型,因此引入了模糊控制技术。
2.3 模糊控制基本思想
所谓模糊控制,就是在控制方法上应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑的知识来模拟人的模糊思维方式,使其能对某些无法用精确数学模型描述的对象或过程进行成功的控制[5]。因此,人们希望把这些经验总结成一些规则设计出控制器。由于人的经验一般式用自然语言来表示的,所以,基于经验的规则也只是语言性的、模糊地,运用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的只是,可以把这些模糊地语言性规则上升为数值运算,从而能利用计算机完成对这些规则的具体实现,达到以机器代替人对某些对象或过程进行自动控制的目的,这就是模糊控制的基本思想。
模糊控制系统由模糊化接口、知识库、推理机和模糊判决接口4个基本单元组成。
1)模糊化接口
测量输入变量(设定输入)和受控系统的输出变量,并把它们映射到一个合适的相应论域的量程,然后,精确地输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。本单元可被视为模糊集合的标记。
2)知识库
涉及应用领域和控制目标的相关知识,它由数据库和语言(模糊)规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义。语言控制规则库标记控制目标和领域专家的控制策略。
3)推理机
是模糊控制系统的核心。以模糊概念为基础,模糊控制信息可通过模糊蕴涵和模糊逻辑的推理规则来获取,并可实现拟人决策过程。根据模糊输入和模糊控制规则,模糊推理求解模糊关系,获得模糊输出。
4)模糊判决接口
起到模糊控制的推断作用,并产生一个精确的或非模糊的控制作用。此精确控制作用必须进行逆定标(输出定标),这一作用是在受控过程进行控制之前通过量程变换来实现的。
3 模糊控制系统在太阳能节水灌溉器上的应用
根据上述所讲内容,结合模糊控制器设计步骤,进行太阳能节水灌溉模糊控制器设计。
3.1 太阳能节水灌溉模糊控制器设计步骤
1)通过传感器把监测到的土壤湿度变成电量,再通过模数转换器把它转换成精确的数字量,输入至模糊逻辑控制器,把这精确的输入量通过模糊集合的隶属函数转为模糊数(精确量的模糊化)[6]。
2)根据制定的模糊控制规则并进行模糊逻辑推理,以得到一个模糊输出集合,即一个新的模糊隶属函数(模糊控制规则形成和推理)。
3)根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数,用不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量(解模糊判决)。
3.2 太阳能节水灌溉模糊控制器设计采用方法
1)精确量的模糊化
为了实现模糊控制器的标准化设计,目前在实际中常用的处理方法是玛达尼提出的方法,把输入量的变化范围设定为[-6,+6]区间,连续变化量使之离散化,构成13个整数的离散集合:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。然后对之一语言变量进行取值,习惯上可分为七个等级:PB(正大),PM(正中),PS(正小),ZE(零),NS(负小),NM(负中),NB(负小)。
2)模糊规则形成和推理
模糊规则的形成是把有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出若干模糊控制规则。为了能存入计算机,还必须对它们进行形式化数学处理,之后,再模仿人的模糊逻辑推理过程,确定推理方法,这样计算机就可用模糊化的输入量,根据制定的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理,并得到模糊输出量即模糊输出隶属函数。
3)精确输出量的解模糊判决
经过模糊推理得到的控制输出是一个模糊隶属函数或者模糊子集,它反应了控制语言的模糊性。这是一个不同取值的组合,然而在实际应用中要控制一个物理对象,只能在某一个时刻有一个确定的控制量,这就必须要从模糊输出隶属函数中找出一个最能代表这个模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精确量,这就是解模糊判决。从数学上讲,这是一个从输出论域所定义的模糊控制作用空间到精确控制作用空间的映射。扎德首先提出了这个问题并做了尝试性的建议,目前最常用的方法是最大准则法、最大隶属度平均法和重心法。
3.3 太阳能节水灌溉模糊控制器结构图
本文只考虑系统的偏差,只要偏差相近,不管偏差变化的趋势如何,其输出结果是相似的,为了提高模糊控制器性能,其相应的输入变量为土壤的湿度及湿度变化量,输出为控制电磁阀开关的控制量。当土壤有供水需求时,根据干湿探测电极与相应目标值之间的偏差和偏差变化,并将计算得到的偏差值和偏差变化,利用模糊控制原理通过编程得到电磁阀开关的控制量,控制电磁阀的打开和关闭,从而达到灌溉的要求。其结构图如图2所示。
4 结论
为达到节水节能的目的,本文尝试将模糊控制理论应用于太阳能节水灌溉器的灌溉开关(电磁阀)控制上,结合模糊控制的原理,目前,已完成太阳能节水灌溉器的产品开发,并进入到市场试验阶段。
摘要：主要讲述模糊控制技术在新型太阳能节水灌溉器上的应用,同时阐述了模糊控制技术的应用范围、原理,并且由此分析新型太阳能节水模糊控制灌溉器的设计模型,完成太阳能节水灌溉模糊控制系统的可行性分析。
关键词：模糊控制,新型太阳能节水灌溉器,可行性分析
参考文献
[1]刘晓初.植物浇水全自动控制器[P].中国专利:01266763,2002-07-31.
[2]刘晓初,叶邦彦.一种新型太阳能全自动节水灌溉设备研究[J].电子科技大学学报,2003(6):638-641.
[3]刘曙光,魏俊民,竺志超.模糊控制技术[M].北京:中国纺织出版社,2001.
[4]郭慧滨,史群.国内外节水灌溉发展简介[J].节水灌溉,1998(5):23-25.
[5]张曾科.模糊数学在自动化技术中的应用[M].北京:清华大学出版社,1997.
太阳能自动灌溉 篇4
山区灌溉用水里所含有的杂质及污染物主要分为三类:物理、生物和化学。物理污物或杂质指在水中悬浮的无机的或有机的颗粒;生物污物或杂质主要有藻类、活菌类等微生物和水生动物等[1];化学污物或杂质一般指如碳酸氢钙和碳酸钙等溶在水里的化学物质。
太阳能智能节水灌溉控制器阀芯为常闭型制动电磁阀结构。通电瞬间, 电磁线圈产生电磁力将闭合的隔膜件从阀座上抽起, 控制器阀门快速开启;断电瞬间, 电磁力消失, 弹簧弹力将隔膜件压回阀座上, 控制器阀门闭合[2]。因此其只有开关两种极限状态, 不能连续调节, 介质洁净度有较高要求[3]。间隙尺寸与介质种及阀芯规格有关, 通常是0.08~0.3 mm。从双边间隙为0.08 mm来考虑过滤精度, 由一定数量>0.08 mm杂质颗粒存在, 主阀阀芯就有可能被卡住而难以工作[4,5]。
经历2 个月运行, 发现一路太阳能智能节水灌溉控制器开关不顺畅, 拆开, 发现阀芯堵塞 (图1所示) 。
根据以往案例, 当悬浮固体颗粒多于七八个, 流道口处会产生一个弧形堆积带, 造成分配水不平均、喷头被堵住等现象导致灌溉系统效能减低, 甚至系统崩溃。所以灌溉系统过滤器要确保能把大于横切面积七分之一喷嘴面积的颗粒隔离。
1 水力性能测试及回归方程建立
搭建水力性能测试平台, 并在清水条件下分别调节不同编号的流量进行试验研究 (图2) 。记录进出水压力表读数 (表1) , 根据测试数据进行回归分析计算, 得出Y型灌溉过滤器流量与水头损失的关系曲线 (图3) 。
设定H=k Qα指数方程, 其中K、α为未知数, 验证所推论。实验数据如表1所示。
最后利用数据统计回归方程:
上式相似于中的Q2指数方程[6,7,8]
2 过滤器不同堵塞百分比水头损失研究
堵塞状态下, 某Y型筛网式灌溉过滤器水头损失计算公式过滤水力学关系曲线H=k QαH=k Qα[8], 试验确定系数k和指数α, 便可计算过滤器过滤的水头损失。清水条件下, 根据过滤器不同堵塞百分比, 调节不同流量进行试验 (图4所示) , 记录进出水压力表读数 (表2) 。然后根据测试数据进行回归分析计算, 得出Y型灌5溉过滤器流量与水头损失的关系曲线 (图5) 。
3 结论
(1) 清水条件下20%、40%、60%、80%不同堵塞程度对局部水头损失尽管在开始阶段过滤筛网大面积堵塞, 但增加的局部水头损失较少。只有堵塞增大到某一程度, 如当过滤元件被堵塞80%时, 曲线变为上升曲线, 并且增加的趋势很快。
(2) 刚开始过滤时, 过滤较为顺畅, 受到阻力较小, 压力差较小;但使用一段时间后, 水中的混浊物固体颗粒累积在过滤网体积大于60%时, 过滤网能使用的面积减少, 水流阻力加大, 导致水头损失上升。为了预防水头的损失, 提议在Y型筛网式过滤器完全堵住一半前, 进行过滤网清洁。
参考文献
[1]李晓峰.低压管道输水灌溉技术在我国渠灌区的应用研究[D].杨凌:西北农林科技大学, 2010.
[2]节水灌溉技术知识讲座之九:灌溉设备 (三) 过滤器[J].云南农业, 2010 (9) .
[3]王亮.高速电磁阀性能分析与仿真研究[D].成都:电子科技大学, 2012.
[4]蒋庆华, 李子.“电磁阀”讲座第八讲:介质洁净度与过滤器[J].自动化仪表, 1994 (08) :45-47.
[5]刘晓初.植物浇水用太阳能全自动控制器[P].中国专利:01266948.2, 2002-07-31.
[6]郑铁刚, 刘焕芳, 宗全利.微灌用过滤器过滤性能分析及应用选型研究[J].水资源与水工程学报, 2008 (04) :36-39, 45.
[7]骆秀萍.自清洗网式过滤器运行特性及内部流场数值模拟研究[D].石河子:石河子大学, 2013.
温室大棚自动灌溉系统设计 篇5
为缓解我国副食品供应偏紧的矛盾,农业部于1988年提出建设“菜篮子工程”,建立了肉、蛋、奶、水产和蔬菜生产基地,以保证一年四季都有新鲜的蔬菜供应。同时,大力实施“设施化、多产化和规模化”政策。其中,“设施化”就是大棚化;“多产化”就是指种植多种新品种蔬菜;“规模化”就是大批量种植。从20世纪90年代末期开始,温室大棚的建设迅速发展。由于温室大棚种植品种不同,进而对温度和湿度的要求也不一样,在灌溉时间和程度上也有所差异,从而增加了农业人员的劳动强度,造成了人力和物力的浪费。因此,笔者设计了一种温室大棚自动灌溉系统,自动采集土壤的湿度和大棚的温度,根据不同农作物对湿度和温度的需求采取自动灌溉。
1 系统方案设计
系统分为上下两个控制平台:上层控制平台采用Java语言及Web技术实现,用来实时监控温室大棚内的温湿度,并控制下层平台。下层控制平台以ARM芯片为控制核心,在不同种植区域安放温湿度传感器,实时向上层控制平台上报数据;并配以键盘和显示设备,方便显示及农业人员就地修改设置值;将灌溉设备与ARM芯片相连,实现灌溉自动化。
2 系统硬件设计系统采用型号为S3C2410的ARM9系列微核心处理芯片;传感器分别采用LM温度传感器和FDR型土壤湿度传感器;显示部分采用TFT液晶显示器来显示温度和湿度,按键则采用SPI接口的键盘显示控制芯片ZLG7289,系统框图如图1所示。
三星公司推出的16/32位RISC处理器S3C2410为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗和高性能的小型控制器的解决方案。S3C2410通过提供一系列完整的系统外围设备,无需为系统配置额外器件,大大降低了整个系统的成本。
2.1 数据采集电路
目前常用的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。本设计采用FDR(Frequency Domain Reflectometry)型土壤湿度传感器,它具有简便安全、快速准确和定点连续等优点,目前应用较为广泛。
传感器由一个内含电子器件的防水室和与之一端相连的3个不锈钢针的成形探针组成。这些探针直接插入土壤,探头尾部的电缆线连接适宜的电压源并输出模拟信号。
本设计采用的土壤湿度传感器型号为SM2820M,电源电压范围DC12～24V,测量范围0～100%,测量精度3%FSD,响应时间<1s,输出信号4～20mA,运行环境-30～+85℃,测量区域为以中央探针为中心的周围3cm、高7cm的圆柱区域。
SM2820M设备输出3线接口,红黑线是传感器电源接口,绿线是电流输出接口。由于输出为电流信号,故可以远距离信号传输,理论上最大可以在1 000m距离范围内可靠传输。SM2820M输出信号为4～20mA的电流信号,而S3C2410内置AD转换功能的输入要求为电压信号,因此采用信号隔离放大器进行电流/电压转换。其中,引脚1电流输入,引脚2信号输入GND,引脚8和引角11为电压输出。
温度传感器采用LM35,是一种内部电路已经校准的集成温度传感器,其输出电压与设施温度成正比。精度达0.5℃,测量范围为-55～150℃,可在4～20V的较宽供电电压范围内正常工作。LM35有3个引脚,分别为电源负GND、电源正VCC和信号输出S。
CPU内部内置了8个通道的10-bit ADC转换器。以0.067hm2温室大棚内种植3种不同的农作物为例,则需2个土壤湿度传感器和1个温度传感器。电路框图如图2所示。
2.2 网络通信电路
S3C2410通过以太网口与上层控制平台通信,但CPU本身并没有网络接口,所以需要通过扩展网络接口的模式。本系统利用DM9000实现扩展,它是一款完全集成的快速以太网MAC控制器,有1个一般处理接口、1个10/100M自适应的PHY和4kDWORD值的SRAM。
首先,DM9000读写操作要正确寻址。AEN(地址允许)是输入引脚片选信号与S3C2410的nGCS2引脚相连,CMD引脚与S3C2410的ADDR2相连。CMD引脚高电平是访问数据端口,低电平是访问地址端口。SA4～SA9是地址总线4～9位,当AEN低且SA9和SA8高,而SA7,SA6,SA5和SA4为低时,则DM9000被选中。IOR是处理器读命令,低电平有效,与S3C2410的nOE引脚相连。IOW是处理器写命令,低电平有效,与S3C2410的nWE引脚相连。网络通信电路框图如图3所示。
3 系统软件设计
系统软件设计主要分为两个部分:上层控制平台软件设计和下层控制平台软件设计。上层控制平台软件采用Java语言及Web相关技术实现,下层控制平台软件利用C语言实现。
3.1 上层控制平台
上层控制平台主要完成以下4个功能:
1)温室大棚不同区域的划分;
2)对不同区域种植的农作物进行环境温度和土壤湿度的设定,并将设置下发至下层控制平台;
3)当温度或土壤湿度超过设定门限时,产生声光报警;
4)实时上报传感器采集的数据。
利用上层平台通过网线与S3C2410实现远程通信,可以实时远程控制大棚内的灌溉设备,并可以同时管理和监控多个温室大棚。
3.2 下层控制平台
软件设计的整体流程是上电后,首先进行系统初始化的操作。初始化成功后,进行温度和土壤湿度的采集;而后分别判断采集数据是否超过设定门限值,是否有按键修改设置,是否有上层控制平台下发控制命令等操作。流程图如图4所示。
湿度采集过程中主要测量土壤含水率,计算公式为(湿重-干重)/干重×100%,即土壤中自由水的质量在土壤总质量占的百分比。在实际使用过程中,当土壤中的含水量超过24%时,土壤已经达到饱和且呈溢出水状态,因此检测土壤含水量超过24%没有实际的意义。通常情况下,农作物适宜生长环境的土壤含水率在12%～20%之间,所以传感器的动态定为0～24%,对应0～100%的土壤含水率输出。土壤湿度传感器的输出为模拟量,4～20mA分别对应设定的满量程。电流与湿度的关系为
undefined (1)
式中 D—实际对应的湿度值;
Ec—输出的电流值;
Mr—水分满量程,取值为Mr=24。
DM9000驱动程序部分主要由网卡的初始化、网卡的数据检测获取及中断服务程序组成。数据的发送和接收在中断中进行处理,主要流程如图5所示。
4 结语
该系统利用Java语言及Web技术实现上层平台的设计,利用C语言实现下层平台的设计。整个系统实现了对温室大棚内不同种植区域内的农作物温度和土壤湿度的实时监控和设置,并根据不同农作物对温度和土壤湿度的需求进行自动灌溉。
参考文献
[1]侯俊才,侯莉侠,胡景清,等.基于单总线技术的温室大棚多点温度采集系统[J].农机化研究,2012,34(8):152-155.
[2]蔡文斌,苏义鑫.基于农业大棚低功耗无线环境监测系统的设计[J].华中农业大学学报,2008,27(4):549-552.
[3]朱旭光,刘建辉.农业大棚的温湿度控制系统[J].自动化技术与应用,2005,24(2):45-47.
[4]唐献全,陈联诚.温室土壤湿度信息的自动采集与监控[J].天津农学院学报,2005,12(4):28-30.
[5]徐晓.基于AT89C51的土壤温湿度数据采集与调节系统设计[J].科学技术与工程,2009,9(4):1032-1034.
节水灌溉及其自动化技术分析 篇6
关键词：节水灌溉,自动化技术,灌溉模式
节水灌溉技术在提高我国粮食产量、节约灌溉用水等方面做出了巨大的贡献, 在一定程度上促进了我国社会经济的发展。节水灌溉自动化技术不仅能够节约人工成本, 还能通过计算机系统控制最佳灌溉水量。我国的节水灌溉自动化技术存在着一些较为严峻的问题, 其制约了我国农业的发展, 对社会经济发展产生了一定的负面影响。本文指出一些广泛存在于我国节水灌溉自动化技术中的问题, 并附上一些改进措施, 旨在促进我国节水灌溉及其自动化技术的发展。
1 常用的节水灌溉模式
1.1 喷灌
喷灌灌溉模式是通过特制的喷头将具有一定压力的水分散成小水滴或者小水珠喷洒到农田间, 其节水效果较为显著, 其能有效地促进农作物产量的增加。喷灌技术不仅将农民从繁重的灌溉劳动中解放出来, 还具有高效的节水性能, 因此人们利用喷灌技术对农田进行灌溉将大幅降低土壤次生盐碱化的概率。
1.2 微喷
微喷是一种较为新型的灌溉技术, 其主要分为地插微喷及吊挂微喷两种灌溉形式。微喷技术通常被人们用于温室大棚的灌溉工作上, 并取得了较为显著的成效。微喷技术一般利用PE管送水, 其与喷灌模式的不同之处在于前者的节水效果更佳, 能更加有效地促进农作物吸水, 从而大幅提高其产量。然而由于微喷成本较高, 因此一般不适用于露天、大面积的农田灌溉工作。
1.3 滴灌
滴灌是一种能直接将农业灌溉用水滴送到农作物根部的灌溉方式, 其对农业灌溉用水的利用率可达到95%。由于滴灌的出色节水性能, 因此其是干旱地区人们进行农业灌溉的最佳选择。滴灌通常有半固定式、移动式及固定式3种。在我国发达地区, 人们广泛采用固定式的滴灌方式, 其干、支管与毛管完全固定, 具有高效节约人工成本的特点, 而半固定式的滴灌与前者相较毛管部分由人工移动。在经济相对落后的地区, 人们一般选择移动式的滴灌方式, 该方式能在促进农作物生长的同时节约设备建设成本。
1.4 膜上灌溉及膜下滴灌
在我国一些地区, 人们采用膜上灌溉以及膜下滴灌的灌溉形式。膜上灌溉的特点是在其灌溉过程中, 灌溉用水流过覆盖于农田垄沟底部的地膜, 并经由地膜上的细小孔洞渗入农作物根部土壤, 从而达到对农作物进行灌溉的目的。这种灌溉方式融滴灌与地膜覆盖2种形式, 有着较好的土壤保湿效果。
膜下滴灌是一种将滴灌管置于地膜下进行农作物灌溉的方式, 其能有效节约灌溉用水, 在我国水资源较为困乏的北方使用较为广泛。
2 节水灌溉自动化及其存在的问题
节水灌溉自动化是节水灌溉技术的必然发展趋势。节水灌溉自动化系统通常有中央控制系统、监测系统及基础设备组成。中央控制系统是节水自动化系统“大脑”, 其控制着灌溉设备水量、水压强度及灌溉范围等方面的工作。监测系统与节水灌溉中央控制系统相连, 担负着实时监测灌溉各项指标的任务, 一旦出现灌溉异常情况, 监测系统便会向中央控制系统发出警报信号, 控制系统便会及时切断灌溉用水, 并通知检修人员维修设备。由于我国的节水灌溉自动化研究起步较晚, 因此各项工作的水平较低, 与发达国家之间有着较为明显的差距。节水灌溉自动化系统在降低人工成本、提高农作物灌溉效率的工作上发挥了巨大的作用。目前, 我国节水灌溉自动化存在的主要问题有以下几点。
2.1 节水灌溉自动化系统总体技术水平较低
我国国内节水灌溉自动化系统研究起步较晚, 总体水平与发达国家之间仍有着较大的差距, 造成这一现象的原因之一是我国高校在有关节水灌溉自动化研究方面的人才培养工作力度不够, 导致节水灌溉自动化研究人才供应出现断层, 使相关的研究企业的节水灌溉自动化系统研究进展缓慢。
2.2 节水灌溉自动化系统研究资金投入不足
我国虽然在节水灌溉自动化系统研究上投入了大量资金, 但由于自动化系统研究的长期性与复杂性, 政府或者有关企业在研究资金的投入上仍存在着较大的不足, 其在一定程度上使我国节水灌溉系统自动化研究发展滞后。
2.3 部分地区居民对节水灌溉自动化系统接纳程度较低
节水灌溉自动化系统的普及离不开广大群众的支持, 然而我国部分地区的人们对节水灌溉自动化系统的认识不足, 且由于节水灌溉自动化系统的安装与后期维护费用较高, 因此许多农民或者企业对其望而却步。
3 如何促进节水灌溉自动化的发展
笔者针对上述节水灌溉自动化系统发展中存在的问题, 提出了一些改进建议, 用以促进我国节水灌溉自动化技术的发展, 具体如下。
3.1 加大节水灌溉自动化研究人才的培养与引进力度
高素质的研究型人才是我国节水灌溉自动化技术研究稳定开展的重要保障, 针对于我国目前相关节水灌溉研究型人才较为紧缺的现状, 笔者建议, 可从以下两个方面着手展开工作。
3.1.1 加大高校改革力度, 促进国内节水灌溉自动化研究的发展
目前, 我国高校对节水灌溉自动化系统研究型人才的培养工作重视程度不足, 相关的专业教育质量较为低下, 这在一定程度上使得我国的节水灌溉自动化研究进展缓慢。为此我国教育主管部门应当加大高校教育改革力度。例如, 政府可以要求没有开通节水灌溉自动化专业且具有一定教育实力的高校开通节水灌溉自动化专业, 并聘请有资历、专业素质较高的教师开展相关的节水灌溉自动化教育工作。而针对已有节水灌溉自动化专业的高校, 政府可以建议其设立较为丰厚的奖学金, 专门用于奖励在相关课程的学习上取得突出成绩的学生。同时, 高校也可以通过降低节水灌溉自动化专业的录取分数线来实现增加人才储备的目的。
3.1.2 积极引进国外高素质人才
当前, 世界上拥有较为成熟的节水灌溉自动化技术的国家有美国、以色列等。因此, 政府部门与相关企业应当积极引进上述国家的节水灌溉自动化人才, 并适当提高这些国外人才的薪酬待遇, 如此不仅能促使国外人才更加努力地工作, 还能吸引到更多的外国人才来到中国开展相应的节水灌溉自动化研究, 最大程度地促进国外先进技术与国内技术的融合, 从而促进我国节水灌溉自动化研究的发展。
3.2 增大对节水灌溉自动化研究工作的资金投入
节水灌溉自动化具有一定的复杂性, 并且在研究过程中人们需要大量购进新式设备, 因此, 研究人员需要大量的资金才能顺利开展相关的研究工作。对此政府应当增大对研究的资金投入力度, 并且给予相关节水灌溉研究企业政策性支持。例如, 降低其银行贷款利息等, 保证企业资金链正常运行。
3.3 积极宣传节水灌溉自动化, 降低成本
政府部门与相关企业应当积极宣传节水灌溉自动化系统对于农业的深远影响;同时, 相关的节水灌溉自动化系统研究企业应当努力控制节水灌溉自动化系统生产、研究环节的成本, 同时采取薄利多销的经营模式, 在保障企业的基本经济效益的同时, 大幅降低人们安装节水灌溉自动化系统的成本, 促进节水灌溉自动化系统在国内的普及。
4 结语
设施农业营养液自动灌溉施肥机 篇7
镇江市科学技术局受江苏省科学技术厅委托, 于2011年7月8日在镇江组织有关专家对江苏大学等单位承担完成的江苏省农业科技支撑计划项目“设施农业营养液自动灌溉施肥机研制” (项目编号:BE2008380) 进行了验收。
该项目通过试验研究, 建立了设施作物的需水量和需肥量计算模型;研制了一套设施农业灌溉启动信息传感系统;确定了定时、光累积、温湿度、土壤湿度、作物蒸发量和冠气温差等不同灌溉启动模式下的营养液管理策略;设计出PWM参数与吸肥流量、各母液加入量与营养液EC/pH值的对应关系模型、营养液EC/pH值的模糊PID动态调控模型;得到了营养液的多路母液动态配比及EC/pH值在线精确调控方法。
研制完成的设施农业营养液自动灌溉施肥机样机, 实现了5路肥料和1路酸液的动态配比、营养液EC/pH值的在线调控和不同启动模式下的多灌区自动灌溉施肥控制, 造价明显低于国外同类产品。经江苏省农业机械试验鉴定站检测, 样机实测值:EC控制误差0.05ms/cm、pH控制误差0.01、灌溉量控制误差0.6%、营养元素配比误差2.6%, 技术性能指标均优于合同规定的各项指标, 样机性能超过国外同类产品。