水肥一体化滴灌自动控制系统的研究

水肥一体化滴灌自动控制系统的研究

0灌溉施肥及控制自动控制装置在柑橘生产中，灌溉和施肥的管理直接影响着柑橘的产量和质量。滴灌因具有节水节肥增产的效益,被视为发展低碳农业的有效措施之一,得到了越来越广泛的应用。随着滴灌设施被列入农机购置补贴目录,越来越多的柑橘园开始采用滴灌技术进行灌溉和施肥。由于滴灌属于低压灌水系统,目前有些山地柑橘园根据地势优势在高处建设了蓄水池,利用高度落差产生的压力将液体输送到滴灌管网中进行滴灌。根据调研知,为提高肥料的利用率,农技人员或果农通常是在此类柑橘园中建立独立的水池和肥池,并采用先灌水、后灌肥及再灌水的方式进行滴灌施肥。这种将水、肥分开滴灌的方式简单实用,但整个过程中滴灌的启停以及水、肥滴灌的时间比例的控制需要人工操作,费时费力且效率低下。因此迫切需要一种水肥滴灌自动控制装置来替代人工。目前研制了一些智能化的灌溉施肥自动控制系统或装置[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],采用电动注入泵的方式,能实时在线地精确控制施肥比例和施肥量,但由于这些柑橘园处于山地往往缺乏电力供应,而且多是单家独户种植与经营,对成本比较敏感,制约了这些系统在此类柑橘园中推广应用。此外,李加念等和洪添胜等各研制了一种以电池供电的低功耗滴灌自动控制器,成本低且操作简单,但只能控制单个水池的清水滴灌或者将水和肥料溶于单个池中的水肥滴灌。为此,本文针对此类柑橘园设计一个既满足农艺要求又适合推广应用的水肥一体化滴灌自动控制装置。1全球计划的设计1.1双水池/肥池灌草管栽植的特点根据实地调研和分析,装置的设计应满足以下要求:1)以干电池供电,尽量提高电池的使用寿命;2)操作简单,适合果农使用,而且成本低;3)既要适用两个独立的水池或肥池的水肥一体化滴灌控制,又要适用于单个水池的滴灌控制:4)用户可现场设定滴灌的周期、滴灌时长以及启动时间,而且还可以手动控制;5)能随时了解电池电量是否充足,是否需要更换电池。1.2msp330f2132机根据设计需求提出了如图1所示的原理框图,电池经电源电路转换成合适的电压为电路各单元供电;人机交互单元用来设定滴灌的控制功能及参数;电量检测电路用来检测电池是否有足够的电量;2个电磁阀分别用来控制清水管道的通断和液肥管道的通断;单片机选用TI公司的超低功耗的MSP430F2132单片机,内部集成有10位的ADC(analogtodigitalconverter)转换器,其工作电压为1.8~3.6V,1MHz全速运行时电流为250uf06dA,工作在以32768Hz晶振为时钟源的LPM3休眠模式时电流为0.8μA。控制器根据人机交互单元的设定,通过控制电磁阀驱动电路打开或关闭2个电磁阀从而实现定时自动控制水或水肥一体化滴灌。2电源管理2.1稳压器的应用采用9V碱性电池作供电电源,通过如图2所示的电源电路将电池电压转换为9和3V2路电压。3V支路为单片机及主控制电路供电,它主要由稳压芯片MAX8880与外接的阻容元件组成,其中MAX8880是一款超低功耗的低压差线性稳压器,其输入电压为2.5~12V,消耗电流为3.5uf06dA,输出电压精度为±1.5%,最大压差为0.2V,即当电池下降到3.2V时还能将电压稳压在3V,很大程度上提高了电池的利用率。9V支路为电磁阀驱动电路供电,它主要由高效率升压芯片LT1961与阻容元件、电感器和肖特基二极管组成,其中LT1961的输入电压为3~25V,输出电压误差为±2%,最大输出电流为1.5A,且具有可控制的低至6uf06dA的掉电模式。仅当需要驱动电磁阀动作时,才需要LT1961工作,并且使LT1961工作约30ms以使大电容C9充入足够的电量,而后以C9为驱动电路供电进行电磁阀的驱动,这样可防止电磁阀瞬间动作时产生的大电流将电池电压大幅度拉低而造成整个系统不能正常工作。2.2电池电压vin通过检测电池电压来反映电池的电量,当电池电压小于某个值时则认为电池电量不足,需要更换电池。由于电池电压高于单片机的工作电压,不能利用单片机内部的ADC转换器直接检测电池电压,因此通过一个电阻分压电路将电池电压等比例缩小后再送至单片机的ADC转换器进行检测,然后根据电阻分压电路的分压比例将检测到的电池还原成电池电压。其电路原理图如图3a所示,当进行电池电量检测时,通过单片机I/O口使ADC3_EN输出高电平以使MOS(metaloxidesemi--conductor,金属氧化物半导体)管Q3、Q4导通,从而将电池与电阻R8、R9相串联,通过R8、R9对电池电压分压后再由ADC3送至单片机的ADC接口进行检测;当不需要检测电池电量时,使ADC3_EN输出低电平以使Q3、Q4截止,从而将电池与R8、R9串联支路断开以降低电路功耗。由于Q4的导通电阻很小(约为几十毫欧姆),其两端的压降可以忽略不计,因而电池的电压可用下式计算式中,Vin为电池电压,V;VADC为单片机检测的电压值,V。电池电量是否充足通过一个双色LED来指示,其电路原理图如图3b所示,当检测到的电池电压小于4V时,认为电池电量不足,并通过单片机的I/O口控制LED1输出高电平,使MOS管Q1导通,从而使双色LED亮红灯;当检测到的电池电压大于4V时,则认为电量充足,并控制LED2输出高电平,使MOS管Q2导通,从而使双色LED亮绿灯。3电磁阀的选择和动力3.1柑橘属阀电磁阀是滴灌的直接执行器,其通径的大小可以决定单位时间内滴灌的控制面积。选用型号为ZCS-08P的先导式脉冲电磁阀,其参数如表1所示,该阀利用了脉冲技术和永磁技术,阀门动作后其状态在永磁力的作用下自保持而不需要电能维持,适合应用于低功耗滴灌控制装置的设计。由于柑橘在各生长期内的需水量是不相同的,在果实膨大期需水量最多,其需水强度为3.5mm/d,即35m3/(hm2uf0d7d),也就是说柑橘园每公顷的灌水定额最多为35m3。因此根据流量特性可估算出该电磁阀1h至少可以控制1.14hm2橘园的滴灌。3.2控制器在不同水压、无电压下的电流响应分析通过H桥电路将电池电压转换为脉冲电压来驱动电磁阀的开与关,驱动电压采用脉冲9VDC,其电路原理图如图4所示。电磁阀的打开与关闭通过单片机I/O口的输出电平进行控制,当H11、H12为1、0时,电磁阀打开;当H11、H12为0、1时,电磁阀关闭。由于电磁阀完成开关动作的时间只有几十毫秒,为此用一个0.1Ω的功率电阻串联在电源输入端正级,并用示波器(型号为TektronixTDS3052B)捕捉电阻两端的脉冲电压,然后计算出其电流。控制器在不同水压、不同电压下驱动电磁阀开关动作时消耗的电流分别如图5所示。由图5a知,在不同水压下控制器驱动电磁阀开与关的电流是基本相同的,而且基本上不受水压的影响,图中各数据点之间的偏差是示波器的检测误差所引起的。由图5b知,在不同电压下控制器驱动电磁阀动作时的电流随着电源输入电压的下降而增加,但当电压下降至4V以下时驱动电流开始下降。这主要由电源电路中的升压部分引起的,在输入电压从10V下降至4V的过程中,升压电路转换的效率不断下降从而使其本身消耗的电流增加,而当输入电压下降至4V以下时升压电路不能升压到9V,使电磁阀两端的驱动电压低于9V,从而电磁阀消耗的电流开始下降。4控制战略4.1旋至“统一”时启动“采用”旋律开关通过2个12挡位的旋钮开关与图6所示的控制面板相结合的方式,可使控制装置具有以下5种功能:1)当右边的旋钮开关旋至“电量检测”时,则进行电池电压检测,并通过面板上的双色LED灯指示电量状态,以提示用户是否需要更换电池;2)当旋至“手动开”时,则开启电磁阀1进行手动滴灌控制,只有当旋离“手动开”时才关闭电磁阀1停止滴灌;3)当旋至“水肥”时,则判断左边旋钮开关设定的间隔天数是否满足,若满足则启动水肥一体滴灌定时控制程序;4)当右边的旋钮开关旋至数字刻度时,则根据2个旋钮开关所设定的时间参数控制电磁阀1进行清水定时滴灌控制,此时左边的旋钮开关用于设定滴灌间隔天数和滴灌时长,其中滴灌间隔天数与滴灌时长对应的旋钮开关挡位有复用功能,右边的旋钮开关用于设定滴灌启动时间;5)设定及校准控制装置的时钟,即将2个旋钮开关旋至相应刻度,然后按一下控制器中的复位按键即可,此时以最内圈数字为准,左边表示小时,右边表示分钟,时钟的设定范围为07:00~18:55。其中2个旋钮开关的挡位是通过检测每个挡位的电压值来区分的,其具体电路和实现方法可参见文献。由于该装置的滴灌启动时间可以由用户设定,因此可以将大面积柑橘园化分为多个灌溉区,然后在每个灌区安装一套该装置并分别设置不同的滴灌启动时间,通过这种方式将多套装置组合起来进行轮灌,从而可以实现大面积柑橘园的水肥滴灌控制。4.2基肥控制装置控制方法由于滴灌属于低压灌溉系统,只要管网中的水压大于滴头出流所需的最小压力值且变化范围不大,每个滴头的出流量则可基本稳定,如果采用恒压滴头则效果更佳。本装置是以建设在高处的水池和肥池中的液体为水头进行滴灌的,在整个滴灌过程中流入管网中的液体压力变化不大,因此可通过时间来控制水肥的出流量,而不需要专门的流量计量仪器,经济简单。控制装置通过2个电磁阀的开关操作,分别控制清水管道和液肥管道的通断,从而控制2个独立的水池和液肥池中的液体流入滴灌管网的时间,以此来达到水肥一体化滴灌的效果。当旋至“水肥”时,则先判断左边旋钮开关设定的间隔天数是否满足,若满足则启动水肥一体滴灌定时控制程序,根据柑橘农艺专家的建议,将该程序分为以下3个阶段:1)打开电磁阀1进行清水滴灌1h,使土壤充分湿润,以提高肥液的吸收和利用;2)关闭电磁阀1停止清水滴灌,同时打开电磁阀2进行肥肥液滴灌1.5h;3)关闭电磁阀2停止肥液滴灌,并打开电磁阀1进行清水滴灌灌水1h,以使管道中残留的肥液全部流出,达到较理想的水肥一体化施用效果,同时还可以避免残留在管道中的未充分溶解的肥料小颗粒堵塞滴头,从而影响滴灌管道的滴灌效果。该水肥滴灌定时控制程序可根据当地柑橘园的土壤类型、气候及柑橘树的生长状况等实际情况进行定制,如果土壤已经很湿润则可以省略第1阶段的清水滴灌。4.3系统唤醒后低功耗工况由于控制器的操作实时性不高,因此可充分利用睡眠机制,使系统每休眠5s工作1次,而且系统唤醒后,采用分时分区供电的电源管理方法,以最大程度地降低功耗,其程序流程如图7所示。由于单片机每次唤醒后全速运行的时间小于100ms,因此控制器处于休眠状态的时间比例在99%以上。5试验装置的性能5.1静态电流的测量休眠期间整个电路消耗的电流为静态电流,由于控制器99%以上的时间处于休眠状态,因此静态电流越小则电池的使用寿命越长。图8为不同工作电压下所测得的静态电流。从图8可以看出,控制器的静态电流很小且受电源电压的影响不大,当电源电压从3V变化至10V时,静态电流仅从8.0uf06dA上升至11.2uf06dA。5.2控制装置运行可靠按照图9所示的安装方法,将控制装置(以1节9V碱性电池6LR61作为电源)安装在华南农业大学工程学院柑橘试验场进行了约6个月的水肥滴灌控制试验。试验期间,控制装置每1d进行一次清水滴灌,每5d进行一次水肥滴灌,并且不定时地通过手动方式启动清水或水肥滴灌。试验结果表明:控制装置在整个试验期间运行可靠稳定、未出现故障,电磁阀1和电磁阀2分别可靠地进行了600次、100次以上的开关动作;控制装置不仅能够按照控制面板所设定的水肥功能准确地启动水肥一体滴灌定时控制程序进行滴灌,而且还能根据设定的滴灌启动时间、间隔天数和滴灌时长准确地进行定时自动清水滴灌,此外还可以通过控制面板手动控制滴灌。同时,在试验过程中每10d测量一次电池电压,并启动电池电量检测功能以验证其准确性,试验结果表明,电池电量检测功能可以准确无误地判断电池电量是否充足,控制装置的耗电量很小,控制器连续运行6个月后,其电池电压从初始值9.35V下降至8.50V,电池电压的变化情况如图10所示。6装置工作原理1)针对有独立水池和独立液肥池且采用自流滴灌的中小规模柑橘园,研制了一个以电池供电的水肥一体化滴灌定时控制装置,既可控制水肥一体