梁 毅，楊建國(guó)

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

我國(guó)是一個(gè)缺水嚴(yán)重的國(guó)家，淡水資源總量?jī)H占全球水資源的6%；我國(guó)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(guó)家之一。然而，我國(guó)又是世界上用水量最多的國(guó)家，大約占世界年取用量的13%，是美國(guó)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(huì)總用水量的68%。隨著設(shè)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(wù)也愈來愈艱巨。

在溫室大棚中，作物的整個(gè)生長(zhǎng)周期都要在非自然體系中度過，溫室中濕度的變化相對(duì)于外界要緩慢得多，作物的生長(zhǎng)環(huán)境有其獨(dú)特性。而由于作物的種類不同，其生長(zhǎng)過程對(duì)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(duì)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(dá)到使作物健康生長(zhǎng)和節(jié)約用水的目的。在實(shí)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(zhǎng)環(huán)境。故在溫室大棚中有必要對(duì)土壤的濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)作物生長(zhǎng)的需要改變。所以開發(fā)一個(gè)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能實(shí)時(shí)顯示土壤濕度，并自動(dòng)控制或使用手機(jī)APP軟件控制水泵動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)程控制澆灌和噴淋的溫室大棚噴灌系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)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(jí)土壤水分變送器、智能變送儀和Wi-Fi遠(yuǎn)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(yuǎn)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(guó)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(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、互換性好及受土壤含鹽量影響較小等特點(diǎn)，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(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)檢測(cè)，性能可靠。其主要技術(shù)參數(shù)是：相對(duì)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(shí)向外輸出2路信號(hào)，一路信號(hào)經(jīng)過RS485總線和RS485轉(zhuǎn)RS232模塊，將信號(hào)傳輸至PC端，使土壤濕度可以實(shí)時(shí)顯示在PC端顯示器上，供在線監(jiān)測(cè)；另一路信號(hào)變送為4～20 mA電流信號(hào)，輸入到智能變送儀，以控制水泵動(dòng)作。

智能變送儀代表著新一代變送器的崛起，采用了當(dāng)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(cè)量范圍寬和量程比大等特點(diǎn)。智能變送儀的作用是對(duì)土壤水分變送器傳來的信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?。本系統(tǒng)選擇的智能變送儀型號(hào)為XMT604B，系國(guó)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(bào)警方式。18種輸入信號(hào)（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(shè)定，并對(duì)非線性輸入信號(hào)可修正零點(diǎn)誤差，測(cè)量精度為0.2%FS。通過正確設(shè)置變送儀參數(shù)，使輸入端將接收到的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)變送后，控制其上的繼電器得電與失電，繼而控制負(fù)載工作與否。

Wi-Fi模塊時(shí)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(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。目前，越來越多的設(shè)施農(nóng)業(yè)基地或者農(nóng)場(chǎng)均實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或者只需增加幾臺(tái)無線路由器，即可實(shí)現(xiàn)Wi-Fi信號(hào)覆蓋。而且Wi-Fi設(shè)備都是基于IEEE802.11系列協(xié)議的，可與手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備實(shí)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(yuǎn)程控制模塊為ESP8266，核心為ESP-01模塊。該型號(hào)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(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)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(yuǎn)程控制模塊的工作狀態(tài)，由安裝在手機(jī)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(dòng)作，繼而控制相應(yīng)負(fù)載。

2 噴淋和灌溉系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)是集自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖1 水泵與電磁水閥連接原理圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能如下。

（1）將工業(yè)級(jí)土壤水分變送器采集的土壤水分信號(hào)，輸出到智能變送儀。若土壤水分含量低于設(shè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌。若土壤水分含量高于設(shè)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(dòng)澆灌停止。

（2）借助手機(jī)APP軟件，通過控制Wi-Fi遠(yuǎn)程控制模塊上的繼電器，依據(jù)作物生長(zhǎng)需要，來實(shí)時(shí)控制電磁水閥1和電磁水閥2的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)查看大棚內(nèi)的濕度信息。

依據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)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(dòng)澆灌

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

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

（2）遠(yuǎn)程控制澆灌

本W(wǎng)i-Fi模塊上的繼電器動(dòng)作，是由安裝在手機(jī)上的易微聯(lián)APP軟件控制的。易微聯(lián)硬件管理平臺(tái)，可連接和控制2 000多個(gè)硬件品牌。通過易微聯(lián)APP軟件，用戶可隨時(shí)遠(yuǎn)程控制和查看智能硬件的工作狀態(tài)。軟件設(shè)置簡(jiǎn)單，場(chǎng)景可以個(gè)性化定制，故在智能控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。軟件安裝成功并正確設(shè)置后，當(dāng)需要水泵工作時(shí)，首先啟動(dòng)軟件，并點(diǎn)擊手機(jī)屏幕上相應(yīng)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(diǎn)閉合，中間繼電器K5的線圈得電，K5的常開觸點(diǎn)閉合，水泵電機(jī)和電磁水閥1線圈YV1同時(shí)得電，水泵開始工作，電磁水閥1打開，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制澆灌。

（3）遠(yuǎn)程控制噴淋

當(dāng)作物或植物需要噴淋時(shí)，可以啟用Wi-Fi遠(yuǎn)程控制噴淋功能。打開手機(jī)上的易微聯(lián)APP軟件，點(diǎn)擊屏幕上的相應(yīng)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(diǎn)閉合，中間繼電器K6的線圈得電，K6的常開觸點(diǎn)閉合，水泵電機(jī)和電磁水閥2線圈YV2同時(shí)得電，水泵開始工作，電磁水閥2打開，控制噴頭開始工作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制噴淋。本系統(tǒng)中，由于使用一個(gè)水泵打水，遠(yuǎn)程控制噴淋和澆灌可以同時(shí)進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

集自動(dòng)澆灌、遠(yuǎn)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(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。

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

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

（3）本系統(tǒng)經(jīng)過24 h不間斷運(yùn)行，水泵流量為1.5 m3/h，揚(yáng)程不低于10m，電磁閥亦無過熱現(xiàn)象，完全符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的小型溫室大棚噴灌系統(tǒng)，能夠科學(xué)、有效地完善小型農(nóng)業(yè)設(shè)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(kuò)展性，只要添加相應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境基本要素的監(jiān)測(cè)，使溫室大棚的管理更加科學(xué)有效。