智能冷凝灌溉系统.pdf

64|电子制作2023 年 7 月智能应用智能冷凝灌溉系统谢超舜，林瑾，谭文广，李泽锐（广东东软学院 计算机学院，广东佛山，528225）基金项目：广东省攀登计划项目（pdjh2023a0665）。摘要：为解决水资源短缺造成的生态环境破坏、农作物减产等问题，本文对智能冷凝灌溉系统展开研究，利用土壤湿度控制模块、空气温湿度控制模块，感知农作物或植物的环境信息，并将其传输给控制器，控制器根据缺少情况控制半导体冷凝技术液化获取空气中的水资源的方法并对其可行性进行验证，设备由光伏能发电提供电力，减少资源消耗，不受地理环境限制。智能化灌溉节省了人力物力成本，为人们的生活提供便利。运行结果表明，该系统各组件运行正常，能够实现冷凝取水灌溉的效果。关键词：冷凝取水；智能灌溉；水资源0 引言据 水 利 部2015-2020 年全国因旱粮损失统计报告显示，2015-2020 年间，我国每年因旱灾损失数百亿公斤粮食。在贫水地区进行农作物与植物灌溉一般采用调水工程，通过修建渠道将水从富水区运往缺水区，这种方式人力，物力成本高昂，而且受到地理环境的影响。可见，若有一种淡水获取装置，可大大缓解上述的问题。而目前市场上的水资源回收装置基本上是对污染水进行回收利用，这种处理方式复杂，很容易因处理不当导致问题的发生。因此，本项目利用半导体冷凝技术从空气获取水资源，从源头获取水资源，避免了繁琐的净水过程，符合水质的要求，由光伏能发电提供电力，能够减少资源消耗。1 系统总体方案使用半导体 12706 制冷片制冷，对冷凝水进行收集。使用温湿度传感器对环境温湿度数据进行采集，并输入ESP32 微控制器进行数据处理，当土壤湿度低于设定阈值时，执行灌溉操作，当空气温度湿度低于设定阈值时，执行加湿降温操作。2 系统的硬件组成 2.1ESP32-WROOM-32 微控制器控制端采用了 ESP32-WROOM-32微控制器，ESP32是集成 2.4GHzWi-Fi(无线网络通信技术)的双核物联网微控制器，双核芯片能够单独处理联网和数据处理的工作，保障通讯的实时性和数据处理的效率。2.2 DHT11 温湿度传感器采用 DHT11 温湿度传感器来采集环境温湿度，该传感器由电阻式感湿元件和 NTC 测温元件组成，专用的数字温湿度采集技术，使之具有响应快，功耗低，抗干扰能力强的特性。2.3 YL-69 土壤湿度传感器和超声波加湿器采用 YL-69 传感器检查土壤的湿度，镀镍探头通过测量湿度变化而改变三极管的导通电流从而输出湿度的模拟量。模拟量输入 ADC 模数转换器即可获取数字量输出，进而获取土壤湿度。我们用超声波加湿器实现加湿，通过压电陶瓷片带动金属微孔片振动，通过金属微孔片将液体分解成水图 1系统整体框图wwwele169com|65智能应用雾，实现加湿功能。2.4 半导体 12706制冷片制冷片接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P 型半导体，在此吸收热量，到了 N型半导体，又将热量放出，每经过一 个 NP 型半导体组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。3 系统设计本 文 使 用 ESP32作为主控，底层基于 FreeRTOS 实时操作系统，项目由四个子系统组成。3.1 数据采集系统该系统由 ESP32 组成的信号控制板、DHT11 温湿度传感器、YL-69 土壤湿度传感器组成。用于采集环境温湿度、土壤湿度，作为智能灌溉的决策数据。电路原理图如图 5所示。3.2 智能灌溉系统该系统由 ESP32 组成的信号控制板、光耦继电器、电磁水阀、超声波加湿器组成。智能灌溉系统可以通过设定的程序，智能化执行灌溉、加湿与降温操作，加湿器产生水雾能够净化居民区空气中产生的灰尘，在夏天还可降低周围的温度，使得在居民区的人们拥有良好的生活环境1。智能灌溉系统电路原理图如图 6 所示。其中，光耦继电器使用ESP32GPIO（通用输入输出口）作为信号引脚，电磁水阀、超声波加湿器与光耦继电器连接，即可由 ESP32GPIO 信号引脚高低电平决定是否给电磁水阀、加湿器通电。3.3 光伏发电系统该系统由光伏发电板，充电电路驱动板，蓄电池组成。光伏发电板在太阳光或其他光照条件充足的情况下能够产生5V2A 的电力，输入充电电路驱动板可获得更高更稳定的电压为蓄电池充电，蓄电池在夜间维持能够设备的正常工作。3.4 冷凝集水系统该系统中半导体冷凝器由半导体 12706 制冷片、散热风扇、导冷块、进气风扇组成。该冷凝器产生的冷凝水由储水罐收集，储水罐还起到保冷的作用，保持与空气温度形成温差，能够增强制冷效率2。制冷片在接入直流电源后，根据半导体性质，热量会集中在热端，使得另一端形成冷图 2DHT11 温湿度传感器 图 4半导体 12706 制冷片图 5数据采集系统电路原理图图 3YL-69 土壤湿度传感器、超声波加湿器66|电子制作2023 年 7 月智能应用端，通过散热风扇，能够及时为制冷片热端散热，提高制冷效率。通过在冷端安装环保金属导冷块，以此来增大冷端与空气的接触面积，由于空气与导冷块存在温差，空气中含有的水分会冷凝液化，对冷凝水进行收集，从而实现空气取水的效果。冷凝集水系统工作流程图、实物图与工作原理图如图 7 所示。4 系统软件设计在完整整体硬件的选型和设计之后，开展整套浇灌系统的搭建，最核心最重要的一步就是进行系统的软件设计，才能驱动整体浇灌流程运作。在浇灌系统中，应当对系统进行初始化，然后实时获取农场生长环境因子：空气温湿度、土壤湿度等。4.1 空气温湿度感应软件设计本项目使用的 DHT11 空气温湿度传感器模块，传感器的输出未进行编码的二进制数据，获取环境因子参数之间要进行分开处理，保证数据传输准确性。由于 DHT11 对于时序要求十分严格，所以在编码操作时序时，要避免中断干扰到对应的总线时序，要先关闭总的中断，操作后在打开。程序流程图如图 8 所示。4.2 土壤湿度感应软件设计本项目使用的 YL-69土壤湿度传感器模块。传感器连接到 AD8591 模数转换模块上，接收土壤传感器传输的模拟值并进行0-100 的数字值转换，测量植物花卉生长土壤当中的湿度。可以通过在电位器上调整设置不同植物生长所需土壤湿度阈值，当湿度高于所设置的湿度阈值时，传感器输出低电平，不进行浇水灌溉，当湿度低于所设置的湿度阈值，传感器输出高电平，需要进行驱动水泵抽水灌溉。程序流程图如图 9所示。图 6智能灌溉系统电路原理图图 7冷凝集水系统图 9YL-69 程序流程图图 8DHT11 程序流程图（下转第 78 页）78|电子制作2023 年 7 月软件开发种动态网页技术，能够提供便捷的构建形式8。在高校学生发展记录系统中，当用户在小程序中操作时，小程序会向Web 发 Https 请求，此时调用 PHP，PHP 收到请求并验证Md5 值通过后，PHP 与数据库连接执行相应操作，完成后将结果返回到客户端，具体流程如图 5 所示。图 5通信逻辑4 结语综上，在需求分析的基础上，基于微信小程序设计出高校学生发展记录系统。该系统采用 Json、Wxss、JavaScript、MariaDB 以及 PHP 等多项开发技术，实现了微信小程序前端与 Web 后端的功能融合。在微信小程序端实现信息录入、发展汇总、进度展示等功能。在 Web 后端实现信息管理与平台维护。实践表明，基于微信小程序的高校学生发展记录系统实现了全程监控每个学生的表现情况，学生通过小程序可随时记录个人发展数据，并能及时了解自己的排名情况与任务完成情况。同时也便于高校掌握学生的整体表现，提升对学生评价的客观性与科学性。可度量、持续化的记录平台的创建，可显著提高系统的耦合性与扩展性，能够为高校学生提供良好的个人发展评价服务，为便捷地进行高校学生发展评价提供有力的数据支撑。在后续研究中可根据需求继续扩展其他功能模块，从而不断完善本系统。参考文献 1 周代弟.基于微信小程序的学生服务应用软件设计开发 J.电脑知识与技术，2021，17(28)：283-284.2 郭灿杰.基于微信小程序的学生成绩信息查询系统研究与设计 J.九江职业技术学院学报，2021(01)：22-25.3 肖树华，周南，谭园玲.基于微信小程序的高校学生学术活动管理平台开发研究 J.电子元器件与信息技术，2020，4(12)：150-151.4 高成龙.高校学生技能倾向测试与评价系统设计 J.网络安全技术与应用，2021(06)：94-96.5 何源.基于 ASP+ACCESS 的学生诚信等级评价系统设计与实现 J.襄阳职业技术学院学报，2019,18(05)：80-83.6 贺冰心.基于 Web 平台的高职院校学生就业信息管理系统设计 J.中国新技术新产品，2022(20)：42-45.7 王强.基于 B/S 架构的高校学生信息管理系统设计 J.电子技术与软件工程，2022(17)：195-198.8 施展,朱彦.基于 Vue 与 SpringBoot 框架的学生成绩分析和弱项辅助系统设计 J.信息技术与信息化，2022(08)：127-131.壤湿度检测、加湿及冷凝水取水等功能，实现了对农场、社区花园等农作物或植物的实时监测。此系统稳定性好，用户可操作性高，实用性强，在后续的测试过程中，无论是硬件模块，还是软件程序设计模块，测试结果基本符合设计的预期。本系统解决了现代人们在培育植物过程中，因缺水、无时间照料等问题，能够有效地在农作物、植物花卉生长过程中起到维护作用，也节约了水资源。参考文献 1周赵凤,邵威,邱祁等.阳台农业立体栽培机控制器的设计J.安徽农业科学,2019,47(09):189-193.2 张程庆,万训酉,何婧瑶.基于半导体制冷的冷凝取水式节水灌溉装置设计 J.科技创新与应用,2021,11(20):92-94.通信作者：林瑾。5 系统测试在硬件和软件部分分别经过测试验证后，对智能冷凝灌溉系统实际工作的实际联合测试。通过联合测试能够更好地验证本次设计的稳定性、可靠性及有效性。本次设计的智能冷凝灌溉系统实现了预期的功能设计要求，实物如图 10 所示。6 结语本智能冷凝灌溉系统完成了光伏发电、温湿度检测、土图 10实物图（上接第 66 页）