基于物联网的智能光伏水泵灌溉系统

张晨滢 杨薇 严德广 薛洋 曹辰旸

[摘要]基于物联网技术，结合光伏水泵及微灌技术，开发出一种智能手机APP客户端，实现人们对农田土壤的远程监控。土壤传感器将收集的土壤水分、温度、微量元素、PH值等参数，反馈到手机APP的数据库中，通过智能计算，以操作APP实现对农田的智能灌溉，从而提高作物的生长和提高产量，并减少对水资源的浪费。整个系统使用的电能均来自太阳能，实现了清洁、智能、高效灌溉，可解决我国西部部分地区农业灌溉缺水问题。

[关键词]物联网；太阳能电池；光伏水泵；微灌

[中图分类号]S27 [文献标识码]A

目前世界各国都是在大量消耗化石资源为代价的基础上实现经济的飞速发展，这导致了全球自然资源短缺、生态环境恶化、水资源污染严重等问题。解决上述问题需要我们人类发展利用各种绿色能源，例如太阳能就是其中应用得比较好的一类绿色能源，人类利用逆变器将太阳能转变为电能，解决西藏、内蒙、青海等缺电地区的用电问题。而基于物联网的智能光伏水泵灌溉系统利用了现代先进的科学技术，将灌溉系统智能化，实现无人灌溉、节能灌溉、智能灌溉。

1 系统的组成与工作原理

基于物联网的智能光伏水泵灌溉系统主要三大部分组成，分别是光伏水泵模块、营养灌溉模块、物联网模块。光伏水泵模块由追日式太阳能电池板、蓄电池、逆变系统、三相异步电机、专用水泵、水塔构成；营养灌溉模块由营养池、水塔、混合池、灌溉网络、土壤数据采集模块构成；物联网模块由土壤数据、控制中枢、终端控制开关、云端服务器、移动客户端构成。系统在正常运行时，追日式太阳能电池板对太阳能进行收集，将其转化为电能，一部分储存于蓄电池中，一部分通过逆变系统直接对水泵供电，水泵将水抽进具有一定高度的水塔中。土壤数据采集模块通过不同的传感器对土壤的各种理化性质进行检测与分析，并将数据传送至控制中枢。控制中枢对数据进行简单地整理和处理后，通过无线传输模块传输到云端服务器（如图1所示）。云端服务器根据对不同节水灌溉条件、气候条件下主要农作物品种的需水指标和需水量建立估算模型，同时以农业模型库、方法库为支撑，对所收集和存储的数据进行分析，处理成具有实际意义的物理量并将处理结果储存到相关数据库中，形成符合本地实际的决策模型。云端服务器通过建立的决策模型对收集到的数据进行分析处理，得出作物的精确灌溉时间、最佳灌水量以及土壤所需营养等，然后再生成各种与之对应的处理方式，展现在pc端或者移动端于工作人员，然后工作人员选择相应的处理方式后，又通过云端将数据传输到控制中枢。控制中枢再将数据传给终端控制开关，终端控制开关对可编程的逻辑控制器和执行电磁阀进行控制，然后对土地实施灌溉。数据采集模块，控制中枢，各种终端控制开关由蓄电池来供电。

2 系统设计

2.1 光伏水泵模块设计

供电系统（如图2）的电能来源于追日式太阳能电池板，将电池板置于采光集中的地点，使其能更好的利用太阳能，得到的太阳能一部分储存于蓄电池中，蓄电池中的电能可以在夜间为整套系统供电，其中包括对控制中枢当中的各种计算与处理系统，各种终端控制开关。夜间供电能使系统全天工作，保障对农田的灌溉与管理。得到的另一部分电能通过逆变系统将直流电转化为交流电供三相异步电动机使用。而三相异步电动机又为水泵提供动力，将地下水提升至水塔中，水塔具有一定的高度，因而水塔中的水具有一定的重力势能，能为后面与营养液的混合提供一部分能量。

2.2 营养灌溉模块设计

营养灌溉模块中的营养池中分为许多独立的空间用于存放不同农作物所需的营养物质，如氮肥、磷肥、钾肥等。每一个空间设置一个终端控制开关，能够根据人为来实现精确控制，能够根据植物的需要进行灌溉。混合池用于混合水塔中的水与营养池中的营养物质，混合池中可安装小型搅拌机来使其混合均匀供农田灌溉。混合均匀后的灌溉用水利用管道传输至农田，传输的管道在农田中形成网状结构，在每个结点处安装微喷灌装置，尽可能使农田得到全方位的灌溉。管道的材料应根据营养的成分来确定，避免损害管道。土壤采集模块包括许多不同的传感器，如土壤水分传感器、土壤湿度计、土壤墒情仪，能对土壤的多种数据进行测量，包括温度、湿度、pH值以及各种营养物质的含量等，将得到的数据传输至控制中枢，来实现对农田的有效灌溉。

2.3 物联网模块设计

物联网模块是由控制中枢、云端服务器、移动客户端、终端控制开关四部分组成的。首先，土壤传感器采集土壤的各方面信息，如湿度、CO2浓度、温度、PH值、微量元素含量等，土壤传感器定时将收集到的信息发送给控制中枢，控制中枢将一段时间内接受到的多种信息进行打包处理，发送给云端服务器。云端服务器工作人员处理分析接收到的数据，通过计算得到最优的灌溉方案（包括灌溉的水量、土壤所缺元素、土壤酸碱平衡等），最终将最优方案信息发送给移动客户端，实现农田的主人通过手机APP获取其农田的最新情况，并根据APP操作实现对农田的无人智能灌溉。农田主人选择云端服务器发送过来的最优方案后，控制中枢将接受该信息，并通过控制对应所需营养池的某种养料池开关与水塔的开关，两种液体在混合池中進行混合，得到做适合当前农田所需的灌溉液，然后启动喷灌电池阀将灌溉液以微喷灌的方式喷洒在农田中，实现较智能的科学无人灌溉。

3 该系统的经济价值和应用前景

1kW光伏水泵提水系统与柴油机提水系统进行经济性对比（见表1、表2）。

光伏水泵的前期投入大，但节省了后期的人工成本，且节约了未来提水所需要的电，运行成本低。该系统安全、操作简单，可实现无人值守灌溉，对于人居分散、交通不便以及地表水缺乏的西部地区来说，是十分重要的。西部地区本身地处内陆，日照时间长，可以将太阳能转换为电能实现提水灌溉，这给西部地区的农业和经济发展提供了保障。该系统可以广泛的应用于西部地区，实现智能、经济、清洁、科学的农业灌溉。

4 结语

总的来说，该系统广泛适用于日照充足的缺水地区。对于西部地区来说，利用该系统可以更好地对地下水资源进行开发和利用，并利用了充足的太阳能，减少了化石燃料的燃烧，实现清洁能源的使用。通过物联网的方式，可不用现场了解土壤的情况，通过远程操作就能实现科学灌溉，增加作物产量，节省劳动力。西部某些地区太阳能资源丰富，年日照时间在2000h以上，年总辐射量在1510kWh/m?以上，因此太阳能水泵可为人畜饮水和提水灌溉提供可靠的能源保障，从而成为经济发展的根本保障。但该系统也具有一定的缺点，前期投入太大，许多农户承担不起这笔费用，这就需要科研人员继续研究改进，降低光伏水泵的价格，实现系统在西部地区能够真正普及应用。

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