基于Arduino的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)智能化灌溉系統(tǒng)

耿新洋 楊延寧 崔佳萌 王凱

摘 要 近年來，人們逐漸形成了節(jié)水意識(shí)，針對(duì)灌溉技術(shù)的要求也越來越高。為了提高水資源利用率，設(shè)計(jì)一種基于Arduino的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)智能化灌溉系統(tǒng)。其基于Arduino單片機(jī)，操縱DHT11溫濕度傳感器收集溫度、濕度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，具有智能灌溉、實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度等功能。

關(guān)鍵詞 智能灌溉;智能云計(jì)算;檢測(cè);控制;Arduino

中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.100

水是農(nóng)業(yè)耕作之根本，水資源也是人類生活的基礎(chǔ)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)水的需求極大，但我國(guó)如今仍面臨水資源缺乏問題。因此，提高水資源的利用率是加快我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的催化劑。基于此，設(shè)計(jì)一種智能灌溉系統(tǒng)，以加快發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，大幅度提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)效率。

1 硬件設(shè)計(jì)

Arduino產(chǎn)品軟硬件完全開放，其硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開源的，具有傳輸速度快、低功耗的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，系統(tǒng)采用Arduino主板作為主控芯片，硬件主要分為智能灌溉模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯(lián)網(wǎng)模塊。

1.1 智能灌溉模塊和溫濕度檢測(cè)模塊

智能灌溉模塊：當(dāng)檢測(cè)到的土壤濕度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，輸出低電平，繼電器控制水泵工作，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。溫濕度檢測(cè)模塊：將DHT11測(cè)得溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在OLED屏幕中，方便直觀監(jiān)測(cè)。圖1所示為Arduino的原理圖。

1.2 基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯(lián)網(wǎng)模塊

ESP8266 WiFi模塊中的WiFi聯(lián)網(wǎng)功能可以將所測(cè)環(huán)境溫濕度上傳到百度智能云的用戶數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)將控制繼電器工作的信息傳至ESP8266 WiFi進(jìn)行遠(yuǎn)程灌溉。圖2所示為ESP8266 WiFi模塊示意圖。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 智能灌溉模塊功能

土壤濕度傳感器將檢測(cè)到的土壤模擬數(shù)值傳回Arduino主板，與設(shè)置好的模擬值進(jìn)行比較，若測(cè)得土壤模擬數(shù)據(jù)比程序設(shè)定低，Arduino主板的13號(hào)數(shù)字引腳口輸出高電平，控制繼電器斷開，水泵關(guān)閉;反之，則繼電器閉合，水泵工作，Arduino利用數(shù)字信號(hào)使繼電器開合來控制水泵。水泵工作程序設(shè)定為輸出高電平和輸出低電平各1 s，即繼電器閉合1 s再斷開1 s[2]。

2.2 溫濕度檢測(cè)模塊功能

OLED屏幕實(shí)時(shí)顯示溫濕度。

2.3 基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯(lián)網(wǎng)模塊功能

百度智能云的用戶數(shù)據(jù)平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度情況，通過ESP8266 WiFi模塊，在百度智能云平臺(tái)后臺(tái)中設(shè)置switch值，后臺(tái)中輸入true或false進(jìn)而通過程序控制水泵[3]。

3 硬件介紹

3.1 繼電器模塊電路

繼電器是一種數(shù)字信號(hào)模塊，Arduino主板給繼電器發(fā)送數(shù)字信號(hào)控制繼電器開合，以此控制水泵工作，接在240 V交流或28 V直流電源中對(duì)水泵進(jìn)行控制。圖3所示為繼電器模塊原理圖。

3.2 土壤濕度檢測(cè)模塊

土壤濕度傳感器表面采用鍍鎳處理，以避免長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕的土壤中而生銹，防止測(cè)得數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差。土壤濕度傳感器將測(cè)得的土壤濕度模擬值數(shù)據(jù)傳回Arduino主板，由主板與程序設(shè)定值比較，工作電壓為3.3～5.0 V。3 V時(shí)，在空氣中讀取的最大模擬值為699，浸泡在水里的最小模擬值265;5 V時(shí)，在空氣中讀取最大模擬值為989，浸泡在水里的最小模擬值265。規(guī)格相同的土壤濕度傳感器讀取模擬值時(shí)有一定誤差。土壤濕度檢測(cè)模塊原理圖如圖4所示。

3.3 溫濕度檢測(cè)顯示模塊

使用元件：0.96寸IIC 128×64 OLED液晶屏模塊;DHT11溫濕度傳感器;使用u8glib點(diǎn)陣液晶顯示器驅(qū)動(dòng)庫(kù)進(jìn)行文字和數(shù)字顯示。

OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光板，顯示原理主要是通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料通過載流子注入和復(fù)合后實(shí)現(xiàn)發(fā)光[4]。

3.4 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器測(cè)量濕度范圍為20%～90%，溫度測(cè)量范圍在0～50 ℃，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于苛刻的環(huán)境[5]。

3.5 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過LED燈柱高度來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水箱內(nèi)部水位高度，在水箱內(nèi)部連入導(dǎo)線，利用水的導(dǎo)電性，形成LED燈柱的閉合回路。圖5所示為水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖。

4 軟件設(shè)計(jì)

在程序中設(shè)置模擬值M，根據(jù)土壤濕度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來判斷土壤濕度是否大于預(yù)設(shè)模擬值M，繼電器控制水泵工作程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

5 結(jié)語

根據(jù)Arduino uno和ESP8266 WiFi模塊設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)主要利用土壤濕度檢測(cè)模塊和DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用程序控制水量，利用OLED顯示屏進(jìn)行空氣溫濕度數(shù)據(jù)顯示，將數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，能夠高效地進(jìn)行節(jié)水灌溉，在灌溉方面起到了重要作用[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊志芹.基于Arduino單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（11）：80-83.

[2] 姚瑞來.智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，

2019（8）：66，68.

[3] 劉天宇，徐曉輝，宋濤，等.基于Android的智能溫室控制與實(shí)現(xiàn)[J].節(jié)水灌溉，2018（5）：90-92，96.

[4] 王國(guó)亮.OLED產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場(chǎng)前景淺析[J].中國(guó)市場(chǎng)，2017（11）：62-63.

[5] 程捷，何晨.基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2011（6）：56-58.

[6] 付寧，劉紅，唐玉龍，等.基于Arduino單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦（理論版），2019（8）：76-77.

（責(zé)任編輯：趙中正）