智能冷凝灌溉系統(tǒng)

謝超舜，林瑾，譚文廣，李澤銳

（廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東佛山，528225）

0 引言

據(jù)水利部《2015-2020年全國(guó)因旱糧損失統(tǒng)計(jì)》報(bào)告顯示，2015-2020年間，我國(guó)每年因旱災(zāi)損失數(shù)百億公斤糧食。在貧水地區(qū)進(jìn)行農(nóng)作物與植物灌溉一般采用調(diào)水工程，通過(guò)修建渠道將水從富水區(qū)運(yùn)往缺水區(qū)，這種方式人力，物力成本高昂，而且受到地理環(huán)境的影響?？梢?jiàn)，若有一種淡水獲取裝置，可大大緩解上述的問(wèn)題。而目前市場(chǎng)上的水資源回收裝置基本上是對(duì)污染水進(jìn)行回收利用，這種處理方式復(fù)雜，很容易因處理不當(dāng)導(dǎo)致問(wèn)題的發(fā)生。因此，本項(xiàng)目利用半導(dǎo)體冷凝技術(shù)從空氣獲取水資源，從源頭獲取水資源，避免了繁瑣的凈水過(guò)程，符合水質(zhì)的要求，由光伏能發(fā)電提供電力，能夠減少資源消耗。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1 系統(tǒng)總體方案

使用半導(dǎo)體12706制冷片制冷，對(duì)冷凝水進(jìn)行收集。使用溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并輸入ESP32微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定閾值時(shí)，執(zhí)行灌溉操作，當(dāng)空氣溫度濕度低于設(shè)定閾值時(shí)，執(zhí)行加濕降溫操作。

2 系統(tǒng)的硬件組成

■2.1 ESP32-WROOM-32 微控制器

控制端采用了ESP32-WROOM-32 微控制器，ESP32是集成2.4 GHz Wi-Fi(無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù))的雙核物聯(lián)網(wǎng)微控制器，雙核芯片能夠單獨(dú)處理聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理的工作，保障通訊的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理的效率。

■2.2 DHT11溫濕度傳感器

采用DHT11溫濕度傳感器來(lái)采集環(huán)境溫濕度，該傳感器由電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件組成，專用的數(shù)字溫濕度采集技術(shù)，使之具有響應(yīng)快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)的特性。

■2.3 YL-69土壤濕度傳感器和超聲波加濕器

采用YL-69傳感器檢查土壤的濕度，鍍鎳探頭通過(guò)測(cè)量濕度變化而改變?nèi)龢O管的導(dǎo)通電流從而輸出濕度的模擬量。模擬量輸入ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器即可獲取數(shù)字量輸出，進(jìn)而獲取土壤濕度。我們用超聲波加濕器實(shí)現(xiàn)加濕，通過(guò)壓電陶瓷片帶動(dòng)金屬微孔片振動(dòng)，通過(guò)金屬微孔片將液體分解成水霧，實(shí)現(xiàn)加濕功能。

■2.4 半導(dǎo)體12706制冷片

制冷片接通直流電源后，電子由負(fù)極(-)出發(fā)，首先經(jīng)過(guò)P型半導(dǎo)體，在此吸收熱量，到了N型半導(dǎo)體，又將熱量放出，每經(jīng)過(guò)一個(gè)NP型半導(dǎo)體組，就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

圖3 YL—69土壤濕度傳感器、超聲波加濕器

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文使用ESP32作為主控，底層基于FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目由四個(gè)子系統(tǒng)組成。

■3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由ESP32組成的信號(hào)控制板、DHT11溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器組成。用于采集環(huán)境溫濕度、土壤濕度，作為智能灌溉的決策數(shù)據(jù)。電路原理圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖

■3.2 智能灌溉系統(tǒng)

該系統(tǒng)由ESP32組成的信號(hào)控制板、光耦繼電器、電磁水閥、超聲波加濕器組成。智能灌溉系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)定的程序，智能化執(zhí)行灌溉、加濕與降溫操作，加濕器產(chǎn)生水霧能夠凈化居民區(qū)空氣中產(chǎn)生的灰塵，在夏天還可降低周圍的溫度，使得在居民區(qū)的人們擁有良好的生活環(huán)境[1]。智能灌溉系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示。其中，光耦繼電器使用ESP32 GPIO（通用輸入輸出口）作為信號(hào)引腳，電磁水閥、超聲波加濕器與光耦繼電器連接，即可由ESP32 GPIO信號(hào)引腳高低電平?jīng)Q定是否給電磁水閥、加濕器通電。

圖6 智能灌溉系統(tǒng)電路原理圖

■3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光伏發(fā)電板，充電電路驅(qū)動(dòng)板，蓄電池組成。光伏發(fā)電板在太陽(yáng)光或其他光照條件充足的情況下能夠產(chǎn)生5V 2A的電力，輸入充電電路驅(qū)動(dòng)板可獲得更高更穩(wěn)定的電壓為蓄電池充電，蓄電池在夜間維持能夠設(shè)備的正常工作。

■3.4 冷凝集水系統(tǒng)

該系統(tǒng)中半導(dǎo)體冷凝器由半導(dǎo)體12706制冷片、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)冷塊、進(jìn)氣風(fēng)扇組成。該冷凝器產(chǎn)生的冷凝水由儲(chǔ)水罐收集，儲(chǔ)水罐還起到保冷的作用，保持與空氣溫度形成溫差，能夠增強(qiáng)制冷效率[2]。制冷片在接入直流電源后，根據(jù)半導(dǎo)體性質(zhì)，熱量會(huì)集中在熱端，使得另一端形成冷端，通過(guò)散熱風(fēng)扇，能夠及時(shí)為制冷片熱端散熱，提高制冷效率。通過(guò)在冷端安裝環(huán)保金屬導(dǎo)冷塊，以此來(lái)增大冷端與空氣的接觸面積，由于空氣與導(dǎo)冷塊存在溫差，空氣中含有的水分會(huì)冷凝液化，對(duì)冷凝水進(jìn)行收集，從而實(shí)現(xiàn)空氣取水的效果。冷凝集水系統(tǒng)工作流程圖、實(shí)物圖與工作原理圖如圖7所示。

圖7 冷凝集水系統(tǒng)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完整整體硬件的選型和設(shè)計(jì)之后，開展整套澆灌系統(tǒng)的搭建，最核心最重要的一步就是進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，才能驅(qū)動(dòng)整體澆灌流程運(yùn)作。在澆灌系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后實(shí)時(shí)獲取農(nóng)場(chǎng)生長(zhǎng)環(huán)境因子：空氣溫濕度、土壤濕度等。

■4.1 空氣溫濕度感應(yīng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用的DHT11空氣溫濕度傳感器模塊，傳感器的輸出未進(jìn)行編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，獲取環(huán)境因子參數(shù)之間要進(jìn)行分開處理，保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。由于DHT11對(duì)于時(shí)序要求十分嚴(yán)格，所以在編碼操作時(shí)序時(shí)，要避免中斷干擾到對(duì)應(yīng)的總線時(shí)序，要先關(guān)閉總的中斷，操作后在打開。程序流程圖如圖8所示。

圖8 DHT11程序流程圖

■4.2 土壤濕度感應(yīng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用的YL-69土壤濕度傳感器模塊。傳感器連接到AD8591模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊上，接收土壤傳感器傳輸?shù)哪M值并進(jìn)行0-100的數(shù)字值轉(zhuǎn)換，測(cè)量植物花卉生長(zhǎng)土壤當(dāng)中的濕度?？梢酝ㄟ^(guò)在電位器上調(diào)整設(shè)置不同植物生長(zhǎng)所需土壤濕度閾值，當(dāng)濕度高于所設(shè)置的濕度閾值時(shí)，傳感器輸出低電平，不進(jìn)行澆水灌溉，當(dāng)濕度低于所設(shè)置的濕度閾值，傳感器輸出高電平，需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)水泵抽水灌溉。程序流程圖如圖9所示。

圖9 YL—69程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

在硬件和軟件部分分別經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證后，對(duì)智能冷凝灌溉系統(tǒng)實(shí)際工作的實(shí)際聯(lián)合測(cè)試。通過(guò)聯(lián)合測(cè)試能夠更好地驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性及有效性。本次設(shè)計(jì)的智能冷凝灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能設(shè)計(jì)要求，實(shí)物如圖10所示。

圖10 實(shí)物圖

6 結(jié)語(yǔ)

本智能冷凝灌溉系統(tǒng)完成了光伏發(fā)電、溫濕度檢測(cè)、土壤濕度檢測(cè)、加濕及冷凝水取水等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)場(chǎng)、社區(qū)花園等農(nóng)作物或植物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，用戶可操作性高，實(shí)用性強(qiáng)，在后續(xù)的測(cè)試過(guò)程中，無(wú)論是硬件模塊，還是軟件程序設(shè)計(jì)模塊，測(cè)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)的預(yù)期。本系統(tǒng)解決了現(xiàn)代人們?cè)谂嘤参镞^(guò)程中，因缺水、無(wú)時(shí)間照料等問(wèn)題，能夠有效地在農(nóng)作物、植物花卉生長(zhǎng)過(guò)程中起到維護(hù)作用，也節(jié)約了水資源。