基于物联网技术的远程控制自动浇灌喷淋系统设计.pdf

物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application540 引 言小型温室大棚的作物生长或家庭园艺的花卉盆景种植需要对土壤湿度这一最基本的作物生长环境进行检测与控制。市场中针对此类需求的产品大致分为两种：一是采用定时器定时浇灌，优点是控制电路简单，成本低，使用方便，缺点是无法根据作物或植物对水分的需求合理补充水分，影响其正常生长；二是采用非工业级土壤湿度传感器来检测土壤湿度，并自动控制浇灌，优点是能满足作物或植物对水分的需求，缺点是非工业级土壤湿度传感器稳定性差，多数产品无法提供在线检测数据，使用户无法按照季节或气候变化，灵活调节水分的供给1-2。针对以上问题，围绕精准农业，针对作物及土壤特性，提出了基于物联网技术的浇灌喷淋系统，实现精确取值，给出精准灌溉方案，解决了灌溉过程中存在的积水、节水等实际问题，实现了自动浇灌、远程浇灌等功能3。1 技术方案本系统针对小型温室作物生长或家庭园艺花卉盆景种植养护过程中，对土壤水分和叶面喷淋的需求进行了设计，实现了自动浇灌、远程控制浇灌及喷淋功能。系统包括供水装置、电磁水阀、电磁水阀和喷灌控制设备。其中，电磁水阀为常闭状态；控制系统由开关电源模块、土壤水分变送器、智能变送仪和 WiFi 远程控制模块四部分组成，如图 1所示；供水设备的进水口通过水管与水源相连通，供水设备启动后，水流经过电磁水阀和电磁水阀，智能变送仪控制电磁水阀通电与断电，实现自动浇灌；通过 WiFi 远程控制模块控制电磁水阀、电磁水阀上的线圈得电与失电，实现远程控制浇灌及喷淋4-5。2 系统设计2.1 控制系统模块设计控制系统由开关电源模块、土壤水分变送器、智能变送基于物联网技术的远程控制自动浇灌喷淋系统设计杨 明，杨建国（徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州 221006）摘 要：为解决远程自动浇灌和作物浇灌时不能合理掌握浇灌量的问题，提出一种基于物联网技术的远程控制自动浇灌喷淋系统，用以实现远程控制精准浇灌等功能。该系统包括供水装置、电磁水阀和控制系统；控制系统包括开关电源模块、土壤水分变送器、智能变送仪和 WiFi 远程控制模块；供水设备入口通过水管与水源相连通，供水设备的出水口出水后分两路，通过智能变送仪控制电磁水阀线圈得电与失电，实现自动浇灌；通过 WiFi 远程控制模块控制电磁水阀得电与失电，实现远程控制浇灌及喷淋。该浇灌方法在试验中表现相对稳定，对比人工浇水作业，实用性有所提升，用水量显著降低。该系统有良好的自动化性能，能够保证浇水作业的效果，为实现大规模灌溉作业奠定了基础。关键词：物联网技术；传感器；远程控制；WiFi；自动浇灌；精准灌溉中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0054-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.014图 1 控制模块电路收稿日期：2022-11-16 修回日期：2023-01-31基金项目：江苏高校哲学社会科学研究一般项目：数字化背景下职业院校“三教”改革的研究与实践（2023SJYB1215）2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application55仪和 WiFi 远程控制模块组成。开关电源模块输入电压为 AC 220 V，整流后输出 DC 12 V，向土壤水分变送器和 WiFi 远程控制模块提供直流工作电源。土壤水分变送器工作电压为 DC 12 V，由土壤湿度传感器采集土壤的水分信息，并向外输出两路信号，一路数据经过 RS 485 总线和 RS 485 转RS 232 模块，将信号传输至计算机，通过相应的软件实时显示土壤的湿度信息；另一路数据变送为 4 20 mA 电流信号，输入到智能变送仪。智能变送仪由 AC 220 V 交流电提供工作电压，其输入端将接收的 4 20 mA 电流信号变送后，控制其上的继电器开关 1 通电与断电。WiFi 远程控制模块工作电压为 DC 12 V，其上 PSA-B01 主控芯片控制模块上的继电器开关 2 和开关 3，开关 2 和开关 3 的得电与失电由手机APP 软件控制。继电器工作原理如图 2 所示。图 2 继电器工作原理2.2 继电器模块设计土壤水分变送器与智能变送仪相连，土壤水分变送器中的土壤湿度传感器将采集土壤的水分信息变送为 4 20 mA电流信号输入到智能变送仪；图 2 所示开关 4、开关 5、开关 6 为中间继电器。智能变送仪中设有继电器开关 1，继电器开关 1 的常开触点与中间继电器开关 4 相连，中间继电器开关 4 的常开触点与供水设备相连，中间继电器开关 4 的常开触点与电磁水阀相连。土壤水分变送器通过 RS 485总线与 RS 485 转 RS 232 模块相连，RS 485 转 RS 232 模块与计算机相连，通过计算机实时显示土壤的湿度信息。WiFi远程控制模块包括主控芯片和继电器开关 2；继电器开关 2的常开触点与中间继电器开关 5 相连，中间继电器开关 5 的常开触点与供水设备相连，中间继电器开关 4 的常开触点与电磁水阀相连。WiFi 远程控制模块还包括继电器开关3，继电器开关 3 的常开触点与中间继电器开关 6 相连，中间继电器开关 6 的常开触点与供水设备相连，中间继电器开关 6 的常开触点与电磁水阀相连。开关电源模块将输入电压 AC 220 V 整流后输出 DC 12 V，用以对土壤水分变送器和 WiFi 远程控制模块提供直流工作电源。智能变送仪由 AC 220 V 提供工作电压6-7。2.2.1 自动浇灌土壤湿度传感器检测土壤含水率低于预设范围下限，此时智能变送仪接收的土壤水分变送器输出的电流变小，系统判断土壤水分较少，智能变送仪启动继电器开关 1 的线圈，闭合继电器开关 1，同时闭合中间继电器开关 4，中间继电器启动，之后闭合开关 4 的常开触点，供水设备和电磁水阀线圈同时得电启动，供水装置开始工作，电磁水阀打开，设备启动，进行自动浇灌。浇灌过程中，土壤含水量不断增加，土壤湿度传感器实时检测土壤含水率，智能变送仪接收的土壤水分变送器输出的电流变大，当含水率达到预设范围上限时，系统判断土壤水分已达预设要求，智能变送仪关闭自带的继电器开关 1 的线圈，断开继电器开关 1，同时关闭中间继电器开关 4，中间继电器关闭，打开开关 4 的常开触点，供水设备电机和电磁水阀线圈同时关闭，供水装置停止工作，同时电磁水阀闭合，设备关闭，停止自动浇灌8。2.2.2 远程控制浇灌远程控制浇灌是通过网络远程控制系统设备启动喷淋浇灌。夏季，水分蒸发较快，对于土壤湿度要求较高需要临时调节供水需求的植物或小型盆栽进行适量浇灌，可以启动远程浇灌功能。通过网络远程启动继电器开关 2 的线圈，闭合继电器开关 2，启动中间继电器开关 5 的线圈，闭合中间继电器开关 5，同时启动供水装置和电磁水阀线圈，供水装置开始工作，启动电磁水阀，实现远程控制浇灌。2.2.3 远程控制喷淋本系统中，设计使用一个供水装置供水，可同时满足喷淋和浇灌两种需求。由于不同植物或盆栽养护方式不同，养护过程中为使植物或盆栽得到叶面喷淋效果，该系统装置需具备叶面喷淋功能。通过网络远程控制设备的喷淋功能，闭合继电器开关 3 的线圈使其得电，闭合继电器开关 3，闭合中间继电器开关 6 的线圈使其得电，闭合中间继电器开关 6，供水装置和电磁水阀线圈同时得电启动，完成远程控制喷淋功能9。3 实例及分析系统功能测试地点选择学院物联网实训基地盆景园，为盆景浇水是一项日常性的养护工作，不同的盆栽植物对土壤湿度要求不同，多数盆栽植物都需要湿润的盆土，但若水量过多会发生水涝。一般盆栽植物浇水凭借养护经验，观察盆土表面判断浇水时间，以干透浇透为宜，所以盆栽植物浇水一般采用喷淋慢浇方式。此过程需保证土壤湿度均匀，可浇回头水，直到盆底出现渗水。对于盆景养护而言，这种传统物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application56浇水方法很难判断浇水量。选取罗汉松盆景进行测试，罗汉松的最适宜生长温度为 15 28，土壤要求肥沃、湿润、质地疏松，本次测试设定土壤湿度为 40%60%（相对体积含水量），数据采集时间为 2022 年 5 月 21 日，选用土壤湿度传感器型号为 RS-WS-N01-T，土壤水分测量范围为0 100%，水分精度为 3%，数据上报至管理控制平台。系统测试数据见表 1 所列。表 1 日间测试值序 号时 间浇灌前含水量/（%）浇水量/mL浇水后含水量/（%）19：50：1141.209659.019：52：1057.023762.989：53：2361.203064.78213：00：3254.210316：20：2343.228657.0916：21：2159.033063.8816：22：3162.213064.0116：00：0863.013066.98419：00：4358.010521：00：2349.210通过试验数据可以看出，传感器采集的数据精准可靠，电流控制信号稳定，系统设备运行稳定，保证了盆栽植物生长所需的适合的土壤湿度。该系统不仅解决了传统浇水方式无法精确控制水量，收集各类盆栽植物养护所需土壤湿度数据的问题，同时解决了用一个供水设备进行自动浇灌、远程控制浇灌及喷淋的技术问题10。4 结 语本文借助物联网技术，依据模块化的电路设计方法实现了远程控制自动浇灌喷淋功能，可以对盆土含水量进行检测，按照作物生长要求进行浇灌或喷淋。设备传感器采集的数据精准可靠，电流控制信号稳定，系统装置运行平稳，保证了植物生长所需的合适的土壤湿度。同时，系统采用供水设备解决了自动浇灌、远程控制浇灌及喷淋的技术问题，实现了喷淋浇灌的数字化和网络化管理，对比人工浇水作业，实用性有所提升，用水量显著降低。参考文献1 杨英茹，郭利朋，岳赵寒，等.日光温室远程监控系统发展现状及问题分析 J.农业网络信息，2015，30（3）：50-51.2 ANTHONY S D，JULIAN D.Application of ZigBee-based internet of thingstechnology to demand response in smart grids J.IFAC papers on line，2018，51（28）：43-48.3 于合龙.一种渐进式远程控制精准浇灌装置的设计 J.吉林农业大学学报，2021，43（2）：231-236.4 陈宇峰.基于物联网技术的农业温室环境监控系统设计 J.江苏科技信息，2018，35（27）：49-52.5 马本骥，纪兴峰.基于物联网技术的智能盆栽管理系统的研究与设计 J.安徽农业科学，2019，47（3）：248-250.6 赵娜，刁怀龙，刁培松，等.基于单片机的小麦播种机播种面积的监测系统 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