智能自動灌溉系統的設計與實現

O 引言
水是生命的基礎，植物正常的生命活動就是建立在不斷地吸水、傳導與運輸、利用和散失的過程之上。在我國水資源卻嚴重不足，使我國成為世界上13個淡水資源最貧乏的國家之一。人均占有淡水資源僅為世界人均占有量的四分之一。水資源的匱乏給我國農業發展帶來了極大的障礙和困難。農作物生長的土壤需要保持一定的濕度，人們通常根據種植的經驗對農作物進行灌溉，不能及時或不能精確地控制澆水的多少，往往造成大水漫灌，在很大程度上白白地浪費掉一大部分水資源。如何利用有限的水資源，走“節水農業”已經成為農業生產獲得最佳的效益和持續穩定發展的增長點。因此使用自來水發電的智能灌溉系統，控制噴灌和微灌系統，能有效地減少田間灌水過程中的滲漏和蒸發損失。現有的灌溉系統都要外接電源，存在一定的安全隱患且較麻煩。本系統可在無供電條件的地區使用，其最大優點為節水、節能、節約勞動力。

1 設計目標與實現方案描述
針對現有的自動灌溉系統都需要外加電源供電，存在一定安全隱患，而且現有的自動灌溉裝置的程序一般固化在系統的程序存儲器內，只能簡單地設置灌溉時間及循環時間，不能靈活根據季節不同自動調節等缺點，該系統將小型直流發電機接上風葉至于密封特制的盒子中，用水流帶動風葉旋轉來發電，再將電能儲存到蓄電池中以給監控電路和電磁閥供電。該裝置是以濕敏電阻和光敏電阻檢測信號，自來水發電用作供電的一種無需外接電源的自動灌溉裝置。該裝置監控電路由信號采集部分，灌溉控制部分，電源部分，執行部分4部分組成。如圖1所示。

1．1 信號采集部分
1．1．1 土壤濕度檢測
采用硅濕敏電阻作為檢測土壤濕度的傳感器，它在25℃時響應時間小于5 s，檢測土壤含水量范圍為O～100％。
當濕敏傳感器插入土壤時，由于土壤含水量不同，使得濕敏傳感器的阻值也不同。通過濕敏電阻和IC1NE555判斷濕度強弱，如果是土壤較干燥，濕敏電阻阻值較大，NE555翻轉，輸出高電平(約為電源電壓)。
調整時，將濕敏電阻插入水內，調Rp1使NE555的3腳輸出為12 V，然后將濕敏電阻從水中取出并擦干，調Rp1使輸出0 V，這樣反復調節多次即可達到要求。
1．1．2 日光強弱檢測
通過光敏電阻和NE555判斷光線是否強烈，如果是中午光線較強烈，IC2 NE555的3腳輸出低電平，此時無論土壤干燥與否均不澆水。此處用NE555進行判斷，當傍晚日光較弱，光敏電阻阻值較大NE555翻轉，輸出高電平(為電源電壓)。
1．2 灌溉控制
1．2．1 與門判斷
當IC1和IC2同時輸出高電平時，IC3 CD4073輸出高電平。無論IC1和IC2中任一不滿足條件，IC3都輸出低電平。
1．2．2 延時電路
通過CD4060和電容電阻和可調電阻組成的震蕩電路實現延時從CD4060開始工作到進入保持狀態這段時間就是灌溉時間。可調節Rp3的阻值來改變延時時間。
1．3 電源部分
由于自來水在水管中流動的速度較快，可以把其中的部分動能回收利用。用自來水壓力推動風葉片帶動微型的發電機，將發電機發出電能存儲到鋰電池中，再通過升壓電路將鋰電池中電能轉存到6 V或者12V蓄電池中。用這部分電能為自動灌溉監控電路提供電能。
1．4 執行部分
使用濕度檢測部分輸出的電壓來控制繼電器的吸合，進而控制電磁閥的通斷，實施自動灌溉。
電磁閥與電源間加一開關，使其可強制打開和關閉。當想欣賞灌溉美景時，強制打開電磁閥即可。

2 結語
試驗證明該裝置具有下述優點：
(1)系統穩定性好。電路主要由模擬電路構成，要求精度不高，穩定性好，監控范圍和延時時間都可調節。
(2)安全性高。本裝置由自來水發電，輸出為低電壓，無任何安全隱患。
(3)成本低。該裝置無需外接電源，無噪音、造價低、體積小、適用范圍廣泛，很容易推廣使用。
(4)環保。自來水發電節約能源，無污染，保護，環境。
(5)可與園林開發商合作，可為種植業節省大量的人力、物力，該節能設備將成為種植業的受益點。
(6)可用于偏遠山村，電力不發達的地方，使當地的經濟作物生長的更好。