基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚噴灌系統(tǒng)電路設計

梁 毅，楊建國

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 徐州 221006）

我國是一個缺水嚴重的國家，淡水資源總量僅占全球水資源的6%；我國的人均水資源量只有2 300 m3，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。然而，我國又是世界上用水量最多的國家，大約占世界年取用量的13%，是美國的1.2倍左右。其中，農(nóng)業(yè)用水的大戶是灌溉，約占全社會總用水量的68%。隨著設施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，溫室大棚的用水量占農(nóng)業(yè)灌溉的用水比重越來越高，節(jié)約用水的任務也愈來愈艱巨。

在溫室大棚中，作物的整個生長周期都要在非自然體系中度過，溫室中濕度的變化相對于外界要緩慢得多，作物的生長環(huán)境有其獨特性。而由于作物的種類不同，其生長過程對土壤的水分要求也存在著較為明顯的差異。由此可見，溫室大棚對水分的要求并不是越多越好，而是要依據(jù)作物的具體需求，才能達到使作物健康生長和節(jié)約用水的目的。在實際生產(chǎn)中，采用噴灌技術(shù)可使溫室大棚內(nèi)的水、肥、溫度等互相作用，調(diào)節(jié)空氣濕度，改善作物的生長環(huán)境。故在溫室大棚中有必要對土壤的濕度進行監(jiān)測，并能根據(jù)作物生長的需要改變。所以開發(fā)一個依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能實時顯示土壤濕度，并自動控制或使用手機APP軟件控制水泵動作，以實現(xiàn)自動澆灌、遠程控制澆灌和噴淋的溫室大棚噴灌系統(tǒng)具有現(xiàn)實的意義。

1 噴灌系統(tǒng)的組成和功能

本系統(tǒng)主要由開關(guān)電源模塊、工業(yè)級土壤水分變送器、智能變送儀和Wi-Fi遠程控制模塊等模塊組成。開關(guān)電源模塊輸入電壓為AC220 V，整流后輸出DC12 V，向土壤水分變送器和Wi-Fi遠程控制模塊提供直流工作電源。

本系統(tǒng)中，土壤水分變送器選用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的RS-SD系列的產(chǎn)品。該類土壤水分變送器具有測量精度高、響應速度快、互換性好及受土壤含鹽量影響較小等特點，可適用于各種土質(zhì)。另外，該土壤水分變送器完全密封，耐酸堿腐蝕，可埋入土壤進行長期動態(tài)檢測，性能可靠。其主要技術(shù)參數(shù)是：相對濕度量程為1%～100%；分辨率為0.1%；精度為±3%。土壤水分變送器工作時向外輸出2路信號，一路信號經(jīng)過RS485總線和RS485轉(zhuǎn)RS232模塊，將信號傳輸至PC端，使土壤濕度可以實時顯示在PC端顯示器上，供在線監(jiān)測；另一路信號變送為4～20 mA電流信號，輸入到智能變送儀，以控制水泵動作。

智能變送儀代表著新一代變送器的崛起，采用了當今不少高新技術(shù)，如傳感技術(shù)、微電子數(shù)字處理技術(shù)等。與常規(guī)變送儀相比，具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、測量范圍寬和量程比大等特點。智能變送儀的作用是對土壤水分變送器傳來的信號進行處理，包括濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、自動校正和自動補償?shù)?。本系統(tǒng)選擇的智能變送儀型號為XMT604B，系國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品含2路繼電器輸出，任意組態(tài)組成上、下限，上、上上限，下、下下限等報警方式。18種輸入信號（T，R，J，WRE3-25，B，S，K，E，PT100，CU50，0～375 Ω，0～75 mV，0～30 mV，0～5 V，1～5 V，0～10 V，0～10 mA，4～20 mA）任意設定，并對非線性輸入信號可修正零點誤差，測量精度為0.2%FS。通過正確設置變送儀參數(shù)，使輸入端將接收到的4～20 mA標準電流信號變送后，控制其上的繼電器得電與失電，繼而控制負載工作與否。

Wi-Fi模塊時常又被稱作串口Wi-Fi模塊，功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡通信標準的嵌入式模塊。目前，越來越多的設施農(nóng)業(yè)基地或者農(nóng)場均實現(xiàn)了網(wǎng)絡覆蓋，或者只需增加幾臺無線路由器，即可實現(xiàn)Wi-Fi信號覆蓋。而且Wi-Fi設備都是基于IEEE802.11系列協(xié)議的，可與手機、筆記本電腦等設備實現(xiàn)無障礙連接，故基于Wi-Fi的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在使用上也更加便利。本系統(tǒng)的Wi-Fi遠程控制模塊為ESP8266，核心為ESP-01模塊。該型號的ESP8266支持Station模式、AP模式和AP兼Station模式。由于ESP8266無線模塊的固件大小不到1 MB，并且遠程灌溉控制平臺不需要十分豐富的功能，所以選擇ESP-01型的Wi-Fi模塊比較適合。Wi-Fi遠程控制模塊的工作狀態(tài)，由安裝在手機上的易微聯(lián)APP軟件控制。模塊依據(jù)軟件的指令要求，控制其上的繼電器動作，繼而控制相應負載。

2 噴淋和灌溉系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)是集自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋于一體的裝置，水泵與電磁水閥連接原理圖如圖1所示，水泵出水后，分2路經(jīng)過電磁水閥1和電磁水閥2，電磁水閥平時為常閉狀態(tài)，通過控制電磁水閥上的線圈使其得電或失電，閥門打開或關(guān)閉，實現(xiàn)相應的功能。

圖1 水泵與電磁水閥連接原理圖

系統(tǒng)設計的主要功能如下。

（1）將工業(yè)級土壤水分變送器采集的土壤水分信號，輸出到智能變送儀。若土壤水分含量低于設定的下限，智能變送儀控制繼電器線圈得電，水泵和電磁水閥1的打開，實現(xiàn)自動澆灌。若土壤水分含量高于設定的上限，智能變送儀控制繼電器線圈失電，水泵和電磁水閥1不工作，自動澆灌停止。

（2）借助手機APP軟件，通過控制Wi-Fi遠程控制模塊上的繼電器，依據(jù)作物生長需要，來實時控制電磁水閥1和電磁水閥2的工作狀態(tài)，實現(xiàn)遠程控制澆灌及噴淋。

（3）土壤水分變送器也可以與PC端相連，將濕度傳感器所收集到的土壤濕度信息，轉(zhuǎn)化成可以在顯示器上顯示的數(shù)據(jù)界面，供用戶隨時查看大棚內(nèi)的濕度信息。

依據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，設計了系統(tǒng)電路工作原理圖，如圖2所示。

圖2 噴灌系統(tǒng)電路工作原理圖

電路工作原理如下。

（1）自動澆灌

當土壤水分較少時，土壤水分變送器輸出到智能變送器的電流變小，當?shù)陀谧兯推髟O定值下限時，變送器自帶的繼電器中K1的線圈得電，K1的常開觸點閉合，中間繼電器K4的線圈得電，K4的常開觸點閉合，水泵電機和電磁水閥1線圈YV1同時得電，電磁水閥1打開，水泵開始工作，實現(xiàn)了自動澆灌。

當土壤水分增加時，土壤水分變送器輸出到智能變送器的電流變大，當電流比變送器設定值的上限還要高時，變送器自帶的繼電器K1的線圈失電，K1的常開觸點打開，中間繼電器K4的線圈失電，K4的常開觸點打開，水泵電機和電磁水閥1線圈YV1同時失電，水泵停止工作，同時電磁水閥1閉合，自動澆灌停止。

（2）遠程控制澆灌

本W(wǎng)i-Fi模塊上的繼電器動作，是由安裝在手機上的易微聯(lián)APP軟件控制的。易微聯(lián)硬件管理平臺，可連接和控制2 000多個硬件品牌。通過易微聯(lián)APP軟件，用戶可隨時遠程控制和查看智能硬件的工作狀態(tài)。軟件設置簡單，場景可以個性化定制，故在智能控制領(lǐng)域應用廣泛。軟件安裝成功并正確設置后，當需要水泵工作時，首先啟動軟件，并點擊手機屏幕上相應的開關(guān)按鈕，使Wi-Fi模塊上的繼電器K2的線圈得電，K2的常開觸點閉合，中間繼電器K5的線圈得電，K5的常開觸點閉合，水泵電機和電磁水閥1線圈YV1同時得電，水泵開始工作，電磁水閥1打開，實現(xiàn)了遠程控制澆灌。

（3）遠程控制噴淋

當作物或植物需要噴淋時，可以啟用Wi-Fi遠程控制噴淋功能。打開手機上的易微聯(lián)APP軟件，點擊屏幕上的相應的開關(guān)按鈕，使Wi-Fi模塊上的繼電器K3的線圈得電，K3的常開觸點閉合，中間繼電器K6的線圈得電，K6的常開觸點閉合，水泵電機和電磁水閥2線圈YV2同時得電，水泵開始工作，電磁水閥2打開，控制噴頭開始工作，實現(xiàn)了遠程控制噴淋。本系統(tǒng)中，由于使用一個水泵打水，遠程控制噴淋和澆灌可以同時進行。

3 實驗結(jié)果分析

集自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋于一體的電路系統(tǒng)，經(jīng)過在小型溫室大棚的實際應用，取得了較好的效果。

（1）經(jīng)過實際測量，土壤濕度變送器輸出的電流信號，隨土壤水分的變化能穩(wěn)定在4～20 mA；輸出的RS485信號，半雙工工作方式穩(wěn)定，不易被干擾，保證了監(jiān)控數(shù)據(jù)的精確。

（2）電腦監(jiān)控軟件和手機APP軟件由傳感器廠家提供，監(jiān)控軟件可以直接運行在WIN7系統(tǒng)上，對電腦硬件要求低。監(jiān)控的土壤濕度數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上，相對濕度測量范圍為3%～100%，完全滿足設計要求。手機APP軟件可以在安卓或蘋果手機上安裝，界面清晰，操作方便，軟件運行可靠。

（3）本系統(tǒng)經(jīng)過24 h不間斷運行，水泵流量為1.5 m3/h，揚程不低于10m，電磁閥亦無過熱現(xiàn)象，完全符合設計要求。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計的小型溫室大棚噴灌系統(tǒng)，能夠科學、有效地完善小型農(nóng)業(yè)設施的噴灌方式，解決現(xiàn)有技術(shù)噴灌效率低下、水資源損耗多等問題。系統(tǒng)電路具有可擴展性，只要添加相應的模塊即可，如添加光照度變送器、CO2變送器和溫濕度變送器等，就可以構(gòu)成基本的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對作物生長環(huán)境基本要素的監(jiān)測，使溫室大棚的管理更加科學有效。