基于藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術的草坪智能灌溉系統(tǒng)的設計

朱庚華 王碩飛 張佳佳 韓磊 金龍 蔣濤

摘?要：本文介紹了基于藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術的草坪智能灌溉系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測、藍牙BLE組網(wǎng)控制和4G網(wǎng)絡傳輸、控制部分，通過藍牙組網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)通信結合土壤水分傳感器、溫濕度傳感器和天氣預報等實現(xiàn)了草坪環(huán)境的遠程監(jiān)測和自動化灌溉，讓草坪的灌溉更加科學和高效，節(jié)省了人力成本和水資源。

關鍵詞：藍牙;互聯(lián)網(wǎng);土壤水分;灌溉

中圖分類號：TP311.1??文獻標識碼：J

隨著人們生活水平的提高，對生活、工作環(huán)境的綠化也越來越重視，目前各小區(qū)和單位一般都建設有草坪綠地。為了保持草坪良好的生長狀態(tài)，后期的維護成本巨大，灌溉是其中非常重要的支出。很多草坪的灌溉是根據(jù)管理人員的主觀意識，不能準確掌握灌溉時機和灌溉量，缺乏科學依據(jù)，造成人力、水資源不必要的浪費。[1-2]賴其濤設計了基于Zigbee的校園草坪灌溉系統(tǒng)[2]、王一涯等人設計了基于STM32F103的溫室花卉自動噴灌控制系統(tǒng)[3]、郭正琴等設計了基于模糊控制的智能灌溉控制系統(tǒng)[4]，本文利用自動土壤水分觀測儀數(shù)據(jù)，設計一種基于低功耗藍牙組網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的草坪智能灌溉系統(tǒng)，解決草坪灌溉不科學、環(huán)保和浪費人力問題，達到智能、節(jié)能環(huán)保、科學灌溉的目的。

1 系統(tǒng)總體設計

智能灌溉系統(tǒng)結合草坪灌溉理論研究成果，通過DZN2型自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器、水壓傳感器等對相關參數(shù)測量，中心服務器經(jīng)過計算后發(fā)出相應指令。草坪管理人員利用PC瀏覽器或微信小程序經(jīng)授權后，可以查看草坪環(huán)境各參數(shù)，手動控制灌溉系統(tǒng)。

智能灌溉系統(tǒng)主要分為4個部分：一是以自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器組成的草坪環(huán)境監(jiān)測部分;二是以終端藍牙、中心藍牙模塊、4G通訊模塊組成的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)部分;三是以管道、水用電磁閥、噴頭等組成的灌溉部分;四是以中心服務器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁等組成的整體控制部分。整體結構圖見圖1。

1.1 草坪環(huán)境監(jiān)測部分

草坪環(huán)境監(jiān)測部分由自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器和電源組成。

其中自動土壤水分觀測采用氣象部門通用的DZN2型自動土壤水分觀測儀，該設備利用頻域反射法原理（FDR）測量土壤的相對介電常數(shù)來測定土壤水分。試驗測定純水的介電常數(shù)為80.4，干土約為3～7，空氣為1。由于土壤是由水分、干土、空氣等物質組成，其介電常數(shù)受水分變化影響最大，因此可利用此特性精確地測量土壤水分[5]。

土壤水分傳感器利用LC振蕩電路產(chǎn)生的電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化，通過一定的對應關系反演土壤水分。工作時的振蕩頻率為：

F=12πLC

土壤水分的變化導致土壤介電特性變化，傳感器感應的土壤電容C就會改變，進而引起LC振蕩回路的頻率變化，信號經(jīng)過分頻處理，再通過標定參數(shù)后，可得到土壤體積含水量：

θv=aSFb

SF為歸一化參數(shù)，

SF=Fa-FsFa-Fw

Fa為儀器放置于空氣中所測得的頻率，F(xiàn)s為儀器安裝于土壤中所量測得到的頻率，F(xiàn)w為儀器放置在水中所測得的頻率，a、b為待定參數(shù)。為了得到準確的數(shù)據(jù)，自動土壤水分觀測儀安裝前需要測定土壤相關參數(shù)，包括每個土壤層面，這是耗費人力和時間的過程。

溫濕度傳感器采用溫濕一體的DHC1型溫度傳感器，用于測定草坪上方的溫度和相對濕度;圖像傳感器用于觀測草坪生長狀況和灌溉時的實時情況;人體紅外傳感器用于測定草坪上是否有人活動，如發(fā)現(xiàn)有人時自動停止噴灌作業(yè)，人離開草坪時自動開啟作業(yè)。

系統(tǒng)電源采用太陽能和蓄電池供電，12V工作電壓遠低于人體安全電壓，保證系統(tǒng)對人體安全無害。在系統(tǒng)供電中，還提供12V轉5V，用來給藍牙模塊供電。

1.2 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)部分

以終端藍牙、中心藍牙模塊、4G通訊模塊組成的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)部分。藍牙技術是一種支持設備短距離無線技術標準的代稱，用來設備之間的短距離無線電連接，目前已成為最常見的無線通訊方式之一。藍牙技術及藍牙產(chǎn)品的特點主要有：藍牙技術的適用設備多，成本低;藍牙產(chǎn)品使用方便，可以組成數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，在軟件控制下自動傳輸數(shù)據(jù);由于藍牙技術具有跳頻的功能，藍牙技術的安全性和抗干擾能力強;兼容性較好，可以在不同操作系統(tǒng)和硬件之間組網(wǎng)連接。[6]特別是藍牙4.0提出了低功耗藍牙、傳統(tǒng)藍牙和高速藍牙三種模式：高速藍牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸;傳統(tǒng)藍牙則以信息溝通、設備連接為重點;低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）以不需占用太多帶寬的設備連接為主，功耗較老版本降低了90%，進一步拓展了藍牙使用范圍。藍牙4.0還把BLE的傳輸距離提升到100米以上，擁有更快的響應速度。

本系統(tǒng)藍牙組網(wǎng)采用成熟的藍牙4.0BLE組網(wǎng)，利用中心藍牙控制其他藍牙設備的方式組成微微網(wǎng)，100米的傳輸距離足以覆蓋一塊草坪。中心藍牙、草坪環(huán)境監(jiān)測部分數(shù)據(jù)通過采集模塊接入工業(yè)級的宏電H7118型DTU與中心服務器通訊，4G通訊保證系統(tǒng)的高響應速度和低延遲。

1.3 灌溉部分

以管道、水用電磁閥、噴頭等組成的灌溉部分，是本系統(tǒng)直接作用于草坪的一個關鍵部分。所用管道采用草坪灌溉通用件，只是在管道下方增加布設12V電源線，為電磁閥和藍牙模塊提供能源。噴頭選用三臂旋轉噴頭，噴頭在水壓作用下高速旋轉，水花在離心力作用下散開，水花細小密集，且可以設置滿速直射模式，模擬自然降水灌溉更加均勻。在噴頭的前部，裝有12V水用電磁閥，與藍牙模塊連接，用于控制電磁閥的開關。系統(tǒng)可以選裝流量計，用于計算灌溉用水量，便于后期對灌溉節(jié)水量的統(tǒng)計分析。

1.4 整體控制部分

整體控制部分是整個系統(tǒng)的大腦，是系統(tǒng)正常運行的保障，主要包括中心服務器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)頁、微信小程序等。

2 系統(tǒng)控制流程

草坪環(huán)境監(jiān)測部分將數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)街行姆掌?，服務器通過后臺計算土壤水分、溫度、濕度情況結合當?shù)?天天氣預報、草坪季節(jié)需水數(shù)據(jù)，分析出草坪是否需要灌溉。如通過人體紅外傳感器檢測到草坪無人，需要灌溉時，則通過4G網(wǎng)絡向中心藍牙發(fā)送灌溉指令，中心藍牙向其他藍牙模塊傳遞指令，開啟電磁閥進行灌溉作業(yè)，在檢測到土壤水分達到要求后，自動停止作業(yè)。

通過瀏覽器和微信小程序可以實時查看系統(tǒng)運行情況，包括土壤水分、空氣溫度和濕度、草坪是否有人、電磁閥運行狀態(tài)等，也可以手動控制開啟或停止灌溉作業(yè)。

3 結論

本文通過在傳統(tǒng)草坪灌溉系統(tǒng)上增加環(huán)境監(jiān)測、藍牙BLE組網(wǎng)控制和4G網(wǎng)絡傳輸、控制部分，實現(xiàn)了草坪自動灌溉，讓草坪的灌溉更加高效，節(jié)省了人力成本和水資源。在系統(tǒng)設計中采用了太陽能12V供電，讓整個系統(tǒng)更加安全。未來可以通過系統(tǒng)長時間運行積累數(shù)據(jù)，找到草坪各生長周期需水情況，改進算法，使系統(tǒng)更科學。

參考文獻：

[1]孫強.土壤水分對草坪草生長的影響及蒸散需水研究[D].新疆農業(yè)大學，2007.

[2]賴其濤.基于Zigbee的校園草坪智能灌溉系統(tǒng)的設計[J].安徽農業(yè)科學，2017，45（13）：226-227，246.

[3]王一涯，陳曙光，王憲菊.基于STM32F103的溫室花卉自動噴灌控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代農業(yè)科技，2017（10）：174-175.

[4]郭正琴，王一鳴，楊衛(wèi)中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統(tǒng)[J].農機化研究，2006（12）：103-105，108.

[5]陳海波.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析[J].氣象與環(huán)境科學，2013（3）：54-57.

[6]張鵬富.淺談藍牙技術的發(fā)展現(xiàn)狀和前景[J].計算機光盤軟件與應用，2014：36-38.

作者簡介：朱庚華（1986-），男，河南周口人，碩士，工程師，研究方向：農業(yè)氣象，氣象技術裝備維護保障。