溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田 野，徐保強(qiáng)，于欣欣

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

0 引言

溫室大棚的出現(xiàn)使農(nóng)作物在冬季低溫的生長(zhǎng)得以實(shí)現(xiàn)，成為農(nóng)民冬季收入的一種重要來(lái)源［1］。而空氣溫濕度和土壤濕度是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，所以如何對(duì)這些因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制就顯得十分重要。傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在著布線(xiàn)困難、線(xiàn)路易老化、成本高和監(jiān)測(cè)不方便等缺點(diǎn)，使得其應(yīng)用普及率不高［2］。傳統(tǒng)的灌溉主要依靠鋪設(shè)水管進(jìn)行粗放式的無(wú)控灌溉，導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)適量澆水，而且灌溉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通常灌溉一個(gè)100m×8m的大棚需要2.5h～3.5h，既造成了水資源的浪費(fèi)又消耗了大量的勞動(dòng)力。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地將采集到的空氣溫、濕度數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)。用戶(hù)可根據(jù)不同農(nóng)作物的需要設(shè)定最適應(yīng)土壤濕度，如果土壤濕度低于設(shè)定的土壤濕度值，則繼電器吸合接通電控開(kāi)關(guān)水閥電路進(jìn)行灌溉；當(dāng)土壤濕度高于此值時(shí)，繼電器斷開(kāi)關(guān)閉電控水閥開(kāi)關(guān)電路，灌溉結(jié)束。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1為遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。傳感器節(jié)點(diǎn)集成了處理器模塊、傳感器模塊和自動(dòng)灌溉控制模塊，電控水閥和灌溉設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1 處理器模塊

Zigbee作為一種無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)容量大，最高可支持65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)5V干電池可以使用半年到兩年［3］，其工作的頻段在中國(guó)為2.4GHz免執(zhí)照頻段。TI公司研發(fā)的CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC），它作為處理器模塊的核心芯片，能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［4］。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

處理器模塊的主要作用是對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理、無(wú)線(xiàn)通信信道的建立和數(shù)據(jù)的發(fā)送。該模塊集成了I/O、振蕩器和時(shí)鐘、電源模塊和DMA等模塊。通過(guò)對(duì)I/O的配置來(lái)決定引腳是輸入還是輸出，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。振蕩器和時(shí)鐘為系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。電源模塊對(duì)輸入的電壓進(jìn)行降壓，以適用于各模塊。DMA用以減輕CPU內(nèi)核傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的負(fù)擔(dān)，降低功耗。處理器及外圍電路圖如圖2所示。

圖2 處理器及外圍電路圖

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫、濕度值，并將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)供處理器模塊工作。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和相關(guān)接口電路組成，采集空氣溫、濕度數(shù)據(jù)。空氣溫、濕度傳感器選用DHT11，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器，通過(guò)P10實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其測(cè)量范圍為20%RH～90%RH、0℃～50℃，測(cè)濕精度為±5%RH，測(cè)溫精度為±2℃，工作電壓為3V～5.5V。

2.3 自動(dòng)灌溉控制模塊

自動(dòng)灌溉控制模塊負(fù)責(zé)將土壤濕度傳感器的值與設(shè)定的值進(jìn)行比較，并控制繼電器的工作狀態(tài)。自動(dòng)控制模塊由繼電器、電位器、LED指示燈、FC-28土壤濕度傳感器和硬件電路板等組成。土壤濕度傳感器表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可提高導(dǎo)電性能，防止生銹。通過(guò)電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)的閾值，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，繼電器吸合；高于設(shè)定值時(shí)，繼電器斷開(kāi)。此外還具有延時(shí)3s～5s功能，當(dāng)檢測(cè)到濕度在臨界狀態(tài)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象。該模塊供電電壓為5VDC，負(fù)載為250ADC和30VDC（低于此電壓均可正常工作）。

2.4 電控水閥和滴灌設(shè)備

電控水閥開(kāi)關(guān)由控制模塊繼電器控制。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，電控水閥控制端通電，打開(kāi)水閥進(jìn)行灌溉；當(dāng)繼電器閉合時(shí)控制端斷電，灌溉結(jié)束。電控水閥動(dòng)作方式為直動(dòng)常閉式，工作溫度為－5℃～80℃，工作壓力為0kg/cm2～8kg/cm2，工作電壓為220VAC或24VDC。

滴灌設(shè)備主要由主管、干管、支管和毛管組成［5］。主管由原自來(lái)水供水PVC管道代替，主管埋在凍土層以下。用接頭將干管與主管連接，干管的棚外部分也埋在地下凍土層以下，在大棚內(nèi)的部分根據(jù)農(nóng)戶(hù)需求采取外露和淺埋兩種方式。每個(gè)大棚設(shè)置一根支管，安裝于垂直大棚寬度方向的1/2處，與過(guò)濾器和施肥裝置相連，末端封堵。將毛管與支管相連，使毛管滴水一側(cè)朝上，防止堵塞滴口，按照各農(nóng)戶(hù)種植行距合理安裝。管路安裝實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 管路安裝實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

Zstack協(xié)議棧符合Zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)，利用Zstack協(xié)議棧編寫(xiě)系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)接收由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后上傳到上位機(jī)顯示。傳感器節(jié)點(diǎn)濕度傳感器監(jiān)測(cè)并比較土壤濕度與設(shè)定閾值的大小來(lái)決定是否灌溉。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 安裝調(diào)試與分析

根據(jù)系統(tǒng)功能流程圖，用Zigbee2007協(xié)議棧進(jìn)行程序的編寫(xiě)，并在IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中待編譯工程完畢后進(jìn)行調(diào)試、下載程序到各節(jié)點(diǎn)。將傳感器安裝后給各節(jié)點(diǎn)上電，通過(guò)串口軟件對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。IAR環(huán)境編譯工程圖如圖5所示。對(duì)大棚6：00到18：00的溫、濕度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)灌溉系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的有線(xiàn)監(jiān)測(cè)和粗放式漫灌方式進(jìn)行了改進(jìn)，并將二者進(jìn)行集成，大大減少了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體積和成本。同時(shí)運(yùn)用的自動(dòng)滴灌技術(shù)不僅節(jié)約了勞動(dòng)力，也減少了大量的灌溉用水。該設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用為溫室大棚智能化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)灌溉提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

圖5 IAR環(huán)境編譯的工程圖

圖6 大棚6：00到18：00的溫、濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

［1］程文鋒，楊祥龍，王立人.PLC和觸摸屏在自動(dòng)噴灌控制器中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（5）：128-131.

［2］王成，侯瑞鋒，張馨.節(jié)水灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在設(shè)施生產(chǎn)中的研究與運(yùn)用［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，2008（11）：16-17.

［3］無(wú)線(xiàn)龍.Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［4］高守瑋，吳燦陽(yáng).Zigbee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］付琳，董文楚.微灌工程技術(shù)指南［M］.北京：水利電力出版社，1988.