梁 毅,楊建國
(徐州生物工程職業(yè)技術學院,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%。隨著設施農業(yè)的快速發(fā)展,溫室大棚的用水量占農業(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。在實際生產中,采用噴灌技術可使溫室大棚內的水、肥、溫度等互相作用,調節(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,并能根據作物生長的需要改變。所以開發(fā)一個依托物聯(lián)網技術,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。
本系統(tǒng)主要由開關電源模塊、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某廠家生產的RS-SD系列的產品。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。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。其主要技術參數是: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,一路信號經過RS485總線和RS485轉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,如傳感技術、微電子數字處理技術等。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轉換、數據顯示、自動校正和自動補償等。本系統(tǒng)選擇的智能變送儀型號為XMT604B,系國內某廠家生產的產品。該產品含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,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電平轉為符合Wi-Fi無線網絡通信標準的嵌入式模塊。目前,越來越多的設施農業(yè)基地或者農場均實現(xiàn)了網絡覆蓋,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的農業(yè)物聯(lián)網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。
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,轉化成可以在顯示器上顯示的數據界面,供用戶隨時查看大棚內的濕度信息。
依據系統(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,當低于變送器設定值下限時,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Wi-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。
集自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋于一體的電路系統(tǒng),經過在小型溫室大棚的實際應用,取得了較好的效果。
(1)經過實際測量,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)控數據的精確。
(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)控的土壤濕度數據實時顯示在屏幕上,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。
基于物聯(lián)網技術設計的小型溫室大棚噴灌系統(tǒng),能夠科學、有效地完善小型農業(yè)設施的噴灌方式,解決現(xiàn)有技術噴灌效率低下、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。