摘 "要：隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型不斷升級，以大棚農(nóng)業(yè)為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，對灌溉技術(shù)的要求也日漸提高。針對傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)，對各種資源的浪費極大地限制著農(nóng)業(yè)的發(fā)展。而市面上目前針對系統(tǒng)整體展開節(jié)能設(shè)計的少之又少，因此該文設(shè)計一種新型智能化節(jié)水節(jié)能灌溉系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及傳感器實現(xiàn)大棚的遠程監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)控制器接收大棚狀態(tài)信息經(jīng)控制器解算分析反饋給工作人員，而后單片機以作物實際需水量與適宜溫度為依據(jù)，進一步控制電磁閥的開啟與關(guān)斷，遠程實現(xiàn)大棚的灌溉作業(yè)。另外該系統(tǒng)還針對電磁閥的控制驅(qū)動追加節(jié)能設(shè)計電路，減少能源的消耗，提高系統(tǒng)的安全性與便捷性。

關(guān)鍵詞：大棚；灌溉系統(tǒng)；節(jié)水節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；單片機

中圖分類號：S274.2 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0036-05

Abstract： With the continuous upgrading of agricultural modernization and the rapid development of facility agriculture represented by greenhouse agriculture， the demand for irrigation technology is also increasing. In view of the traditional irrigation technology， the waste of various resources greatly limits the development of agriculture. At present， there are very few energy-saving designs for the whole system in the market， so this paper designs a new smart water-saving and energy-saving irrigation system， which uses the Internet of Things technology and sensors to realize the remote monitoring of the greenhouse. The Internet of Things controller receives the greenhouse status information and feeds back to the staff through the controller solution and analysis， and then the single-chip microcomputer is based on the actual crop water demand and suitable temperature， further controlling the opening and closing of the solenoid valve to realize the irrigation operation of the greenhouse remotely. In addition， the system also designs additional energy-saving circuits for the control drive of the solenoid valve to reduce energy consumption and improve the safety and convenience of the system.

Keywords： greenhouse; irrigation system; water saving and energy saving; Internet of Things technology; single chip microcomputer

溫室大棚作為配種育苗最常用的培育基地之一，在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。而灌溉作業(yè)更是大棚培植中不可或缺的一大環(huán)節(jié)。就目前來看我國灌溉技術(shù)智能化發(fā)展還需不斷突破。發(fā)達國家由于很早便開始節(jié)水灌溉的研究[1]，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，不僅已經(jīng)形成了機電一體化灌溉方式，還形成了成熟的灌溉控制系統(tǒng)并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、綠化等多個領(lǐng)域。

對于我國傳統(tǒng)的灌溉作業(yè)，一般是基于經(jīng)驗判斷控制作物用水，但由此難以避免地會出現(xiàn)判斷誤差，可能導(dǎo)致作物施水過量或不足，并且難以根據(jù)某些環(huán)境變量的變化及時進行大棚內(nèi)的狀態(tài)調(diào)節(jié)。因此對于灌溉系統(tǒng)智能化的應(yīng)用尤為重要。市面上有許多智能化灌溉系統(tǒng)設(shè)計，但幾乎都不能很好地減少資源浪費，因此，本設(shè)計提出一種新型智能化節(jié)水節(jié)能灌溉系統(tǒng)設(shè)計。

該設(shè)計一方面致力于深入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應(yīng)用，采用物聯(lián)網(wǎng)模塊和傳感器的組合遠程實現(xiàn)大棚環(huán)境的狀態(tài)監(jiān)測，并且以作物實際需水量為依據(jù)實現(xiàn)精準灌溉，減少資源消耗，進一步實現(xiàn)人機互聯(lián)，實時監(jiān)控，準確判斷的效果[2-3]；另一方面著眼于現(xiàn)有的執(zhí)行模塊，不僅改進噴灑裝置使其實現(xiàn)充分節(jié)水，還在電磁閥驅(qū)動電路中增加更為節(jié)能高效的電路設(shè)計，提高能源的利用率以及灌溉的效率，強化裝置的安全性與便捷性。該設(shè)計利用較成型的物聯(lián)網(wǎng)模塊進行控制，使用者可以通過微信小程序便捷實現(xiàn)功能，操作簡單，市場推廣潛力大，該設(shè)計若能投入使用，便可進一步推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。另外，該設(shè)計能促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入融合，助力物聯(lián)網(wǎng)完善產(chǎn)業(yè)鏈，深入貫徹節(jié)能減排的思想，助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)型升級。

1 "設(shè)計方案

1.1 "整體設(shè)計與實現(xiàn)

該節(jié)水節(jié)能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計方案是以Esp8266和STC89C52組成核心主控，來驅(qū)動電磁閥實現(xiàn)的，整體框架可以分為2個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和灌溉執(zhí)行模塊。如圖1所示，控制端和信息端通過傳感器、STC89C52及Esp8266組成了數(shù)據(jù)采集模塊；管道、噴灑裝置以及電磁閥相關(guān)電路組成了灌溉執(zhí)行模塊。

控制端接受來自信號端的農(nóng)田信息，并與預(yù)設(shè)閾值進行比較，若不能滿足響應(yīng)范圍即觸發(fā)灌溉執(zhí)行系統(tǒng)，STC89C52受到指令后發(fā)出響應(yīng)：首先打開總電磁閥使水庫系統(tǒng)開始抽水，之后依據(jù)控制信息打開灌溉電磁閥，啟動相應(yīng)的灌溉模式，如圖2所示。

1.2 "數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進行溫濕度檢測，使用YL-69土壤濕度傳感器模塊實時監(jiān)測土壤含水量。以STC89C52為核心來接收、處理、發(fā)出相應(yīng)的信號來控制Esp8266進行動作，八路繼電器為執(zhí)行元件，控制電磁閥的通斷。

通過DHT11溫濕度模塊檢測大棚內(nèi)溫濕度[4]，若溫度測量值低于設(shè)定值，則通過電加熱絲提升棚內(nèi)溫度，待測量值達標，則停止加熱；若溫度測量值高于設(shè)定值，則啟動噴霧模式降低棚內(nèi)溫度，待測量值達標，則停止降溫。

土壤濕度傳感器模塊則通過該傳感器對土壤濕度進行實時測量，如果實際值小于設(shè)定值時，STC89C52發(fā)出信號，控制繼電器開啟，水庫系統(tǒng)啟動打開，灌溉系統(tǒng)啟動。若實際值達到設(shè)定范圍內(nèi)，則STC89C52控制電磁閥關(guān)閉，停止?jié)菜?/p>

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器作為傳感裝置是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。相比于DS18B20只能測量溫度，DHT11既能檢測溫度又能檢測濕度，不過DHT11的精度和測量范圍都要低于DS18B20，其溫度測量范圍為0～50 ℃，可應(yīng)用在一般氣候下的農(nóng)業(yè)灌溉方面。YL-69土壤濕度傳感器是一款電容式傳感器，有著靈敏度高且功耗低的特點，元件表面鍍鎳使其具備了較高的穩(wěn)定性和可靠性。

Esp8266作為無線控制裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)與移動電話APP進行網(wǎng)絡(luò)配置[5]，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的無線控制。即只需連入WiFi，且無需和Esp8266處于同一個WiFi環(huán)境下即可進行遠程控制。通過移動電話對該模塊所帶繼電器進行遠程控制，從而實現(xiàn)對水閥和水泵的控制。利用Esp8266的優(yōu)點將多個傳感器互聯(lián)，搭配主控STC89C52，再通過STC89C52控制八路繼電器繼而可以實現(xiàn)溫度控制、灌溉等操作。

其實現(xiàn)步驟具體如下：首先對Esp8266進行網(wǎng)絡(luò)配置，先準備一個WiFi熱點，給Esp8266接上電源，打開手機WLAN，連接上對應(yīng)熱點后，在瀏覽器地址欄輸入192.168.4.1，并在網(wǎng)頁面板中輸入名稱和密碼，接著復(fù)制設(shè)備編碼以備用，最后點擊“保存并重啟”[6]；接著，斷開電源等待信號熱點的出現(xiàn)，然后手機安裝“瘋狂物聯(lián)”APP，注冊賬號并登錄，添加設(shè)備后添入設(shè)備編碼，點擊保存設(shè)置即可開始使用。在其工作中只需接入DHT11溫濕度傳感器、YL-69型號土壤濕度傳感器、溫度加熱器等即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。同時，Esp8266可以選擇遠程和本地控制2種模式，方便結(jié)合實際情況進行操作。

1.3 "灌溉執(zhí)行模塊

1.3.1 "電磁閥驅(qū)動電路

灌溉執(zhí)行模塊首先檢測實際場景的風速數(shù)據(jù)，并可根據(jù)用戶需求，實時、精確地調(diào)節(jié)噴灌頭的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對所轄區(qū)域內(nèi)水泵、噴灌頭等灌溉設(shè)備的遠程監(jiān)測并通過無線通信技術(shù)進行控制。該模塊基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以Esp8266為關(guān)鍵樞紐，將主控STC89C52與電磁澆灌部分相連接，如圖3所示。

由于采用Esp8266輸出的電流電壓較弱，無法直接驅(qū)動電磁閥的電機，在此搭配L298N電機驅(qū)動芯片。當傳感器測得數(shù)據(jù)未在設(shè)定范圍時，Esp8266上傳數(shù)據(jù)到STC89C52，之后STC89C52發(fā)出處理信號，驅(qū)動模塊激活，進行澆灌。

在實際使用中，要根據(jù)不同的需求選擇不一樣的繼電器。其中電磁繼電器使用的場景更為廣泛一些。而不同的作物會有不同的生長環(huán)境，從而也要有不同性能的電磁繼電器。故而在此不作特定型號的闡述。

由于農(nóng)田地形環(huán)境較為復(fù)雜，灌溉區(qū)域分布也十分廣泛，對于整個系統(tǒng)而言，功耗問題不可忽視。目前，大多場合的電磁閥仍采用傳統(tǒng)的直接驅(qū)動方式，即依據(jù)額定參數(shù)以額定電源直接驅(qū)動。這種方式簡單方便，但由于啟動后電磁閥鐵芯與線圈間距減小、電磁力增大，電磁閥線圈流過大的工作電流，引起線圈發(fā)熱，長期持續(xù)的大電流工況將縮短閥體壽命，增大設(shè)備故障率，同時造成電能浪費，嚴重時可能會影響到整個系統(tǒng)的安全性[7]。

電磁閥[2]和其他類型的電子控制設(shè)備不同之處在于其是通過通電產(chǎn)生電磁力來實現(xiàn)自動開、關(guān)功能。以直動式電磁閥為例，其結(jié)構(gòu)簡單操作方便。工作時只有2個動作，即通電時電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時電磁力消失，復(fù)位彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上使其關(guān)閉。在電磁閥開啟時必須通大電流才能將活動鐵芯到位，完成打開電磁閥的動作。但當活動鐵芯到位，電磁閥開啟就不需要很大的力來維持這個狀態(tài)，因此線圈中也就不需要如此大的電流。也就是說，電磁閥只有在開啟瞬間需要大電流，而維持開啟狀態(tài)并不需要大電流。為了節(jié)約能源、減少電磁閥的功耗，保證電磁閥安全運行，引入了一種節(jié)能電磁閥驅(qū)動電路，通過降低電磁閥的工作電流和電壓，以及抑制線圈發(fā)熱，以降低電磁閥的功耗，并保障其安全運行。該電路由直流電源、電壓調(diào)節(jié)電路、延時控制電路及電磁閥保護電路4個部分組成，如圖4所示。

15 V直流電源電壓同時為延時控制電路和調(diào)壓電路供電。電路通電前，電容C1初始電壓為0 V，三極管VT1處于截止狀態(tài)。通電后，驅(qū)動電路工作過程分2個階段：第1階段，15 V電源通過電阻Ｒ1向電容C1充電，電容電壓逐漸上升。從0 V增加到0.7 V之前，三極管VT1始終處于截止狀態(tài)，集電極電阻Ｒ3對后續(xù)電壓調(diào)節(jié)電路無影響，三端穩(wěn)壓器LM317輸出電壓為電磁閥額定電壓12 V，電磁閥全壓啟動，此時線圈流過300 mA大電流。全額驅(qū)動電壓與分壓電阻Ｒ4、Ｒ5有關(guān)。第2階段，當電容C1被充電，電壓提升至0.7 V后，三極管VT1導(dǎo)通，電容C1電壓繼續(xù)升高至1.7 V時，三極管VT1進入飽和狀態(tài)，電阻Ｒ3與Ｒ4并聯(lián)，且與Ｒ5的分壓總電阻減小，電磁閥電壓降低，線圈電流降低。另外在上述電路中，電磁閥用40 Ω電阻RX代替。

經(jīng)過Multisim軟件中瓦特計實際測量和仿真運行，可以得到，1天澆灌3次，整套系統(tǒng)1天可節(jié)約電能0.68 kWh。這樣來看在無需人力物力的情況下，一年可以節(jié)省電能248.2 kWh，假設(shè)電能按照0.6元/kWh來算，經(jīng)濟上可節(jié)省148.92元，可實際減少作物種植成本。

在電源模塊設(shè)計時，考慮到一些地處偏僻的農(nóng)田大多沒有網(wǎng)絡(luò)和電力線路的覆蓋，難以使用家庭用電供電，無法依靠電力企業(yè)提供的電能，因此本系統(tǒng)選擇通過電池進行供電或采用某些集光裝置進行太陽能供電。

該灌溉系統(tǒng)的實際場景圖如圖5所示。

1.3.2 "噴灑裝置設(shè)計

該部分利用三杯風傳感器、L298N驅(qū)動模塊及直流電機模塊改進傳統(tǒng)噴灑裝置，將噴霧和滴灌2種模式結(jié)合在一起，實現(xiàn)調(diào)溫和澆水一體化，如圖6和圖7所示。

三杯風傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單，通過3片小碗狀口來捕獲風速的強弱，風速越大，3片小碗狀口轉(zhuǎn)速越快；反之，其轉(zhuǎn)速越慢。

對于噴灑頭，其平面開設(shè)有5個出水點。其中中間較大的出水點為液滴滴灌模式；而周圍的4個較小的出水點是噴霧模式；2種模式的開啟、切換由不同的繼電器進行控制。

1.3.3 "噴灑模式選擇流程

圖8展示了整個系統(tǒng)軟件的流程，其中定時器1完成精確的定時操作，每隔定長時間讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，單片機接收到溫濕度數(shù)據(jù)。與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)比較：若數(shù)據(jù)小于閾值，則進入風速判斷，選擇相應(yīng)的噴灑模式；若數(shù)據(jù)大于閾值，則說明無需噴灑，持續(xù)循環(huán)主函數(shù)即可。而系統(tǒng)讀取三杯風風速傳感器的風速值，同樣與閾值進行比較，若風速大于閾值，則開啟噴霧模式；反之，則工作在液滴滴灌模式。

2 "性能分析

為驗證產(chǎn)品的性能，共進行2種實驗：設(shè)定范圍內(nèi)及設(shè)定范圍外情況。

在此以溫度為例，假設(shè)除溫度外各項參數(shù)均在設(shè)定范圍內(nèi)，傳感器正常工作，Esp8266自帶的繼電器保持關(guān)閉，驅(qū)動模塊不工作，沒有發(fā)生誤動作。從中可以看出傳感器模塊運行良好，互相兼容；Esp8266與STC89C52作為控制中心，有效地控制設(shè)備運行。

電能的節(jié)省在上文中已經(jīng)闡述過，而水能的節(jié)約也十分可觀，具體見表1。

與傳統(tǒng)的普通漫灌相對比：本產(chǎn)品設(shè)計的2種不同灌溉方式相結(jié)合的農(nóng)業(yè)澆灌模式24 h僅需澆灌3次即可，1畝（1畝約等于667 m2，下同）地的節(jié)約用水量每天大約在0.87 t左右。

由國家統(tǒng)計局可得未來的5～10年，如果以吉林省的棚膜經(jīng)濟總面積突破100萬畝。而假定為100萬畝，那么一天的節(jié)水量大約87萬t左右，經(jīng)濟效益明顯。

當溫度在設(shè)定范圍外時，溫度測量值低于設(shè)定值，Esp8266自帶繼電器打開，驅(qū)動模塊工作，發(fā)出警報的同時，控制加熱絲的繼電器打開，加熱裝置開始工作，棚內(nèi)溫度開始上升，一段時間后，棚內(nèi)溫度達到設(shè)定范圍，繼電器關(guān)閉，加熱裝置停止工作，且沒有發(fā)生繼電器誤動作；溫度測量值高于設(shè)定值，Esp8266自帶繼電器打開，驅(qū)動模塊工作，發(fā)出警報的同時，控制風扇的繼電器打開，風扇開始轉(zhuǎn)動，棚內(nèi)溫度開始降低，一段時間后，棚內(nèi)溫度達到設(shè)定范圍，繼電器關(guān)閉，風扇停止轉(zhuǎn)動，且沒有發(fā)生繼電器誤動作。

3 "創(chuàng)新點及應(yīng)用

聯(lián)系到要實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能化必須要先解決實現(xiàn)工作人員與農(nóng)田信息之間實時反饋的問題，參考目前廣泛推廣的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)以市面上已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用的Esp8266和STC89C52系統(tǒng)構(gòu)成整體的控制核心，在電磁閥驅(qū)動電路和噴灑裝置的設(shè)計上進行了極大創(chuàng)新，使得本系統(tǒng)在整體性能上充分發(fā)揮了節(jié)水節(jié)能的作用。

一方面，電磁閥節(jié)能電路使得能耗得到進一步降低；另一方面，在噴灑裝置設(shè)計中用以電氣設(shè)計代替機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)噴霧和滴灌一體化，不僅提升了噴灑裝置的整體壽命，還應(yīng)用多功能噴頭的思想提高水源利用率。

4 "結(jié)束語

自國家相關(guān)政策發(fā)布以來，灌溉系統(tǒng)智能化設(shè)計層出不窮。本文聯(lián)系實際進行廣泛實踐，設(shè)計出一種新型智能化節(jié)水節(jié)能灌溉系統(tǒng)，不僅能很好地實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的目標，還具有良好的實用性和高效性。

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