智能灌溉系统的研究与设计

1.2 课题研究的背景及目的意义
我国水资源严重短缺， 再加上农业灌溉用水方面普遍存在浪费严 重和灌溉水利用效率低的问题，如何降低农业灌溉的用水量、提高灌 溉用水的利用效率就成为急需解决的问题。从化肥的使用情况来看， 我国的使用量居世界首位，但是肥料的利用效率却很低，渠灌和沟灌 等传统的灌溉方式仍被广泛采用，它们的灌溉水利用效率只有 40% 左右，结果使得大部分却被利用的水带走了施用的肥料，造成肥料的 浪费。 滴灌施肥智能控制系统将灌溉和施肥结合起来，通过计算机
1.4 国内发展概况
从 20 世纪 70 年代起，我国开始引进国外先进的滴灌技术，并 且对先进灌溉技术和施肥装置不断地进行研究，初步研究开发出以 8031 单片机为核心的滴灌施肥控制器的一系列产品。进入到 90 年 代，我国滴灌施肥技术的总体水平有所提高，比如李锐，袁军等人研 制的灌溉及施肥智能控制系统，将模糊控制原理应用到控制系统中；
1.3 国外发展概况
现代高效农业成为农业生产领域中的一个大趋势， 而滴灌施肥又 是高效农业的重点， 它的核心是以传感器技术和控制技术为基础的智 能控制系统以及操作装置的研发， 西方发达国家在这方面的优势比较 明显。目前，设施农业比较先进的国家主要是美国、荷兰、以色列、 日本以及澳大利亚等发达国家。 农业生产由机械灌溉转变为自动灌溉， 水肥利用效率和作物产量得到大幅度提高， 田间管理也越来越人性化， 并且还能够对灌溉施肥区域实施动态的监测管理， 其控制性能也越来 越高。 伴随着技术的不断发展以及对现实农业生产的需要，与因特 网、ZigBee 以及远程控制等数据传输技术相结合的先进的控制器不
2.1 机械部分
整体的机构形式如下所述： 水由出水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的 另一端喷射出来。机械臂主要由导水软管，套筒，舵机，步进电机和 与电机配合的传动装置组成。套筒下端固结有加工上锥齿的圆环，电 机通过锥齿轮传动，带动套筒转动。舵机固定在套筒上，当套筒旋转 时，舵机也随套筒旋转。导水软管穿过套筒与固定在套筒上端的舵机 相固结，当舵机臂摆动时导水软管喷头处完成竖直方向的调整，以使 喷出的水能够调整远近。 而套筒转动则实现了喷水方向的调整。 这样， 通过水平旋转及竖直摆动， 实现了喷灌的精确定位。 考虑到水对电机、 齿轮传动部分的腐蚀影响， 电机及其与套筒的传动部分通过密封箱密 封，导线引出，连接到控制电路部分及电源部分，以实现对机械系统 的电力输入及控制。机械臂通过套筒下端深埋入土壤进行固定。这种 方案是我们经过多次调整最后确定出来的。 下图为我们用机械仿真软 件 pro/engineer 制作的图形（具体见附图） 我们的创新体现在我们的设计过程当中。在喷口的设计中，由 于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固定位置， 因此不能实
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鲁亚云等人设计的恒量施肥控制装置实现了肥液高度与注肥管出口 高度差保持不变，达到恒量施肥的目的等等。但从整体上来说，与国 外同类产品仍有较大差距，主要表现在：灌溉水和肥料混合理论与应 用研究成果较少，控制的精度不高；信息管理和决策系统不够成熟； 先进灌溉设备的性能、产品质量以及使用的可靠性、稳定性不高等。 近年来出现了一些滴灌与施肥相结合的滴灌施肥技术方面的研究报 道，例如冯绍元等在棉花上进行了滴灌的水肥藕合效应试验，实验结 果表明水的利用率较传统方式提高了 20%，并且在相同灌水量条件 下还可促进肥料的利用效率。 伴随着我国农业现代化的发展以及农业结构调整等现实因素， 对 农业滴灌施肥控制技术提出了更高的要求。 根据我国的国情以及各地 农业发展的需要，大力推广实用可行、操作简便、成本低廉的节水灌 溉施肥控制措施和农业机械设备， 这将是农业生产领域的一个重要措 施，必然产生巨大的经济和社会效益。
一、系统需求分析
1.1 滴灌施肥技术简介
滴灌施肥是一种先进的灌溉施肥方式， 它将两个原本相互独立的 技术—灌溉和施肥，采用旁路式的结构结合在一起。滴灌施肥技术把 肥料液、 酸液和水通过一定比例混合在一起并将其准确地施加在作物 根系附近，使得作物的根系能够充分直接吸收利用，满足作物不同阶 段对养分的需求和土壤中的养分供给平衡。 采用滴灌施肥技术可以方 便地调节灌溉水中营养物质的浓度，满足作物生长的营养需求规律， 大幅度提高肥料和水的利用效率、提高作物的产量和质量，同时还减 少了田间管理作业的时间； 滴灌施肥技术能够准确地控制满足植物生 长最优的混合肥剂量以及渗入土壤的深度， 而且施肥均匀、 定位准确， 使得灌溉施肥参数得到精确有效地控制，减轻了土壤、地下水和环境 的污染。
单片机相应中断，驱动湿度传感器电路，使湿度传感器工 作，采集数据（四个）并将其传至单片机，由单片机驱动 液晶显示器输出土地情况
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调用 土壤湿度分析子程序（即与标准湿度相比较） ，计算出土壤需要浇灌的部分，并计 算出干湿度以决定浇灌用水量（由喷灌时间决定）
根据分析结果，调用电机运转子程序，同时控 制电机与舵机分别旋转、 摆动， 并打开节流阀， 驱动水泵实现精确定位，完成浇灌
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现喷灌位置的可调性要求。因此喷管管口需要重新设计。在喷头处， 我们曾试验过多个方案。其中一个就是拟定用钢管作导水管，将水直 接引到喷头，而喷头处设计成喷口可以转动的形式，通过增加一个电 机并通过细杆与喷头处连实现竖直方向的转动， 水平方向的转动还是 靠另一个电动机带动套筒来实现（具体见附 proe 仿真图） 。但是这种 设计有两个问题我们没能解决。第一个问题就是密封的问题，喷口转 动时对其密封要求较高，且此处水压较高，更增加密封难度。第二个 问题就是底部的电机如何使上部的喷头进行竖直方向的摆动。 此处传 动距离较长，增加材料势必增加水平转动电机的负载，且此电机好密 封，极易漏水烧毁电机。于是我们直接采用了接导水软管的方法。导 水软管是用一种软橡皮材料做成的，我们在进行试验时，一端接从水 泵流过的水，一端穿过套筒固定在舵机上，有较好的弹性，使灌溉机 械臂在转动时，水管不会产生较大的阻力矩，也不会发生塑性变形影 响使用。这种形式的优点是结构简单，使用方便，一根管足以解决喷 头出的设计问题。 缺点是电机带动套筒的转角不能持续朝一个方向转 动， 否则水管会打结使水流不通， 且从水管浇灌到地面的水流呈柱状， 对地面冲击较大。软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，碎裂等问题。 在实际设计计算中，需进行软管的拉压的疲劳强度的校核，及齿 轮传动的校核计算。 通过查机械设计的手册可以计算出所需的材料及 其他要求。 在进行设计的过程中， 我们查阅了上市的喷头的基本的工作原理， 对其有了初步的了解。在进行结构设计得过程中，我们查阅了相关的 机械原理、机械设计方面的书籍，增长了我们的机械方面的知识及解 决机械设计问题的能力。
单片机重置定时器计数后待机，使定时器 30 秒 后发出中断信号 不符合要求
30s 后响应中断驱动湿度传感器电路， 采集数 据，看是否符合湿度要求，并输出此时湿度
符合湿度要求，重置定时器定时（10 分钟） ，单片机待机
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关键字： 智能控制 精确定位 密封 大 顺序通电 液晶显示
湿度传感器
差动放
二、硬件
物联网技术及应用 综合训练
题目： 专业： 学院： 学生姓名： 学号： 指导教师：
智能灌溉系统的研究与设计 电子信息与技术 信息工程学院 邢晨 2014520438 张军朝
2015 年
6 月 5 日
目录： 一、系统需求分析.......................................................................... 1 1.1 滴灌施肥技术简介 ................................................... 1 1.2 课题研究的背景及目的意义.................................... 1 1.3 国外发展概况 ........................................................... 2 1.4 国内发展概况 ........................................................... 3 二、系统架构 ................................................................................. 4 二、硬件 ......................................................................................... 6 2.1 机械部分 ................................................................... 6 2.2 电路部分设计 ............................................................ 8 A 湿度传感器方案 ........................................................... 8 B.运算放大器方案 ........................................................... 8 C.电机方案....................................................................... 9 D．显示部分设计： ...................................................... 12 E 、舵机控制方案 ........................................................ 13 F.电源部分设计 ............................................................. 14 G、对单片机的改进设计 .............................................. 15 三、程序清单 ............................................................................... 17 A、程序流程 ................................................................. 17 B、部分模块驱动程序： .............................................. 18 C、主程序：.................................................................. 32
二、系统架构
本系统系统通过选择合适的传感器将对土壤中含水量以及空气 湿度等重要物理量进行采集， 通过信号及采集部分将其转化为数字信 号，交给单片机系统进行处理，通过智能控制部分，在需要时驱动相 关外设，进行自动精确定位地灌溉。具体流程图如下：
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工作过程流程图 单片机处于待机状态，等待中 断信号 利用单片机内定时器计数器， 每隔 10 分钟（可调）定时向单片机发 出中断信号
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对施肥量、灌溉时间、灌溉频率等参数的控制实现自动灌溉施肥的目 的，一方面肥液直接到达作物的根系，肥料的利用效率提高，肥料深 层流失的现象也能够得到遏制， 同时还保护地下水免受肥料及化学药 剂的污染； 另一方面系统利用灌水器将水以滴灌渗透的形式直接作用 到作物的根系中， 不仅降低了作物与作物之间水分的蒸发量而且还减 少土壤深层水的渗漏量，最大限度减少了水分的损失，灌溉水的利用 效率大大提高。 经过多年的发展， 节水灌溉技术和计算机控制技术相结合形成的 新型灌溉技术日趋成熟，逐渐得到人们的重视，它不仅能够及时准确 地控制施肥和灌溉而且还能对作物的生长规律、 生长情况以及生长环 境等有良好的适应性，大大提高了灌溉水和肥料的利用率，节省田间 管理作业的时间，提高了劳动生产率，对提高农业投入的经济效益具 有重要的意义。
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断被开发出来，由以色列的 Eldar Shany 公司开发的带有可编程控制 器和 EC/PH 检测单元的计算机专家控制系统，能够实时检测灌溉水 的 EC 和 PH 值并且能高效准确地对作物的营养和水分实施供给， 实 现了水肥一体化。 美国的营养液供给控制系统中， 不同的营养罐里装有不一样的化 合物， 按照满足植物生长需要的比例将不同的化合物混合溶解在水中， 利用计算机对营养罐的阀门进行统一控制， 最后再把营养液通过管道 输送到作物培养槽中。 荷兰的温室无土栽培也是采用类似的控制方式。 法国、日本、澳大利亚等也都是滴灌施肥技术比较先进的国家，研发 了各种先进的设施农业控制器，广泛应用于温室控制、幼苗育种以及 温室花卉种植等。 其中法国研发的 DOSTRON 混肥器和澳大利亚生产 的 MICRO--MASTER 系列产品处于国际领先地位。 近年来，随着信息技术的发展，越来越多的数据传输和互联网技 术应用于滴灌施肥领域。美国、以色列等国已通过互联网将生产者和 农技服务部门有效地连接起来，通过网络，农技部门能够为生产者提 供施肥建议，解答生产者遇到的问题，最大限度地满足实际生产的需 要。