暖洋洋的心2006
针对目前农业水资源紧缺且农业用水浪费严重的问题，提出了一种节水灌溉自动控制方案。该方案以微控制器为核心器件，采用无线通信的方式，通过远程控制系统实时采集参数，并以此为依据实时调整阀门开合程度，从而达到节水灌溉的目的。该设计具备较好的实用性，有效地实现了节水灌溉。中国农业发展目前面临着两大主要问题：一方面国民经济、生态建设的迅猛发展导致对水资源的需求量越来越大，但是，中国目前的水资源严重不足；另一方面中国农业用水量约占总用水量的80%左右，但有效利用率仅在45%左右，而欧美发达国家一般在70%～80%，这导致中国农业用水浪费现象非常严重[1]。因此，在水资源严重不足的情况下，如何有效解决农业用水短缺问题显得迫在眉睫。方法大致有两种：开发新的水资源，但是，此方法投资大、见效慢，受地理环境影响异常明显；另一种方法是发展节水灌溉。节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律而进行的适时灌溉，利用尽可能少的水获得尽可能多的农作物产出的一种灌溉模式[2]。此方法投资相对较小，既有可能实现农业灌溉的自动化，又可能极大提高水资源的利用率。基于此，提出一种节水灌溉自动控制系统设计方案，设计了一个基于单片机的节水灌溉自动控制系统，具有实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能，并能根据采集到的有关作物生长的环境参数及所需水量来控制给水的时间和流量。1 系统总体设计方案目前，国外普遍采用大型分布式微机测控技术实现节水灌溉自动控制。该技术方案摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式，为多种技术的融合，根据采集到的土壤参数、温湿度等环境参数来决定灌溉量与灌溉时间。因此，系统分中央控制系统和远程测控系统两部分进行设计，其系统结构图如图1。其中N为远程测控系统的个数[3]。由图1可见，中央控制系统（主站）主要由微控制器与主PC机构成。远程控制系统（子站）主要实现参数的选定与测量、信息数据传输与处理、控制执行机构的动作等功能。系统选择无线通信方式实现主站与子站之间的信息传输，其系统框图如图2[3]。系统主要分为信号采集模块、数据处理模块、数据无线处理模块、控制模块、软件模块这5大功能模块。因此，选择土壤水分、空气的湿度、空气的温度3个参数作为灌溉的因素，测量元件就是测量这3个参数。具体器件选择如下：①空气温湿度测量元件选用CHT-WV02温湿度变送器；②A/D转换器选用ADC0808；③电磁阀选用分布式电磁阀；④无线通信模块选用2FSK解调方式的 PTR8000；⑤核心控制器选用常见的AT89系列单片机；⑥土壤水分测量元件采用TDR3型水分传感器。2 系统硬件设计 主站硬件设计如前所述，主站的功能主要体现如下：通过无线通信方式实现与子站之间的信息传输，即远程控制系统通过相应器件采集土壤水分、温度、湿度等参数后，经过信号调理、模数转换后，通过无线方式传输给主站，主站以此为依据控制阀门水量的大小，也就是确定开关开合的程度。其间，主站中微控制器与主PC机之间采用有线通信方式。 微控制器与PC机的接口电路 微控制器与PC机之间采用常用的RS-232标准进行数据传输，但是，由于RS-232电平标准与单片机TTL逻辑的电平标准不兼容，因此，必须使用电平转换芯片实现二者之间的电平匹配。在本设计中，选用最常用的MAX232芯片来实现电平匹配。TXD与MAX232的T2in相连，经过MAX232转换后，T2out输出的信号进入RXD。同理，TXD与MAX232的R2in相连，经过MAX232转换后，R2out输出的信号进入RXD。如此，便可实现TTL与RS-232之间的逻辑电平转换，使单片机与PC机之间的通信链路接口完成。 无线射频收发接口电路 由于本单片机不具备SPI接口，所以要利用软件模拟SPI接口来实现单片机与PTR8000之间的通信[5]。PTR8000的3个状态输出信号DR、AM、CD分别与单片机的、和管脚相连，以此实现无线模块与单片机的通信控制。其中，AMS1117是低压差三端电压调节器，旨在为PTR8000提供合适的电压。 子站硬件设计子站主要完成对传感器信号的采集及处理并控制电磁阀动作，达到自动灌溉的目的，由控制单片机、A/D转换模块、土壤水分传感器、温湿度变送器和电磁阀组成。 土壤水分检测电路 设计采用运算放大器UA741来实现减法电路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。电路如图5所示。注意在采集数据之前，对于运算放大器UA741一定要调零。 A/D转换接口电路 ADC0808没有内部时钟，所以时钟信号端CLK通过两个D锁存器的分频与单片机的时钟相连。如图6所示，由于ADC0808的转换速度所限制，系统使用2 MHz的晶振，通过两个D锁存器的分频后，ADC0808 CLK端的时钟频率为2 MHz/4=500 kHz。 显示接口电路 显示接口电路如图7所示。其中，四个晶体管的作用是使得共阳极的LED正常工作，在LED每个光二极管前加了一个限流电阻，是避免LED发光二极管因电流太大而烧坏或寿命减少。 辅助控制单元设计 ①电磁阀控制单元。由于单片机的输出电流比较小，不能驱动电磁阀工作，所以需接一晶体管进行电流放大从而驱动电磁阀工作，在继电器两端反并一个二极管的作用是防止继电器因过大的电流烧坏或寿命减少。电磁阀控制电路如图8a所示。②报警电路设计。大部分都是使用蜂鸣器来提示或报警，具体如图8b所示。3 系统软件设计 主站软件设计设计中单片机的主要功能是实现土壤水分、温湿度等参数的实时接收、发射以及数据的串口发送，因此，功能相对较少，在实际设计中只需要合理地初始化外围芯片以及特殊功能寄存器，便可实现数据的实时传输，其主程序流程图如图9所示。此外，在系统设计中，PTR8000为无线收发模块，功能是接收数据并发送数据，其流程图如图10a与10b所示。 系统子站软件设计 数据采集程序设计 数据采集主要是指经传感器采集过来的电压信号，经A/D转换后送到单片机，再通过单片机的软件处理为此电压信号对应的湿度、温度和土壤水分信号，其流程图如图11所示[6]。 数据处理程序设计 数据处理主要是将从A/D采集来的数据经过一定的软件算法处理后，得到与实际情况最相符的数据，即误差最小，其程序流程图如图12所示[6]。 数据显示程序设计 显示数据经过译码器74LS138和驱动74LS47将数据送至LED显示。数据显示子程序主要完成将待显示的数据移出单片机，送至译码器74LS138和驱动器74LS47，其程序流图如图13[7]。4 小结设计通过远程控制实施节水灌溉，实现了实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能，并能根据采集到的有关作物生长的环境参数及所需水量来控制给水的时间和流量。通过无线遥控节水灌溉技术可节省人力物力，解决当前水资源短缺却又浪费的紧张局势。主站和子站之间采用无线传输，克服了传统有线传输的地域限制，实现了站点之间的数据传送。此外，通过温湿度和水分传感器采集作物土壤及周围环境的信息，可较全面地体现农作物的需水状况，且节约成本，有效地实现了节水灌溉。更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：
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浅谈农业节水灌溉技术 摘 要 本文简要的介绍节水灌溉技术的概念, 分别介绍了几种节水技术, 并分析利弊, 反映当前农业节水新观点、思路, 为农业节水更好的发展提供参考。 关键词 节水 灌溉技术 节水灌溉技术是比传统的灌溉技术明显节约用水和高效用水的灌水方法、措施和制度等的总称。是否节约灌溉用水, 用水是否高效是以单位作物产量总耗水量(从水源算起直到田间)多少来衡量, 或者, 以单位耗水量所取得的产值多少来衡量。现在我国采用过的和正在研究或推广使用的节水灌溉技术有数十种之多。各种技术都各有利弊, 各有不同的适用条件。节水灌溉技术大致可分为灌水方法、输水方法、灌溉制度和田间辅助措施等四大类别。 1 灌水方法 灌水方法即田间配水方法, 就是如何将已送到田头的灌溉水均匀地分布到作物根系活动层中去。按灌溉水是通过何种途径进入根系活动层, 灌水方法可分为地面灌溉、喷灌、微灌和地下灌溉。 地面灌溉水是从地表面进入田间并借重力和毛细管作用浸润土壤, 所以称为重力灌水法。地面灌溉是古老的传统的灌水方法, 一般说来它是作为比较是否节水的基点。但是地面灌溉技术也在不断发展不断完善, 所以最近也有许多比传统地面灌溉技术更节水的方法。 喷灌利用专门设备将有压水送到灌溉地段, 并喷射到空中散成细小的水滴, 象天然降雨一样灌溉。突出的优点是对地形的适应力强, 机械化程度高, 灌水均匀, 灌溉水利用系数高, 尤其适合于透水性强的土壤, 并可调节空气湿度和温度。但基建投资高, 而且受风的影响大[1]。 微灌利用微灌设备组成微灌系统, 将有压力的水输送到田间, 通过灌水器以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种灌水技术。主要特点是灌溉时只浸润作物周围的土壤, 远离作物根部的行间或棵间的土壤保持干燥, 一般灌溉流量都比全面灌溉小得多, 因此又称为微量灌溉, 简称微灌, 其中包括渗灌、滴灌、微喷灌、涌灌和膜上灌等。主要优点是: 灌水均匀, 节约能量, 灌水流量小, 对土壤和地形的适应力强, 能提高作物的产量, 增加耐盐能力; 便于主动控制,明显节约劳力。比较适合于灌溉宽行作物、果树、葡萄、瓜果等[1]。 地下灌溉地下灌溉是用控制地下水位的方法进行灌溉。在要灌溉时把地下水位抬高到水可以进入根系活动层的高度, 地面仍保持干燥, 所以非常省水, 不灌溉时把地下水位降下去。这方法的局限性很大, 只有在根系活动层下有不透水层时才行, 不适于普遍推广。 2 输水方法 渠道渗漏水量占渠系损失水量的绝大部分, 一般占渠首引水量的30%～50%, 有的灌区高达60%～70%。渠系水量损失不仅降低了渠系水利用系数, 减少了耕地面积, 浪费水资源, 并且引起地下水位抬升, 招致农田渍害。渠道防渗工程和管道输水可以减少水量损失。 渠道防渗工程就是杜绝或减少由渠道或渠床而流失的水量的各种工程。有以下突出的优点: 减少渠道渗漏损失, 节省灌溉用水量, 更有效的利用水资源; 提高渠床的抗冲能力, 防止渠坡坍塌, 增加渠床的稳定性; 减少渠道渗漏对地下水的补给, 有利于控制地下水位和防止土壤盐碱化。 管道输水灌溉以管道系统代替田间渠系, 通过低能耗的机泵和管道系统, 将低压水输入田间, 并可用末级软管直接浇地来满足作物需水要求的输水方式。灌溉管道系统有以下几个突出优点: 由于输配水部分( 管网) 大部分或全部埋在地下, 一般可以少占7%～13%耕地, 提高了土地利用率, 并减少了对交通和耕作的影响; 在工程完好的情况下, 可以基本没有输水损失( 渗漏损失和蒸发损失) , 节约了用水, 提高了灌溉水利用系数; 杂物不易进入管道, 减少了清淤工作量, 也不存在杂草问题[1]。 3 灌溉制度 充分灌溉制度当作物在各个生育阶段所需的水分都得到充分满足, 即作物生长发育处于最佳水分环境, 配合相应的农业管理技术, 使作物产量达到最高, 这种灌溉制度则称为充分灌溉, 即称为充分灌溉[2]。所谓的充分灌溉条件下的灌溉制度是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。长期以来, 人们就是按充分灌溉制度来规划、设计灌溉工程, 显然不节约水量。 非充分灌溉制度所谓非充分灌溉制度就是可供水资源不能充分满足作物各生育阶段的需水量要求, 实施非充分灌溉条件下的灌溉制度[1]。目前非充分灌溉理论研究比较薄弱, 应用也不广泛, 主要是由于非充分灌溉具有一定的风险性和条件性, 需要在水源、雨情和墒情的监测、传感和信息处理方面具备一定条件及相应管理权限, 把这些技术配套成模式化技术还需要时间[2]。 4 田间辅助措施 秸秆覆盖蓄水保墒 所谓秸秆覆盖系指利用农业副产品如茎秆、落叶、糠皮或以绿肥为材料进行的地面覆盖。农田覆盖一层秸秆后, 一方面可使农田土壤表面免受风吹日晒和雨滴的直接冲击,保护土壤表层结构, 提高降水入渗率; 另一方面可隔断蒸发表面与下层毛细管的联系, 减弱土壤空气与大气之间的乱流交换强度, 可以起到抑制土壤蒸发的目的。 塑料薄膜覆盖保墒 塑料薄膜覆盖栽培技术早期主要用于蔬菜、瓜类和经济作物, 随着超薄膜的出现及其成本的降低, 塑料薄膜覆盖在玉米、冬小麦、薯类等作物得到广泛应用。塑料薄膜覆盖栽培应包括田间覆盖和温室大棚两大类, 这里主要讨论地膜覆盖节水技术。地膜覆盖的主要优点是, 具有显著抑制田间土壤水分无效蒸发, 集水、保墒、提墒; 提高耕作层地温,改善作物中下部光照条件, 促进作物生长发育, 缩短作物生长期, 避免冷冻灾害; 抑制杂草生长等作用。地膜覆盖比秸秆覆盖更具有节水增产的效果。 机械蓄水保墒措施 机械蓄水保墒措施主要包括: 深翻( 深松) 、早耕、耙耱、中耕松土、雨后( 灌后) 适时锄地松土、少耕和免耕等, 是千百年来行之有效的蓄水保墒措施。近年主要推广了深松中耕等措施。所谓早耕是指农作物收获以后适墒早耕; 所谓深耕是提高土壤调控水分能力和管理农田生态系统的重要措施; 所谓耙耱是指翻地后用齿耙或圆盘耙进行碎土、松土、平整地面, 实行翻地—— 耙地—— 耱地的“三连贯”作业, 可以进一步耱碎表土、耱平耙沟, 使田面更加平整, 并具有轻压作用, 使地面形成一个疏松的覆盖层, 减少蒸发; 所谓雨后( 灌后) 适时锄地是指一场透雨或一次灌水之后的农田土壤水分无效蒸发消耗速率最大, 这时锄地松土或中耕松土都可以达到破坏毛细管, 减少土壤水无效蒸发, 提高对降水量的纳蓄能力的作用[3]。 当前缓解农业用水紧张的各类节水措施基本上都被采用了, 也取得了良好的效果, 但是在我国农业节水还是存在一些争议, 如: 节水灌溉应以什么为中心, 如何操作达到节水的目标? 农业节水的潜力到底有多大? 部分灌溉专家认为灌溉工程节水改造节水潜力大, 部分专家认为节水是一种错觉, 实际上增加耗水量; 如何来考核节水量的? 考核标准合理全面吗? 关于农业节水的问题还有很多, 值得我们更深入的研究。 参考文献 [1] 郭元裕, 农田水利学[M].北京: 中国水利水电出版社,1999. 33- 133. [2] 陈亚新, 康绍忠, 非充分灌溉原理[M].北京: 中国水利水电出版社, 10. [3] 沈振荣等, 节水新概念[M].北京: 中国水利水电出版社, 88.
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