自动集雨灌溉系统的设计与实现

王 旭，戎贵文，沈齐婷，罗秀丽

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

全球性水资源短缺日益严重，但暴雨洪水灾害又频繁发生，雨水利用是协调人、地关系，实现社会、经济和环境持续协调发展的重要措施[1]。我国城市的发展不同程度上受到干旱缺水、洪涝灾害的影响。全国600多座城市中，目前有400多个城市供水不足，其中严重缺水的城市有110个，城市年缺水总量达60 亿m3[2]。然而，近几年，每逢雨季，各地城市轮番上演“城市看海”的景象，造成严重的洪涝灾害和人员伤亡及财产损失[3]。城市内涝与水资源短缺的矛盾在一定程度上反映了雨水资源利用与控制技术的不足。国外应对城市化过程中激增的雨水径流，从最初的快速排放，发展到了后来的排洪与蓄洪结合；管理目标从“最佳管理方案”(BMPs)推进到了后来的“低影响开发”(LID)[4-7]。同时，雨水收集方案、利用方式和法律法规迅速发展[8-12]。我国过去对雨水收集利用的研究主要集中在干旱、半干旱地区的农村[13]，近年来，对于现代意义的城市雨水利用理论和雨水管网优化研究逐渐增多[14,15]，雨水利用与工程设计技术逐渐发展和应用[16-18]，在园林景观、生态小区、城市绿地等方面开展了许多雨水收集利用的设计与试验研究[19-22]，但雨水源头减排与利用技术仍有待提高。2014年10月，我国住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建》[23]，旨在加大城市径流雨水源头减排的刚性约束，有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境。为响应国家建设“海绵城市”的需求，实现雨水源头减排与利用，缓解水资源缺水与城市内涝的矛盾，本文设计了自动集雨灌溉系统，研究了该系统的实现过程和运行模式，并在此基础上开展了模型试验测试。

1 系统整体组成

自动集雨浇灌系统由雨水收集系统、浇灌系统和智能控制系统等子系统组成，并将太阳能电池板与该系统集成以提供其工作所需能源，如图1所示。雨水收集系统根据大气降雨条件收集雨水；浇灌系统根据土壤湿度和植物需水量形成相应的灌溉供水源头；智能控制系统利用信号调理器接收各类传感器信号，通过转换器和单片机技术控制相应部件的步进工作。

2 子系统设计

2.1 雨水收集系统

雨水收集系统包括蓄水池、溢流槽、集雨板、集水箱、支撑杆、球形铰链、电动伸缩杆、循环轨道、雨水传感器、水质传感器、水位传感器、滤网、钢刷、从动齿轮、主动齿轮、旋转轴和电动机，如图1所示。蓄水池位于集水箱的正下方，并与之相连通。在靠近集水箱顶部沿长度方向的内侧壁上设有对称的内、外循环轨道，内轨道两端装有旋转轴。集雨板的下端通过合页与集水箱顶部沿长度方向的侧面顶部边缘连接。支撑杆通过球形铰链与固定在集水箱底部中心位置的电动伸缩杆连接。雨水传感器和水质传感器均布置在集水箱外侧壁面，水位传感器布置在集水箱内侧底部。滤网四周固定在集水箱内侧壁面，钢刷两端安装有从动与主动齿轮，主动齿轮位于旋转轴两端，并与循环轨道的齿链皮带互相啮合。当钢刷沿循环轨道的下轨道运动，滤网上的杂物被清除出集水箱，防止滤网堵塞；当钢刷沿循环轨道的上轨道运动时，钢刷被循环轨道拉紧的上轨道提升而与滤网分离。

1-太阳能电池板；2-雨水收集系统；3-蓄水池；4-溢流槽；5-集雨板；6-集水箱；7-支撑杆；8-球形铰链；9-电动伸缩杆；10-循环轨道；11-雨水传感器；12-水质传感器；13-水位传感器；14-滤网；15-钢刷；16-从动齿轮；17-主动齿轮；18-旋转轴；19-电动机；20-浇灌系统；21-潜水泵；22-输水管；23-浮球液位开关；24-土壤湿度传感器；25-智能控制系统

2.2 浇灌系统

浇灌系统由潜水泵、输水管、浮球液位开关和土壤湿度传感器组成，如图1所示。潜水泵安装在蓄水池底部，浮球液位开关固定在蓄水池靠近中部的内侧壁面，土壤湿度传感器埋设在土壤中。各类传感器将信号适时通过专用线路传输给智能控制系统。

2.3 智能控制系统

智能控制系统包括信号调理器、A/D转换器、单片机、D/A转换器和控制台。智能控制系统用于接收各类传感器所采集到的信息，形成相应部件的控制信号，控制蓄电池、电动伸缩杆、电动机和潜水泵的步进工作。

3 系统主程序

系统实现过程的主程序如下：

void main(){

Boolean H2OD_Flag = false; ∥降雨检测标识

Boolean H2OQ_Flag = false; ∥水质检测标识

Boolean Motor1_Flag = false; ∥电机工作标识

Boolean Motor2_Flag = false; ∥伸缩杆工作标识

Boolean Motor3_Flag = false; ∥电机工作标识

Boolean LevelD_Flag = false; ∥水位标识

sbit Interrupt1_Flag = 0; ∥初始化单片机中断1标识

sbit Interrupt2_Flag = 0; ∥初始化单片机中断2标识

while(1){

H2OD_Flag=H2OD(); ∥降雨状态

H2OQ_Flag=H2OQ(); ∥获得水质状态

LevelD_Flag=LevelD(); ∥获得水位状态

HD_Flag=HDetect(); ∥获得湿度状态

If(H2OD_Flag && H2OQ_Flag&&! LevelD_Flag){

Interrupt1_Flag = 1; ∥触发中断1，控制伸缩杆和电机

}

if(HD_Flag){

Interrupt2_Flag = 1; ∥触发中断2，控制潜水泵

}

}

Interrupt1() {

Motor01_Flag =～Motor01_Flag; ∥伸缩杆工作状态取反

Motor02_Flag =～Motor02_Flag; ∥电机工作状态取反

}

Interrupt2() {

Motor03_Flag =～Motor03_Flag; ∥潜水泵工作状态取反

}

}

由于篇幅限制，以上仅列出控制系统主程序部分，用于说明系统的实现过程及原理。

4 系统运行模式

4.1 系统初始模式

在未降雨时，雨水传感器和水质传感器不向信号调理器输入雨水和水质信息，雨水收集系统和智能控制系统处于关闭状态，两个集雨板处于“人”字形相扣状态，太阳能光伏发电系统在光照作用下处于充电状态。

4.2 集雨蓄水模式

在降雨初期，雨水传感器和水质传感器感知降雨信号并将降雨信号和水质信息传递给信号调理器，智能控制系统开始工作，当雨水水质达到智能控制系统内部程序设置的雨水收集标准后，控制台向蓄电池发出指令接通电动伸缩杆的开关线路，电动伸缩杆将推力传递给以球形铰链为支点弯曲的支撑杆，驱使集雨板向外打开，雨水开始自动收集。

在雨水开始自动收集后，控制台向蓄电池发出指令接通电动机开关，电动机开始运转并驱动旋转轴转动，旋转轴驱动主动齿轮旋转，主动齿轮的轮齿带动循环轨道的齿链皮带运动，循环轨道的齿链皮带外侧轮齿带动钢刷两端的从动齿轮旋转，从而钢刷在从动齿轮的带动下沿着循环轨道运转，钢刷在自身重力作用下保持竖直向下状态。

在雨水整个收集过程中，电动伸缩杆始终保持推进工作状态，雨水直接落入滤网或者沿着带有挡水窄板的集雨板流向滤网，电动机始终处于运转状态，钢刷沿着循环轨道的齿链皮带外侧顺时针运转，当钢刷沿循环轨道的下轨道运动时，滤网上的树叶等杂物被清除出集水箱，保持滤网畅通无阻。雨水通过滤网进入集水箱后，在集水箱底部汇集，并沿着溢流槽流入蓄水池。

降雨停止后，雨水传感器传输的降雨信号中断，控制台向电动机发出关闭指令，电动机停止运行，钢刷、从动齿轮、主动齿轮和旋转轴随即停止转动，同时，控制台向电动伸缩杆发出回收指令，支撑杆牵引集雨板恢复到初始的“人”字形相扣状态，蓄电池放电状态中止。

4.3 浇灌模式

在天气干旱、土壤湿度达到土壤湿度传感器设置的下限时，信号调理器接收到土壤湿度传感器的信号，智能控制系统开始工作，向控制台发出灌溉指令，控制台向蓄电池发出指令接通潜水泵开关，雨水通过输水管向外接的浇灌设备供水。在浇灌过程中，当土壤湿度达到土壤湿度传感器的上限时，土壤湿度传感器将此信号传送给智能控制系统，控制台执行切断潜水泵电源指令，潜水泵停止工作。

当蓄水池中的水位降低到浮球液位开关位置时，潜水泵的电源通过浮球液位开关自行切断，防止潜水泵出现干转、引发空烧。

5 模型试验与测试

利用自制的集雨灌溉系统模型在室外开展试验与测试。降雨时，智能控制系统能够接收到水质传感器输送的信息，并控制电动伸缩杆开启集雨板，如图2所示。在降雨停止后，雨水传感器传输的降雨信号中断，智能控制系统能够及时发送模拟信号控制电动伸缩杆回收，牵引集雨板闭合，恢复至初始的“人”字形相扣状态。

图2 现场模型试验Fig.2 Field model test

试验过程中选用不同湿度的土壤样品进行对照。埋设在土壤中的土壤湿度传感器设置有不同的阈值，对于湿度低于预设阈值的土壤样品，智能控制系统能够接收到土壤湿度变化信号并实时控制蓄电池向潜水泵供电，抽取集水箱内的雨水对草坪进行浇灌。经过浇灌过程，土壤湿度逐步增加，在达到预设的湿度阈值上限时，土壤湿度传感器将模拟信号传送至智能控制系统，智能控制系统能够自主切断蓄电池与潜水泵之间的闭合电路，潜水泵停止工作，雨水浇灌过程结束。

在整个集雨和浇灌过程中，集雨板能够在智能控制系统的控制下及时开启并收集雨水；土壤经过雨水浇灌后，土壤湿度最终稳定在预设的湿度阈值范围内。

6 讨论与分析

大力发展雨水资源收集与利用技术，实现雨水资源化，是破解我国水资源发展困局的重要途径之一。随着信息技术的发展，将智能化系统应用于雨水收集和浇灌系统中，实现集雨和浇灌自动化操作，将是未来的发展趋势。

(1)本文的雨水收集系统利用单片机程序、传感器和电动机等协同工作，实现了雨水自动收集，所需电能来源于太阳能，清洁无污染。集雨板的启闭方式设计巧妙，可为设计类似启闭方式提供一定的参考，并且可在此基础上加以改进。该系统延缓了地表径流峰值、削减了径流总量，有利于减轻城市排水管网的压力，保障居民生活安全。

(2)雨水灌溉系统能够根据不同灌溉植物所需湿度范围调节土壤湿度传感器的阈值，自动控制灌溉的频率和水量，提高了雨水利用效率，保证植物生长所需的最佳土壤湿度环境。

(3)自动集雨、灌溉的智能控制系统，是保证系统整体正常运行的关键。本文提供的控制程序用于自动集雨灌溉系统的实现与运行，同时，可为其他类似的设备或者系统实现智能化控制提供借鉴与参考。

7 结 语

本文介绍了自主设计的自动集雨灌溉系统，该系统将集雨、蓄水和灌溉三种功能集为一体，基于传感器技术和单片机原理实现雨水收集与利用过程的自动化与智能化。

(1)雨水收集与利用的自动化与智能化，使得集雨灌溉过程不受人为主观因素的限制，为实现雨水源头及时减排、提高雨水资源利用效率提供了保证。

(2)通过土壤湿度传感器、潜水泵、智能控制系统协同控制土壤所需水量，将收集的雨水用于灌溉，保障植物生长所需适宜湿度的同时，提高了灌溉用水效率。

(3)基于单片机原理实现系统自动化控制与运行，系统运行控制程序的编译与调试，可为类似系统的编程与实现提供理论参考。

(4)模型试验结果表明该系统可以实现雨水收集与利用过程的自动化与智能化，但受限于加工技术条件，自动集雨灌溉系统的全部功能并未完全在模型中体现。建立功能更加完善的试验模型，并开展多种工况条件下的试验与测试将是今后继续需要开展的工作。