楊 明，楊建國

（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或家庭園藝的花卉盆景種植需要對土壤濕度這一最基本的作物生長環(huán)境進(jìn)行檢測與控制。市場中針對此類需求的產(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)是控制電路簡單，成本低，使用方便，缺點(diǎn)是無法根據(jù)作物或植物對水分的需求合理補(bǔ)充水分，影響其正常生長；二是采用非工業(yè)級土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度，并自動(dòng)控制澆灌，優(yōu)點(diǎn)是能滿足作物或植物對水分的需求，缺點(diǎn)是非工業(yè)級土壤濕度傳感器穩(wěn)定性差，多數(shù)產(chǎn)品無法提供在線檢測數(shù)據(jù)，使用戶無法按照季節(jié)或氣候變化，靈活調(diào)節(jié)水分的供給[1-2]。

針對以上問題，圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，針對作物及土壤特性，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，解決了灌溉過程中存在的積水、節(jié)水等實(shí)際問題，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)針對小型溫室作物生長或家庭園藝花卉盆景種植養(yǎng)護(hù)過程中，對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)水口通過水管與水源相連通，供水設(shè)備啟動(dòng)后，水流經(jīng)過電磁水閥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，一路數(shù)據(jù)經(jīng)過RS 485 總線和RS 485 轉(zhuǎn)RS 232 模塊，將信號傳輸至計(jì)算機(jī)，通過相應(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，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 電流信號變送后，控制其上的繼電器開關(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關(guān)2 和開關(guān)3，開關(guān)2 和開關(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電流信號輸入到智能變送儀；圖2 所示開關(guān)4、開關(guān)5、開關(guān)6 為中間繼電器。智能變送儀中設(shè)有繼電器開關(guān)1，繼電器開關(guān)1 的常開觸點(diǎn)與中間繼電器開關(guān)4 相連，中間繼電器開關(guān)4 的常開觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開關(guān)4 的常開觸點(diǎn)Ⅱ與電磁水閥Ⅰ相連。土壤水分變送器通過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關(guān)2；繼電器開關(guān)2的常開觸點(diǎn)與中間繼電器開關(guān)5 相連，中間繼電器開關(guān)5 的常開觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開關(guān)4 的常開觸點(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關(guān)3，繼電器開關(guān)3 的常開觸點(diǎn)與中間繼電器開關(guān)6 相連，中間繼電器開關(guān)6 的常開觸點(diǎn)Ⅰ與供水設(shè)備相連，中間繼電器開關(guān)6 的常開觸點(diǎn)Ⅱ與電磁水閥Ⅱ相連。開關(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)繼電器開關(guān)1 的線圈，閉合繼電器開關(guān)1，同時(shí)閉合中間繼電器開關(guān)4，中間繼電器啟動(dòng)，之后閉合開關(guān)4 的常開觸點(diǎn)，供水設(shè)備和電磁水閥Ⅰ線圈同時(shí)得電啟動(dòng)，供水裝置開始工作，電磁水閥Ⅰ打開，設(shè)備啟動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)澆灌。

澆灌過程中，土壤含水量不斷增加，土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測土壤含水率，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)閉自帶的繼電器開關(guān)1 的線圈，斷開繼電器開關(guān)1，同時(shí)關(guān)閉中間繼電器開關(guān)4，中間繼電器關(guān)閉，打開開關(guān)4 的常開觸點(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。通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程啟動(dòng)繼電器開關(guān)2 的線圈，閉合繼電器開關(guān)2，啟動(dòng)中間繼電器開關(guān)5 的線圈，閉合中間繼電器開關(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。通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的噴淋功能，閉合繼電器開關(guān)3 的線圈使其得電，閉合繼電器開關(guān)3，閉合中間繼電器開關(guān)6 的線圈使其得電，閉合中間繼電器開關(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，不同的盆栽植物對土壤濕度要求不同，多數(shù)盆栽植物都需要濕潤的盆土，但若水量過多會(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)行測試，羅漢松的最適宜生長溫度為15 ～28 ℃，土壤要求肥沃、濕潤、質(zhì)地疏松，本次測試設(shè)定土壤濕度為40%～60%（相對體積含水量），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為RS-WS-N01-T，土壤水分測量范圍為0 ～100%，水分精度為±3%，數(shù)據(jù)上報(bào)至管理控制平臺。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表1 所列。

表1 日間測試值

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳感器采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，電流控制信號穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，保證了盆栽植物生長所需的適合的土壤濕度。該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)澆水方式無法精確控制水量，收集各類盆栽植物養(yǎng)護(hù)所需土壤濕度數(shù)據(jù)的問題，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)問題[10]。

4 結(jié) 語

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，可以對盆土含水量進(jìn)行檢測，按照作物生長要求進(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，電流控制信號穩(wěn)定，系統(tǒng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，保證了植物生長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)問題，實(shí)現(xiàn)了噴淋澆灌的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理，對比人工澆水作業(yè)，實(shí)用性有所提升，用水量顯著降低。