基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)澆灌噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 明，楊建國(guó)

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

0 引 言

小型溫室大棚的作物生長(zhǎng)或家庭園藝的花卉盆景種植需要對(duì)土壤濕度這一最基本的作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)與控制。市場(chǎng)中針對(duì)此類(lèi)需求的產(chǎn)品大致分為兩種：一是采用定時(shí)器定時(shí)澆灌，優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，成本低，使用方便，缺點(diǎn)是無(wú)法根據(jù)作物或植物對(duì)水分的需求合理補(bǔ)充水分，影響其正常生長(zhǎng)；二是采用非工業(yè)級(jí)土壤濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤濕度，并自動(dòng)控制澆灌，優(yōu)點(diǎn)是能滿足作物或植物對(duì)水分的需求，缺點(diǎn)是非工業(yè)級(jí)土壤濕度傳感器穩(wěn)定性差，多數(shù)產(chǎn)品無(wú)法提供在線檢測(cè)數(shù)據(jù)，使用戶(hù)無(wú)法按照季節(jié)或氣候變化，靈活調(diào)節(jié)水分的供給[1-2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，針對(duì)作物及土壤特性，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的澆灌噴淋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確取值，給出精準(zhǔn)灌溉方案，解決了灌溉過(guò)程中存在的積水、節(jié)水等實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)程澆灌等功能[3]。

1 技術(shù)方案

本系統(tǒng)針對(duì)小型溫室作物生長(zhǎng)或家庭園藝花卉盆景種植養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，對(duì)土壤水分和葉面噴淋的需求進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)程控制澆灌及噴淋功能。系統(tǒng)包括供水裝置、電磁水閥Ⅰ、電磁水閥Ⅱ和噴灌控制設(shè)備。其中，電磁水閥為常閉狀態(tài)；控制系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源模塊、土壤水分變送器、智能變送儀和WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊四部分組成，如圖1所示；供水設(shè)備的進(jìn)水口通過(guò)水管與水源相連通，供水設(shè)備啟動(dòng)后，水流經(jīng)過(guò)電磁水閥Ⅰ和電磁水閥Ⅱ，智能變送儀控制電磁水閥通電與斷電，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌；通過(guò)WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊控制電磁水閥Ⅰ、電磁水閥Ⅱ上的線圈得電與失電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制澆灌及噴淋[4-5]。

圖1 控制模塊電路

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源模塊、土壤水分變送器、智能變送儀和WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊組成。開(kāi)關(guān)電源模塊輸入電壓為AC 220 V，整流后輸出DC 12 V，向土壤水分變送器和WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊提供直流工作電源。土壤水分變送器工作電壓為DC 12 V，由土壤濕度傳感器采集土壤的水分信息，并向外輸出兩路信號(hào)，一路數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RS 485 總線和RS 485 轉(zhuǎn)RS 232 模塊，將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，通過(guò)相應(yīng)的軟件實(shí)時(shí)顯示土壤的濕度信息；另一路數(shù)據(jù)變送為4 ～20 mA 電流信號(hào)，輸入到智能變送儀。智能變送儀由AC 220 V 交流電提供工作電壓，其輸入端將接收的4 ～20 mA 電流信號(hào)變送后，控制其上的繼電器開(kāi)關(guān)1 通電與斷電。WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊工作電壓為DC 12 V，其上PSA-B01 主控芯片控制模塊上的繼電器開(kāi)關(guān)2 和開(kāi)關(guān)3，開(kāi)關(guān)2 和開(kāi)關(guān)3 的得電與失電由手機(jī)APP 軟件控制。繼電器工作原理如圖2 所示。

圖2 繼電器工作原理

2.2 繼電器模塊設(shè)計(jì)

土壤水分變送器與智能變送儀相連，土壤水分變送器中的土壤濕度傳感器將采集土壤的水分信息變送為4 ～20 mA電流信號(hào)輸入到智能變送儀；圖2 所示開(kāi)關(guān)4、開(kāi)關(guān)5、開(kāi)關(guān)6 為中間繼電器。智能變送儀中設(shè)有繼電器開(kāi)關(guān)1，繼電器開(kāi)關(guān)1 的常開(kāi)觸點(diǎn)與中間繼電器開(kāi)關(guān)4 相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)4 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)4 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅱ與電磁水閥Ⅰ相連。土壤水分變送器通過(guò)RS 485總線與RS 485 轉(zhuǎn)RS 232 模塊相連，RS 485 轉(zhuǎn)RS 232 模塊與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示土壤的濕度信息。WiFi遠(yuǎn)程控制模塊包括主控芯片和繼電器開(kāi)關(guān)2；繼電器開(kāi)關(guān)2的常開(kāi)觸點(diǎn)與中間繼電器開(kāi)關(guān)5 相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)5 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)4 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅱ與電磁水閥Ⅰ相連。WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊還包括繼電器開(kāi)關(guān)3，繼電器開(kāi)關(guān)3 的常開(kāi)觸點(diǎn)與中間繼電器開(kāi)關(guān)6 相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)6 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開(kāi)關(guān)6 的常開(kāi)觸點(diǎn)Ⅱ與電磁水閥Ⅱ相連。開(kāi)關(guān)電源模塊將輸入電壓AC 220 V 整流后輸出DC 12 V，用以對(duì)土壤水分變送器和WiFi 遠(yuǎn)程控制模塊提供直流工作電源。智能變送儀由AC 220 V 提供工作電壓[6-7]。

2.2.1 自動(dòng)澆灌

土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤含水率低于預(yù)設(shè)范圍下限，此時(shí)智能變送儀接收的土壤水分變送器輸出的電流變小，系統(tǒng)判斷土壤水分較少，智能變送儀啟動(dòng)繼電器開(kāi)關(guān)1 的線圈，閉合繼電器開(kāi)關(guān)1，同時(shí)閉合中間繼電器開(kāi)關(guān)4，中間繼電器啟動(dòng)，之后閉合開(kāi)關(guān)4 的常開(kāi)觸點(diǎn)，供水設(shè)備和電磁水閥Ⅰ線圈同時(shí)得電啟動(dòng)，供水裝置開(kāi)始工作，電磁水閥Ⅰ打開(kāi)，設(shè)備啟動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)澆灌。

澆灌過(guò)程中，土壤含水量不斷增加，土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤含水率，智能變送儀接收的土壤水分變送器輸出的電流變大，當(dāng)含水率達(dá)到預(yù)設(shè)范圍上限時(shí)，系統(tǒng)判斷土壤水分已達(dá)預(yù)設(shè)要求，智能變送儀關(guān)閉自帶的繼電器開(kāi)關(guān)1 的線圈，斷開(kāi)繼電器開(kāi)關(guān)1，同時(shí)關(guān)閉中間繼電器開(kāi)關(guān)4，中間繼電器關(guān)閉，打開(kāi)開(kāi)關(guān)4 的常開(kāi)觸點(diǎn)，供水設(shè)備電機(jī)和電磁水閥Ⅰ線圈同時(shí)關(guān)閉，供水裝置停止工作，同時(shí)電磁水閥Ⅰ閉合，設(shè)備關(guān)閉，停止自動(dòng)澆灌[8]。

2.2.2 遠(yuǎn)程控制澆灌

遠(yuǎn)程控制澆灌是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)噴淋澆灌。夏季，水分蒸發(fā)較快，對(duì)于土壤濕度要求較高需要臨時(shí)調(diào)節(jié)供水需求的植物或小型盆栽進(jìn)行適量澆灌，可以啟動(dòng)遠(yuǎn)程澆灌功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動(dòng)繼電器開(kāi)關(guān)2 的線圈，閉合繼電器開(kāi)關(guān)2，啟動(dòng)中間繼電器開(kāi)關(guān)5 的線圈，閉合中間繼電器開(kāi)關(guān)5，同時(shí)啟動(dòng)供水裝置和電磁水閥Ⅰ線圈，供水裝置開(kāi)始工作，啟動(dòng)電磁水閥Ⅰ，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制澆灌。

2.2.3 遠(yuǎn)程控制噴淋

本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)使用一個(gè)供水裝置供水，可同時(shí)滿足噴淋和澆灌兩種需求。由于不同植物或盆栽養(yǎng)護(hù)方式不同，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中為使植物或盆栽得到葉面噴淋效果，該系統(tǒng)裝置需具備葉面噴淋功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的噴淋功能，閉合繼電器開(kāi)關(guān)3 的線圈使其得電，閉合繼電器開(kāi)關(guān)3，閉合中間繼電器開(kāi)關(guān)6 的線圈使其得電，閉合中間繼電器開(kāi)關(guān)6，供水裝置和電磁水閥Ⅱ線圈同時(shí)得電啟動(dòng)，完成遠(yuǎn)程控制噴淋功能[9]。

3 實(shí)例及分析

系統(tǒng)功能測(cè)試地點(diǎn)選擇學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)基地盆景園，為盆景澆水是一項(xiàng)日常性的養(yǎng)護(hù)工作，不同的盆栽植物對(duì)土壤濕度要求不同，多數(shù)盆栽植物都需要濕潤(rùn)的盆土，但若水量過(guò)多會(huì)發(fā)生水澇。一般盆栽植物澆水憑借養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，觀察盆土表面判斷澆水時(shí)間，以干透澆透為宜，所以盆栽植物澆水一般采用噴淋慢澆方式。此過(guò)程需保證土壤濕度均勻，可澆回頭水，直到盆底出現(xiàn)滲水。對(duì)于盆景養(yǎng)護(hù)而言，這種傳統(tǒng)澆水方法很難判斷澆水量。選取羅漢松盆景進(jìn)行測(cè)試，羅漢松的最適宜生長(zhǎng)溫度為15 ～28 ℃，土壤要求肥沃、濕潤(rùn)、質(zhì)地疏松，本次測(cè)試設(shè)定土壤濕度為40%～60%（相對(duì)體積含水量），數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2022 年5 月21 日，選用土壤濕度傳感器型號(hào)為RS-WS-N01-T，土壤水分測(cè)量范圍為0 ～100%，水分精度為±3%，數(shù)據(jù)上報(bào)至管理控制平臺(tái)。系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所列。

表1 日間測(cè)試值

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳感器采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，電流控制信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，保證了盆栽植物生長(zhǎng)所需的適合的土壤濕度。該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)澆水方式無(wú)法精確控制水量，收集各類(lèi)盆栽植物養(yǎng)護(hù)所需土壤濕度數(shù)據(jù)的問(wèn)題，同時(shí)解決了用一個(gè)供水設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)程控制澆灌及噴淋的技術(shù)問(wèn)題[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)模塊化的電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動(dòng)澆灌噴淋功能，可以對(duì)盆土含水量進(jìn)行檢測(cè)，按照作物生長(zhǎng)要求進(jìn)行澆灌或噴淋。設(shè)備傳感器采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，電流控制信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，保證了植物生長(zhǎng)所需的合適的土壤濕度。同時(shí)，系統(tǒng)采用供水設(shè)備解決了自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)程控制澆灌及噴淋的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了噴淋澆灌的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理，對(duì)比人工澆水作業(yè)，實(shí)用性有所提升，用水量顯著降低。