分布式灌溉系统的研究与设计

    李青锋 黄庆 叶永志

    

    

    

    摘?要：旨在从作物生长所需水分、养分差异入手，介绍分布式灌溉系统在水资源和作物养分上的有效利用。分布式灌溉系统采用主从容器设计思路，由传感器收集到的数据传输给STC89C52控制芯片进行数据处理，控制LCD1602和步进电机工作，若达到预设值时，自动打开主从容器阀门进行水肥一体化灌溉。

    关键词：主从容器;分布式灌溉系统;水肥一体化

    中图分类号：S126?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.008

    0?引言

    众所周知，农业是国民的重要支柱之一，推动着我国的经济发展，是我国经济基础的一大来源。农业灌溉工程中，高效的节水灌溉是当今农业发展的重要难题。我国耕地资源与水资源错位分布及北粮南运的粮食生产格局，加剧了农业用水总量短缺态势，也使水减粮增问题更加凸显。农业灌溉工程在我国特别是农村地区的经济建设当中起到了推动作用，有效解决了农业用水及周边居民的用水难题。目前，大多采用的是微喷灌或者大型机械化的灌溉技术，达不到理想精准灌溉的标准。有效、科学的农业灌溉需要一种可靠的新型灌溉技术来获得更加精准的灌溉、施肥。

    1?分布式灌溉系统研究

    1.1?分布式灌溉系统概况

    分布式灌溉系统基于物联网技术等挖掘农业大数据，与传统及现有滴灌技术对比，管道铺设做了改进，加上了主从容器，形成分布式水肥一体化滴灌。因为有了主从容器，所以在精准施肥上得到改善，增加了产量。通过平台利用大数据分析农作物当前生长状况，直观地展现给相关人员。由于灌溉分布及器件选用更合理，属于目前流行的滴灌技术。所以对于现有灌溉技术而言，能够更加灵活适应不同地区的节水施肥效应，与传统灌溉工程作比较，现代灌溉工程表现出省时省力，趋于智能化发展。

    假如有3种不同的作物，传统方法是分开种植，现在因为有了主从容器，一块土地就可以实现3种作物同时种植（如图1）。可以划分为3块区域，每一块区域（可大可小，完全取决于从容器管理的范围及铺设的管道长短）种植同一种作物，这一区域的从容器里装有该区域作物所需的专用肥料，以实现精准施肥。主容器是与水库直接相连的，但因为自然水种矿物质较多，所以主容器具有净化功能。至此，每个区域要实现水肥一体化，主容器提供水分，该区域从容器按照设备自动注入一定肥料至管道，最后通过滴灌送给作物。

    1.2?分布式灌溉系统研究

    1.2.1?所处环境

    经济环境：我国灌溉面积广阔，由此带来巨大经济财富。技术环境：当前我国的灌溉技术一般可分为畦灌、沟灌、喷灌、滴管、渗灌、微喷灌等方式，这些灌溉方式中，都在追求如何节水，而就我国目前所有的技术而言，为我们提供了很大的便利和启发。政策环境：改革开放以来，国家开始高度重视三农问题。随着经济的不断发展，水资源和土地流失问题也成为了一大困扰中国乃至世界的历史大问题。

    1.2.2?研究性

    比较现在的灌溉模式，滴灌的应用是未来的发展趋势，但仔细分析发现滴灌技术并不是能适应所有的地区。能解决同一地区种植不同的作物，同时又能高产，是分布式灌溉技术的出发点。按照分布式网络的构思，采用主从容器设计，作物需水是共有的，由主容器承担;不同作物之间所需的养分往往不同，所以需要多个从容器承担，由此想到一种分布式的灌溉系统。 由STC89C52作为控制芯片是考虑成本问题，STC89C52作为低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8 kB系统可编程Flash存储器，32个I/O口。在大多数嵌入式设备提供了灵活、高效的运作方案。

    2?分布式灌溉系统设计

    2.1?硬件设计

    该系统硬件设计部分由传感器模块、ZigBee无线传输模块、通信模块、电源模块、外部控制按键、步进电机模块、数据显示模块等组成（如图2）。控制模块由STC89C52芯片及其最小系统电路组成，数据显示模块由LCD1602构成，芯片之间采用ZigBee通信，运用GPRS通信将采集的数据上传至平台，采用28BYJ-48型号步进电机控制阀门，传感器模块由温湿度传感器、养分传感器和ADC转换XPT2046芯片完成。

    在分布式灌溉系统中，硬件设计电路均安装在由主从容器构成的智能控水施肥装置中。STC89C52控制LCD1602显示器初始化，由传感器采集到的数据经过AD转换后，在LCD1602显示器上显示，并由STC89C52控制芯片判断是否需要控制步进电机开启阀门运输水分和养分。若达到预设作物水分或养分需求量，则主从容器打开阀门通过管道实现水肥一体化灌溉。各控制芯片之间由I2C通信传输数据，传感器采集到的数据会通过GPRS无线传输至网页平台。该分布式灌溉系统硬件部分利用主从容器的分布特点，采集分析数据，为每个区域农作物做出精准的反馈。

    2.2?软件设计

    分布式灌溉系统采用软硬件结合方法，相比于现在的灌溉系统而言，更加人性化，智能化。将传感器采集的数据上传到网页平台，在网页平台上显示各区域农作物生长状况，可以直观的了解农作物从种植到成熟的整个过程。网页平台设计有以下几个部分（如图3）。

    （1）数据采集。运用关系型数据库MySQL来进行简单的查询和处理工作。（2）数据导入和预处理。将来自前端收集存储的数据导入分布式库和分布式存储集群，并且可以在导入基础上做一些简单的清洗和预处理工作。（3）数据的统计和分析。利用Hadoop大数据生态圈进行统计与分析，或者分布式计算集群来对存储于其内的海量数据进行普通的分析和分類汇总等。（4）数据挖掘。在现有采集和处理后的数据上面进行基于农作物生长条件的算法的计算，从而起到预测农作物生长及调控对农作物营养的效果，从而实现科学、高效的农业生产的需求。（5）数据可视化。通过一定的技术方法，利用图形、图像处理、计算机视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以及动画的显示，对农业数据加以可视化解释，让用户直观的明白预测结果。

    3?分布式灌溉系统应用价值

    3.1?市场空间

    分布式灌溉系统属于农业灌溉系统的一员。农业灌溉系统的适用范围较广，几乎适用于所有的旱作物。农业灌溉系统不仅可以提高水资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。在实施农业节水灌溉工程后，极大的改善了传统农业灌溉以经验为依据、亲临现场、人工操作的生产形式，解决了人工灌溉管理面积小、耗时长、成本高、水资源利用率低、浪费严重的现状。

    3.2?发展前景

    分布式灌溉系统仍采用滴灌技术，滴灌是迄今为止农田灌溉最节水的灌溉技术之一。在滴灌技术上，采取这种特殊的主从容器布局方式，更加灵活，可以满足不同作物生长所需物质。系统可以输入多种作物生长的需水需肥模型，根据作物种类的不同生长时期的水肥规律和特点，通过对各传感器的数据分析，科学合理的安排灌溉施肥计划，并结合先进的灌溉控制系统，达到精确控制灌水量、施肥量和水肥施用时间的目的，实现电脑端的远程自动化控制。

    3.3?需求分析

    我国土地面积广阔、自然环境复杂、各地区农业生产水平差距较大，因此推广灌溉技术的一个重要原则就是因地制宜。我国的灌溉技术多应用于山地丘陵地区和干旱地区。以贵州为例，贵州山地较多，往往不同作物不能种植在一起，这浪费了大量的土地资源，采用分布式灌溉系统可以解决这一难题。该灌溉方法不仅可实现多种作物同时耕种，而且布局更加精细，施肥更加精准，从而达到高效高产的目的。最后通过网页平台，将农产品售出。

    由于政府大力扶持农业产业，所以从农业灌溉的未来发展角度来看，分布式灌溉系统具有适应能力强、节水效果明显、施肥精准等特点，实现农业可持续发展。

    4?结语

    目前，农业灌溉技术发展政策引导不够以及地理位置的不可调控等因素，制约了其灌溉技术的发展。但发展新一代灌溉技术是传统以及现有灌溉技术的一个转型，是适应当今社会的发展需求。笔者探讨了分布式灌溉系统，从设计上来看，采用主从容器设计，可以灵活适应不同作物种植在一块区域。同时，如何能够贴近老百姓，是现代灌溉技术需要考虑的一个问题，系统设计的网页平台能够实时关注作物生长及其销售，具有一定的实用性。

    参考文献：

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