基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制

1、基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制0引言微灌具有节水节肥、省工、节能以及对土壤和地形适应性强等特点，微灌系统日益广泛地被应用于发展设施农业、节水农业、生态建设等方面，是农作物高产、高效、优质的重要技术手段。在微灌的过程中，管道中水压或水流的稳定性对灌溉均匀性，尤其是对文丘里施肥装置、水力驱动施肥装置等自动施肥装置的施肥性能5-9，有着显著的影响。目前，一些中小规模的果园、温室、苗圃等直接以自来水管为水源，或将利用建设于高处的蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌。但自来水管中的水压会随着小区居民的用水量波动，特别是在用水高峰期甚至可能会因供水不足而不能提供滴灌所需的水压；蓄水池的水位会随着

2、滴灌的进行逐渐降低，其水头压力也不断下降，从而使得整个滴灌过程中的灌溉、施肥效果不一致。因此有必要在微灌系统中采取恒压措施，以使在灌溉全过程中灌水或施肥均匀、稳定。对此，很多科研人员也开展了相关的研究，主要集中于根据灌溉需水量实时调节出水量的恒压灌溉系统和为灌溉管网实时提供稳定水压的恒压供水系统，这些系统均采用变频器对水泵机组调频调速的方式实现恒压控制，并取得了较好地实际应用效果，但对于中小规模果园、温室、苗圃等的微灌系统而言，其成本相对较高，且需电力供应，从而限制了其适用性。为此，本文针对此类微灌系统，从易于应用推广的角度出发，设计了一套以太阳能供电的恒压供水装置，以实现整个灌溉过程的均匀性

3、和稳定性。1总体方案设计1.1设计需求分析根据调研和实际分析知，装置的设计应满足以下要求：1）在任何时刻均能为滴灌提供水源，并且在整个滴灌过程中使管道中的水压保持相对恒定；2）能适用于野外及无电力到达的地区；3）有较高的自动化程度，整个控制过程无需人力投入，以节约劳力成本；4）造价成本相对较低，兼具实用性和经济性，易于在广大农户中推广应用。1.2总体方案根据设计需求，并考虑到滴灌实时需水量不大等因素，提出了如图1所示的装置原理框图。该装置采用以太阳能供电驱动小功率直流水泵的方式，将水提到建设于高处的蓄水池中，并利用蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌，同时通过控制蓄水池的水位维持在某一恒定值来实现

4、恒压供水。在滴灌过程中，实时检测蓄水池的水位，当水位低于某一设定值时则控制水泵进行提水。由于实际应用中，蓄水池与水泵控制端有一定的距离，为便于安装和布线，采用无线通信模块实现蓄水池水位检测与水泵控制的无线通信与控制，而且采用另一个小功率太阳能电池板为蓄水池端的水位检测电路及无线通信模块供电。为最大程度地利用太阳能，采用相应传感器检测太阳辐射强度，并根据检测值与蓄电池的荷电状态，选择直接以太阳能电池板或蓄电池为水泵控制电路供电。为降低控制电路的功耗，装置采用低功耗单片机MSP430F2132作为控制器，同时采用分时分区供电的低功耗设计手段进行软硬件设计。2光伏容量设计光伏容量设计的基本原则是，在

5、充分满足负载用电需求的前提下，尽量减少太阳电池方阵和蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳结合。光伏容量的配置要能满足每次滴灌时500 L的灌溉定额，以及连续7d无日照情况下系统能正常工作的要求。2.1负载耗电量的估算负载耗电量的估算，是设计光伏系统容量的前提和关键因素之一。本装置的主要耗电负载是执行提水动作的水泵，因此以水泵的耗电量进行估算。本文根据实际应用需求分析，选择12V供电的直流隔膜泵进行提水，其具体参数如表1所示。为保证系统在任何时候都能可靠工作，以每天进行一次滴灌的灌溉频率来估算耗电量，即需要水泵每天要工作1.67 h提水500 L到蓄水池中。负载每天的耗电量QL可用式(1)计

6、算太阳能电池板的功率可用式(2)计算得出由于水泵的工作电压为12V，选取额定电压为12V的铅酸蓄电池，其浮充电压为14.5 V。对晶体硅太阳能电池组件防反充二极管压降可取为0.7 V，线损引起的压降通常可取1V。安全系数在此取k=l.2。太阳能电池板的输出电流主要取决于累年各月平均辐照量，其最大、最小电流可通过式(3)和式(4)计算将相应数据代入式(2)可计算出太阳能电池方阵的功率P=47.2 W。结合考虑市面上常见的太阳能电池组件及太阳能电池的转换效率，选择峰值功率为60 W、峰值电压为18.0 V的单晶硅层压太阳能电池板。2.3蓄电池容量的确定蓄电池的容量可用式(8)进行计算3水泵的控制3

7、.1水泵的启停控制由于水泵是感性负载，在上电瞬间会有一个很大的启动电流，掉电瞬间会存在一个很大的反向电动势，从而也会引起一个很大的反向电流，即在水泵的上电或掉电瞬间会使电路上产生一个很大的尖峰脉冲电流。该尖峰脉冲电流不但会对相应的元器件造成冲击，而且还可能会干扰整个电路的正常工作。为避免尖峰脉冲电流的出现，采用软启动和软停止的方式控制水泵的启停，即采用变占空比的PWM控制方式，其电路如图2所示。其中，VIN与输入电源相连，Vout与水泵的电源端相连，IO PWM与单片机的I/0端口相连，Q7是型号为SUD50P06-15L的大功率P沟道MOS管，其最大导通电流为50 A。当要启动水泵时，使与I

8、O PWM相连的单片机I/O端口输出的PWM波的占空比以1%的步进从0缓慢地增大到100%，PWM波在每个占空比下的维持时间为20 ms。当要停止水泵时，则采用相同的方式使PWM波的占空比从100%降至0。由于进行PWM控制的工作频率为20 kHz，从而完成一次软启动或软停止过程需要2S。3.2水泵供电方式的选择与切换采用2种方式为水泵供电：蓄电池或太阳能电池板。当太阳辐射足够强，太阳能电池板输出的功率能直接驱动水泵工作，且蓄电池处于满电荷状态时，则采用太阳能电池板为水泵直接供电，以最大程度地利用太阳能；在其它情况下则采用蓄电池供电。考虑到水泵启动时所需的启动电流较大，为保证水泵的可靠启动，在

9、采用太阳能电池板直接供电时，先通过蓄电池使水泵正常启动后，再将电源切换为太阳能电池板。水泵的供电方式通过图3所示的电路进行选择和切换，当SUN、BATT分别为1、0时，选择太阳能电池板直接为水泵供电；当SUN、BATT分别为0、1时，选择蓄电池为水泵供电。太阳辐射强度通过光辐射强度传感器TSL230来检测。TSL230主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流频率集成转换器构成，可直接输出正比例于入射光辐射强度的方波或脉冲串(占空比为50%)，方波或脉冲串的频率完全由光强决定。为得到太阳能电池板输出功率与TSL230传感器输出频率之间的对应关系，先通过试验标定的方法确定TSL230传感器输出频率

10、与太阳辐射强度的关系，然后通过试验标定的方法确定太阳能电池板输出频率与太阳辐射强度的关系，最后根据两次试验的标定结果得出太阳能电池板输出功率与TSL230传感器输出频率之间的对应关系。试验过程中的太阳辐射强度通过太阳辐射电流表TBQ-DL（测试范围为02000 W/m2，精度1 W/m2）进行测量。为使试验数据能尽量覆盖某一个太阳辐射强度范围内的所有测试点，先后进行了多天的试验，而且在试验过程中使TSL230、TBQ-DL的感光窗口与太阳能电池板处于同一个平面上，并基本上正对太阳入射光线，2次标定试验的结果分别如图4和图5所示。由图4知，同一太阳辐射强度下对应有多个TSL230传感器的输出频率

11、，这主要是由于TSL230传感器和太阳辐射电流表TBQ-DL本身的测量误差导致在不同时间、地点其测量值有所不同，但是总体上TSL230传感器的输出频率与太阳辐射强度成正比关系，其线性拟合函数如式(9)所示，决定系数R2为0.9701。yl=0.0002x1 - 0.5522(9)式中，Yl为太阳辐射电流表TBQ-DL的电流，mA，x1为TSL230传感器的输出频率，Hz。由图5知，总体上太阳能电池板的输出功率与太阳辐射强度成正比关系，其线性拟合函数如式(10)所示，决定系数RE为0.9714。其中，太阳能电池板的输出功率通过测量其开路电压和短路电流并将二者相乘而得。y2=4.1569x2+6.

12、2864(10)式中，沈为太阳能电池板的输出功率，W; X2为太阳辐射电流表TBQ-DL的电流，mA。因此，通过式(9)和式(10)可得到太阳能电池板输出功率与TSL230传感器输出频率之间的关系，即y2=0.00083 x1+3.9910(11)式中，zl同式(9)，Y2同式(10)。4蓄水池的水位控制4.1蓄水池端的电源电路由于蓄水池与主电路相距一定距离，因此需要一个独立的电源为水位检测电路、无线通信模块及相关电路供电。采用一块峰值功率为0.9 W的3V太阳能电池板感应太阳能，并通过如图6所示的电路将能量储存于3.7 V、1400 mA-h的锂电池中，作为蓄水池端的整个电路的供电电源。然后

13、将锂电池电压稳压至3.3 V为单片机、无线通信模块供电，以及升压至9V为水位检测电路供电。图6所示的电路主要由升压芯片LTC3105及其相应的外围元器件组成，通过该电路可将太阳能电池板的输出电压升压至4.2V，向锂电池充电。LTC3105是一款专门用于太阳能充电管理的集成电路，内部集成有最大功率点控制器，能最大效率地将太阳能电池板收集的能量储存于锂电池中。当太阳能电池板的输出电压低于0.225 V时，则LTC3105自动进入静态电流为10 #A的掉电模式，当太阳能电池板的输出电压高于0.25 V时，则自动启动LTC3105将太阳能储存于锂电池中。4.2蓄水池水位检测采用二线制液位变送器YZ-Y

14、O-LAGl（输入电压为912V，量程为2m，输出信号为420mA，精度为满量程时的0.25%）实现蓄水池水位的检测，其电路如图7所示，主要由液位变送器YZ-YO-LAG1、运算放大器AD8667以及外围的阻容元件组成。电阻R6的阻值为1 Q，用于将YZ-YO-LAG1输出的420 mA电流信号转化为420 mV的电压信号。AD8667与电阻R2、R3和R4组成一个增益为100的放大电路，将420 mV的电压信号放大至0.42V，以便单片机进行ADC转换。虽然液位变送器YZ-YO-LAG1的输出电流与所测的液位成线性正比关系，但其具体的线性关系会因不同个体而存在差异，因此，为提高测量精度，需对

15、其进行标定。在标定试验的过程中，将YZ-YO-LAG1置于蓄水池底部，通过加水或放水的方式控制蓄水池的液位，并用数字万用表(FLUKE 18B)测量各个液位下变送器的输出电流，试验数据如图8所示。由图可知YZ-YO-LAG1的输出电流与所测水位有着显著的线性对应关系，其决定系数R2=0.997。因此，根据液位变送器YZ-YO-LAG1输出电流即可获得蓄水池的水位。4.3蓄水池水位的无线控制采用CCll01无线通信模块和全向吸盘天线来实现水泵控制端与蓄水池端之间的无线通信，以使水泵控制端能及时了解蓄水池的水位，并将水位与设定值比较，进行水泵的启停控制。在实际应用中，CCll01无线通信模块的载波

16、频率设置为433 MHz，发射频率设为10 dBm，数据传输速率设置为38.4 kbps，采用GFSK调制方式。CCll01无线通信模块进行无线数据收发的电流(接收时为15.6 mA，发送时为29.2 mA)相对于电池供电的装置而言有点偏大，因此从降低功耗、提高电池使用寿命的角度出发，应尽量减小无线通信的时间，使CCll01无线通信模块大部分时间处于电流为1 A的休眠模式。由于蓄水池水位的变化只发生在进行滴灌的时段内，而且蓄水池水位的变化比较缓慢，不需要频繁地对水泵进行启停控制，因此采用定时通信的策略，同时采用时间同步技术使通信双方保持时间同步。为方便描述通信双方，将水泵控制端定义为主机，蓄水

17、池水位检测端定义为从机。从实际的灌溉管理角度看，在某些时段（如21:00次日06:00）内是不需要进行滴灌的，因此可采用在滴灌时段范围内每5 min进行1次通信，在非滴灌时段内每30 min进行1次通信以同步时间。为进一步降低通信的功耗，在通信过程中，从机采用无线唤醒的工作模式，并将无线唤醒工作模式的周期设ls，接收时间窗口的占空比设为6.25%，即接收时间窗口为62.5 ms，当从机在接收时间窗口内侦听到数据时，则唤醒从机进行数据的无线接收状态；而主机的发送模式与从机相配套，即在ls周期内以每隔62.5 ms发送一次数据包的形式持续发送。主机发送的数据包格式为：目标地址、包长度、小时、分钟、

18、秒和通信间隔时间共6个字节，从机接收到主机的数据包后，根据主机发来的时钟信息（小时、分钟和秒）更新自身的实时时钟，并启动液位变送器YZ-YO-LAG1进行水位检测，然后将水位信息传回至主机，从机发送的数据包格式为目标地址、包长度和水位信息3个字节。通信成功后，主机和从机均进入休眠模式，并根据通信间隔时间进行下一次通信，即当通信间隔时间到时，主机以相同方式发送数据，从机自动启动无线唤醒工作模式进行数据侦听。在通信过程中，主机每持续发送ls的数据后，等待ls以接收从机的反馈信息，而从机在接收到主机的数据包时则延时ls后再发送给主机，使从机的发送时刻发生在主机的接收时间段内，即，每完成1次通信至少需

19、要2s。如果在一个通信周期(2 s)内不能通信成功，则重新启动下一个周期的通信，当重复进行了10个通信周期仍不能实现双方的通信，则认为此次通信失败，并停止水泵工作（若此时水泵处于运行状态）以防止水泵继续工作使水溢出蓄水池，然后直接进入下一次通信。5恒压供水自动控制装置的测试试验5.1水泵提水性能测试隔膜泵DP-60标配的进出口管径为DN10，而在实际应用中为方便与滴灌管网的连接，采用管径为DN15的PVC管与隔膜泵DP-60的进出口相连。为确定隔膜泵DP-60在以DN15管径的PVC管作为进出口连接管时的最大吸程和最大扬程，以及在各个吸程和扬程下水泵的电流和流量等特性，从而为隔膜泵DP-60的

20、实际安装和控制提供参考和指导，在华南农业大学信息软件学院大楼（共9层楼）的楼梯间进行了测试试验。首先，在扬程为O的条件下逐步增加吸程进行测试，以获得最大吸程；然后在各个吸程下，通过加长出口PVC管长度的方式来改变扬程进行测试，以获得该吸程条件下的最大扬程。试验过程中，以直流12V电压为隔膜泵DP-60供电，用万用表测试其工作电流，对每个测试点连续稳定测试约3 min，并用体积法计算出其流量。试验结果如图9所示。在试验中发现，对于每一个测试点的测试过程中隔膜泵的电流均表现为在一个小范围内波动，而且对于同一个测试点在不同时间的测试，其电流也表现出随机性，即两次测试的电流波动范围有所差别。根据隔膜泵

21、的流量正比于电流的特性知，其流量也是在一个小范围内波动和随机变动的。为方便描述，图9中的电流取为每个测试点测试过程中的平均电流，流量取为测试时间内的平均流量。由试验结果知，当隔膜泵的扬程为0时其吸程达到最大值2.5 m。从图9知，隔膜泵DP-60的最大扬程随着吸程的增加而降低，当吸程为0.5 m时最大扬程为40 m，当吸程为2.0 m时最大扬程降为22 m;在相同的吸程条件下，隔膜泵的电流随着扬程的增加而增加，隔膜泵的流量随着扬程的增加而减小。图9中个别数据点的大幅度起伏变化是由于隔膜泵的电流随机性变动引起的。5.2无线通信的可靠性测试本文将所研制的恒压供水自动控制装置安装于华南农业大学工程学

22、院柑橘试验场，采用一个容量为500 L的塑料桶作为蓄水池，并利用不锈钢支架将其固定于水泵控制端附近的楼层上，使其与水泵控制端的垂直距离为8.6m、水平距离为3m。蓄水池端与水泵控制端之间的无线通信有墙体及遮雨板阻挡。为验证蓄水池端与水泵控制端无线通信的可靠性，通过试验随机监测了装置运行多天以来共50次在滴灌控制时段内的通信情况。试验结果表明，所监测的50次无线通信的成功率均为100%，其中40次无线通信中一个周期(2 s)内完成，6次无线通信在2个周期(4 s)内完成，3次无线通信在3个周期(6 s)内完成，1次无线通信在5个周期(10s)内完成。5.3装置的实际应用测试将恒压供水自动控制装置与柑橘试验场的滴灌管网连接，进行了6个多月的实际应用试验。试验过程中，采用蓄水桶盛装自来水作为装置的水源，为保证蓄水桶的水不会因水泵工作而耗尽，在自来水管上安装了一个电磁阀，并设计了一个自动放水装置，根据蓄水桶中的水位自动控制电磁阀进行放水；并且在滴灌主干管道上安装了一个滴灌定时控制器，以每天1次、每次20 min的频率进行定时滴灌；此外，还不定期地多次在非定时滴灌时段通过手动进行滴灌，而且手动滴灌的持续时间在20 min内任意选取。根据试验结