远程花卉节能灌溉系统

2015-05-12郑铁张皖哲王润涛马云飞郭青青

科技创新导报 2015年34期

郑铁　张皖哲　王润涛　马云飞　郭青青

摘要：该文阐述的为一款基于无线技术的远程控制花卉太阳能智能节水灌溉系统。为实现该设计，将土壤作为研究对象，采用湿度传感器精准测量土壤温湿度，通过光伏发电技术对锂电池充电，为系统提供电能。以单片机为核心的控制部分，对花卉土壤湿度与应注水量之间的关系、灌溉控制技术及系统的硬件材料与设计、软件编程等多个部分进行研讨。

关键词：花卉土壤湿度太阳能节水灌溉

中图分类号：S274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0002-02

合理灌溉是花卉生产中不可替代的一环，因此节水设备在花卉培植行业中得到广泛应用，随着节水、高效、环保概念的推广，花卉温室对精度、高端灌溉要求越来越高。而花卉品种繁多，每一类花卉对灌溉的要求各不相同。该设计采用太阳能电池供电，检测土壤湿度控制出水量，按键输入花卉湿度阈值。该系统结构简单、操作方便、经济适用、节能环保、精度高、适用范围广泛，为解决上述问题提出了新思路。

1 系统材料与设计

1.1 系统硬件设计

该系统主要由电源部分、土壤湿度检测部分、无线模块、显示模块、单片机系统、电磁阀储水容器、花盆主体、花卉组成，系统框图如图1所示。

实地使用时，应根据不同花卉品种需水量的不同，先远程设置土壤湿度标准值。系统通过温湿度传感器不断采集花盆内湿度并与预设湿度值比较，当前湿度值小于预设湿度值时。

主控制器发出信号使电磁阀打开，储水容器中的水经电磁阀进入花盆主体。当前湿度值大于等于预设标准值时主控制器发出信号给电磁阀，电磁阀关闭，阻止储水容器中的水进入花盆主体。液晶显示预设标准值以及当前湿度值。

1.1.1 系统电源电路

花卉太阳能智能节水灌溉系统由太阳能电池供电，在需要供电的模块中，电磁阀、电源模块、单片机系统和湿度检测模块电源为5 V，锂电池的充电管理芯片和电源保护装置的电源为3.7 V，故需要对电池保护进行电压转换。使用MC34063三端稳压芯片，将两端电压由3.7 V电压升至5 V从而为单片机系统、湿度检测模块、无线装置，液晶显示模块、电磁阀供电。

1.1.2 单片机系统

在该智能花卉系统中，单片机为系统核心处理各项参数。单片机负责接收湿度检测模块发出的数据和按键模块输入的预设值同时控制电磁阀出水量，接收并在液晶上显示预设值和当前数值。

该系统中所选用的单片机是MSP430G2553，其工作电源电压3 V，待机电流极小，工作模式下耗电为250μA/MIPS。是一种超低功耗、低压工作的、高性能的16位单片机。其可基本满足编写程序的需要并支持在线编程方便操作。高集成度、体积小、可靠性强，具有极高的性价比；从而使花卉太阳能智能节水灌溉系统具有更高的性价比。

1.2 系统软件设计

单片机主要作用是控制系统所连接的外围器件，并实现一定的通信及数据处理。单片机在进行有关的数据采集时，所采集的数据偶尔会出现随机误差，随机误差是由随机干扰引起的。随机误差是在相同测试状况下测量某一量时，其数值与符号可能会出现无规则的变化且无法人为估测，但在多次测量后的统计结果符合统计学计算规律。故为克服随机干扰引起的随机误差，在编程时可采用软件算法实现剔除一定的随机误差。数字滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。

限幅滤波是数字滤波的一种，其基本计算公式如下：

其中Yn和Yn-1为两次相邻时刻系统的采样值，ΔY为根据经验设定的两次采样允许的最大偏差值。若|Yn-Yn-1|≤ΔY；则Yn有效；若|Yn-Yn-1|>ΔY；则认为系统数据采集时发生了随机干扰，最后一次Yn采集值应以Yn-1替代。

此数字滤波法的输出效果与ΔY值的设定有绝对的关系。一般来说，若ΔY值越小，则系统允许的偏移量越小，反之亦然。

针对该系统实时工作时，单片机数据采集系统中偶尔会出现的随机不可控干扰，考虑到花卉所处环境光强、温度变化及控制系统实际情况，在此该系统选取3 min为采集数据的单位时间。系统工作流程图3如图所示。

2 系统试验

精度测试，取一组实验为例，见表1。

系统平均精度达97.6%，证明该花卉太阳能智能灌溉系统精度高。

3 结语

这款花卉太阳能智能灌溉系统将太阳能光伏发电技术、水肥一体化技术、单片机控制技术与自动控制原理结合在一起，具有较高的科技性，并弥补了国内花卉温室市场上浇灌设备各方面的不足。该系统成本较低，在试验中运行稳定，具有较高的经济性、实用性、环保节能性。

参考文献

[1] 华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 李秀娟.现代化农业设施节水灌溉控制系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.