自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

廖全林，鄧桂騫，王成峰，李仕軍，薛 陽，何元轉(zhuǎn)

（興義民族師范學(xué)院，貴州 興義 562400）

我國農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的62%，在某些地區(qū)占比高達90%，大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)灌溉是解決水資源供需矛盾的措施之一。自動灌溉系統(tǒng)采用高精度土壤濕度和溫度傳感器，根據(jù)土壤和作物狀況準確利用水分，可以有效解決農(nóng)業(yè)灌溉用水效率低的問題，緩解水資源日益短缺的問題。基于傳感器技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是中國發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)的必由之路，本文將在這方面展開研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自動化灌溉技術(shù)已經(jīng)在美洲、歐亞等地得到了廣泛應(yīng)用，美國約有70%的農(nóng)田采用了自動灌溉系統(tǒng)。我國的農(nóng)業(yè)灌溉分為傳統(tǒng)灌溉和現(xiàn)代灌溉，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，如何實現(xiàn)高效、節(jié)水的灌溉已成為重要研究方向。目前，我國的農(nóng)業(yè)灌溉面積仍然相對較小，且由于季節(jié)性強需要頻繁進行灌排水。因此，提高灌水效率迫在眉睫。

2 自動灌溉系統(tǒng)整體設(shè)計

自動灌溉系統(tǒng)以Arduino 開發(fā)板為控制中心，先利用DHT11溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器測量溫度、濕度和土壤濕度；隨后將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過ESP8266WiFi 模塊實現(xiàn)遠程傳輸，連接云平臺處理數(shù)據(jù)；最后比較所得數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)農(nóng)作物需水量，通過云平臺控制繼電器啟動抽水泵來完成灌溉。用戶可以在智能手機或電腦上遠程監(jiān)控和控制。自動灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計見圖1。

圖1 自動灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計Fig.1 Automatic irrigation system scheme design

3 自動灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 Arduino D1開發(fā)板

本系統(tǒng)采用Arduino 開發(fā)板進行數(shù)據(jù)采集和控制處理。Arduino 是便捷靈活、易上手的開源硬件產(chǎn)品，具有豐富的接口和多種串口通信，內(nèi)含晶體振蕩器和穩(wěn)壓器，編程簡單易懂，可拓展性強，支持各種傳感器和控制模塊。此外，Arduino還內(nèi)置ES8266 模塊，成本低、功能強大、低功耗，可通過Wi-Fi或藍牙實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控設(shè)備。

3.2 溫濕度傳感器的選擇

本設(shè)計采用DHT11 空氣溫濕度傳感器檢測溫濕度。該傳感器由電阻式感濕元件和NTC 測溫元件組成，與高性能8位單片機相連接。響應(yīng)迅速、抗干擾能力強、體積小、能耗低，使用單線制串行接口簡單便捷地連接到系統(tǒng)中。

3.3 土壤濕度傳感器的選擇

本設(shè)計采用土壤濕度傳感器檢測土壤濕度，采用表面鎳度處理的傳感器，具有加寬感應(yīng)面積、提升導(dǎo)電性能和延長使用壽命等優(yōu)點。傳感器體積小、方便使用、安裝簡單、測量精度高、數(shù)據(jù)傳輸速率快，可實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況或進行數(shù)據(jù)分析。設(shè)定最大值和最小值來控制繼電器，當傳感器檢測到土壤中濕度低于設(shè)定的最小值時，會向云平臺發(fā)送信息并在手機app上顯示，同時控制繼電器自動開始灌溉工作；當濕度達到兩者之間時，繼電器會自動停止工作。

4 自動灌溉的系統(tǒng)軟件選擇

4.1 數(shù)據(jù)存儲的選擇

本設(shè)計采用IOT 云平臺存儲數(shù)據(jù)，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控狀態(tài)，并實現(xiàn)遠程控制、無線傳輸、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警信息發(fā)布、決策支持和一體化控制等功能，具有24 h 實時監(jiān)控、快速項目開發(fā)、設(shè)備可仿真、跨平臺、安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢。本通過云平臺將溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲在各個相應(yīng)的模塊，方便用戶查看。

4.2 手機app的選擇

AI2Offline 是一款基于麻省理工學(xué)院自主研發(fā)的編程環(huán)境，具有直觀、可視化的特點，適用于廣大群眾，能在更短的時間內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜高效的應(yīng)用程序。通過添加組件的方式，排版和布局應(yīng)用界面，可通過調(diào)節(jié)各組件的屬性來美化頁面，并采用邏輯設(shè)計，無代碼的編程方式，使更多人能夠設(shè)計出屬于自己的軟件。本系統(tǒng)主要設(shè)計了兩大界面，登錄界面用于查看數(shù)據(jù)和控制繼電器，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)界面則可實現(xiàn)隨時隨地查看和控制傳感器數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)控制流程圖

Arduino 板啟動，初始化完成后，傳感器采集空氣、氣溫、濕度及土壤濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至IOT 云平臺，最后在手機app上顯示。系統(tǒng)控制流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow chart

5 自動灌溉系統(tǒng)的調(diào)試

5.1 手機app數(shù)據(jù)顯示

完成系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)后，需要調(diào)試電路，包括確定電源與GND 引腳連接好，確保硬件設(shè)備連接正確，放置在實驗環(huán)境中，啟動硬件設(shè)備，系統(tǒng)通電，繼電器電源指示燈亮起證明可以正常工作，最后將數(shù)據(jù)上傳到云平臺并通過HTTP 協(xié)議傳輸?shù)绞謾Capp上顯示數(shù)據(jù)。

IOT云平臺中的智能灌溉一體化系統(tǒng)立即顯示，手機app上有一定的刷新時間以防止數(shù)據(jù)刷新過快而導(dǎo)致軟件崩潰，并對系統(tǒng)消息進行跟蹤。

5.2 云平臺數(shù)據(jù)顯示

本系統(tǒng)基于IOT 云平臺存儲與顯示數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)連接上IOT 云平臺，同時溫濕度傳感器將收集的數(shù)據(jù)顯示在IOT 云平臺上。IOT 云平臺每秒都會更新溫濕度的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，還可以查看溫濕度數(shù)據(jù)的曲線圖，可以更好地滿足工作的使用需求。

5.3 系統(tǒng)優(yōu)點

改變傳統(tǒng)的灌溉方式，采用在根面處滴灌的方法，以降低因蒸發(fā)而引起的水分損失。這種方法允許將水直接運輸?shù)讲煌疃雀得?，以選擇調(diào)節(jié)控制不同深度的水分含量，可以根據(jù)土壤的濕度、空氣的溫濕度，在根系面上靈活灌溉。

與之前普遍適用的開關(guān)閥控制的灌溉系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，針對性地進行灌溉，使得灌溉更準確，更加清楚地了解環(huán)境因素對農(nóng)作物生長的影響，對后續(xù)灌溉策略的改良更具有參考價值。

6 結(jié)語

本設(shè)計基于Arduino 核心、ESP8266 WiFi 模塊和傳感器技術(shù)設(shè)計了自動灌溉系統(tǒng)。通過傳感器采集數(shù)據(jù)上傳至IOT云平臺，在手機app 上顯示和控制繼電器，實現(xiàn)自動灌溉。ESP8266WiFi模塊具有提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和精準控制灌溉量，降低了水資源浪費，節(jié)省了水費。該系統(tǒng)利用傳感器感知能力全程自動感知數(shù)據(jù)，并上傳至云端以有效監(jiān)控環(huán)境溫濕度和土壤濕度，確保土壤濕度穩(wěn)定。該自動灌溉系統(tǒng)具有低成本、高效率、易操作等特點，可以大大提高工作效率。