基于物聯網的移動電話APP遠程監控植物灌溉系統設計

錢曉艷　遲明路　程存欣　賈佳文　張照奇　仝鑫　彭旭峰

摘要：為了實現對植物進行遠程灌溉和監控，減少水資源浪費，提高灌溉效率，設計了基于物聯網的移動電話APP遠程監控植物灌溉系統，利用物聯網控制器實現對土壤濕度、環境溫濕度、環境光照強度和環境氣體的檢測，綜合各檢測值并根據不同種類植物所需水分的不同設定澆水閾值。系統由物聯網控制器、繼電器、土壤濕度傳感器、環境溫濕度傳感器、光照傳感器和氣體傳感器、隔膜水泵、可滴可噴一體調節噴頭、水管等組成，能實時監測土壤水分含量并遠程開啟水泵進行泵水作業，從而實現灌溉植物的智能控制。

關鍵詞：物聯網;移動電話APP;遠程監控;植物灌溉

中圖分類號：TP27 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0149—04

0引言

水是植物生長的必要條件，是未來可持續發展的一個關鍵因素，同時又是戰略性的經濟資源。在我國用水量大、水資源緊缺的背景下，大力推廣作物智能灌溉對促進我國資源節約、可持續發展具有重要意義。當今世界供水技術發展的總趨勢也是采用節水、節能的灌溉方法，實現水資源的合理利用。因此，發展節水灌溉，推進精準灌溉，是我國實現可持續發展的關鍵。

傳統植物灌溉利用人工進行手動開啟或關閉水泵閥門進行植物澆灌，而利用工人的經驗判斷土壤水分情況，判斷標準不一，容易出現澆水過多或過少的問題。對土壤含水量敏感的植物可能會因一次過量施水或施水不足而造成難以挽回的巨大損失。而基于物聯網的智能灌溉系統是以物聯網技術為手段，以植物實際需水量為依據，提高灌溉的精準度，實施合理的灌溉制度，同時提高了水的利用率。

本文設計的基于物聯網的移動電話APP遠程監控植物灌溉系統，利用移動電話APP即可控制植物的智能灌溉，采用土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器和氣體傳感器進行環境變量檢測。物聯網控制器可以接受土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器和氣體傳感器實時采集并發送的模擬量和數字量信號，經物聯網控制器解算、分析，開啟模塊繼電器使水泵通電，利用水管噴頭進行供水作業;當土壤濕度等傳感器檢測土壤濕度達到設定值時，自動發送信號至物聯網控制器，控制水泵關閉，停止供水、噴頭停噴，從而實現對植物灌溉的智能控制。該系統能夠有效提高植物灌溉效率，節省人工成本，提高勞動生產率，為實現精準農業提供了參考，具有應用推廣價值。

1系統硬件設計

遠程智能灌溉系統通過使用物聯網M4模塊，將土壤濕度、環境溫濕度、氣體狀況以及光照強度等參數實時傳送，從而實現移動電話遠程監控植物生長狀態。系統總體設計框圖如圖1所示。

1.1跨陣M4物聯網模塊

跨陣M4物聯網模塊功率較小，功能較豐富。內部裝有繼電器，可通過移動電話進行遠程控制，只需連WiFi，即可進行遠程控制（無需和跨陣M4處于同一個WiFi環境下）。跨陣M4物聯網模塊可以選擇遠程和本地控制兩種模式，由于功率不能大于0.5W，因此，模塊的輸入電壓不能過大，通常使用的輸出電壓為5V和12V，控制電流不能高于10A。跨陣M4物聯網模塊擴展接口有5個，支持接入4組模擬量傳感器以及1組智能可選傳感器，圖2所示為跨陣M4物聯網模塊。

1.2 DHT11溫濕度模塊

DHT11溫濕度傳感器相比于市面上其他溫濕度傳感器有一個顯著的優點：其在工作過程中能夠進行自動檢測，并且能夠分析處理數據，還能加強收到的數據精度和可靠性，之后將整合的信息傳送到傳感器的內部模塊進行處理。DHT11溫濕度控制模塊內部電路如圖3所示。

1.3土壤濕度傳感器模塊

該設計選擇YL-69型號土壤濕度傳感器模塊，土壤濕度傳感器能夠實時監測土壤內部的水分含量，并能實時將信號傳送到傳感器控制模塊中進行分析處理，YL-69土壤濕度傳感器電路如圖4所示。

在土壤濕度傳感器前端連接的是一個金屬探測裝置，該探測裝置靈敏度較高，能夠對土壤濕度進行實時測量，如果檢測到的濕度參數小于預設數值時，物聯網模塊的繼電器就會開啟并且控制水泵打開，進行澆水;如果檢測到濕度已經達到設定值時，物聯網模塊關閉水泵，水泵則停止澆水。

1.4 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能，圖5所示為ESP8266WiFi模塊。該模塊通常有COM-AP模式、COM-STA模式和COM-AP+STA模式3個模式，這3種模式都能實現串口和連接設備進行信息的傳遞。3種模式的不同點在于前兩種模式都有3個子模式，而最后一個模式擁有9個子模式。當該無線模塊向軟件發送數據時，需要進行TCP連接并根據數據的長度進行數據傳送。本文選用的跨陣M4物聯網模塊裝載的ESP8266WiFi模塊能夠通過無線網絡與移動電話APP進行網絡配置，實現對物聯網灌溉系統進行無線控制。

2系統軟件設計

在智能移動電話上通過物聯網管理平臺進行系統軟件設置，對跨陣M4物聯網模塊的無線模塊進行相應的網絡配置，可實現實時遠程數據監測，并隨時開啟水泵進行灌溉。當土壤濕度低于設定值時，移動電話APP顯示相應土壤濕度示數，開啟模塊繼電器使隔膜水泵通電，利用水管噴頭進行供水作業;當土壤濕度等傳感器檢測土壤濕度達到設定值時，控制隔膜水泵關閉，停止供水、噴頭停噴，從而實現灌溉植物的自動控制。圖6所示為智能灌溉系統的控制流程。

電源選擇直流5V或者直流12V，電源連接如圖7所示。

打開物聯網管理平臺后，點擊“免費注冊”輸入需要注冊的移動電話號碼后，獲取移動電話驗證碼，輸入驗證碼后登錄輸入密碼。登錄方式如圖8所示。

打開移動電話WiFi列表可以看到以ESP開頭的WiFi，點擊并連接該WiFi，如圖9所示。

打開移動電話瀏覽器，在網址輸入框內輸入“192.168.4.1”并點擊訪問進入到配置界面，如圖10所示。

完成網絡配置后，返回到物聯網控制平臺，點擊“添加設備”。在彈出的界面中分別填人設備名稱以及設備編碼，最后點擊“保存設備”按鈕。自動回到控制首頁，點擊下方刷新按鈕，即可看到成功添加的物聯網設備，點擊1002開關按鈕即可控制物聯網控制器開關。如圖11所示。

3智能灌溉系統實驗測試

系統測試主要是檢測各個傳感器是否能夠正常工作，并且能否在移動電話APP上進行相應配置，以及核心模塊能否正常運行。

3.1 DHT11溫濕度傳感器測試

跨陣M4模塊支持接入DHT11溫濕度傳感器，在選擇時需選擇無LED的模塊，接線如圖12所示。

連接成功后，需要在移動電話APP中修改相應的數據，點擊下方的“保存編輯”按鈕，最后到控制端首頁點擊“刷新”按鈕，即可通過控制端實時監測系統環境的溫度和濕度，如圖13所示。

3.2土壤濕度傳感器測試

土壤濕度傳感器接入AINO和GND端口，如圖14所示，在物聯網管理平臺的1001選擇AINO并保存編輯，即可看到AIN0的數據，如圖15所示。

當跨陣M4物聯網模塊與各個傳感器正確連接后，并經各個模塊測試完成后，開始進行灌溉系統的整體測試，測試過程如圖16所示。

測試后，對測試采集數據進行分析，圖17為不同類型植物的灌溉曲線，通過曲線圖可以看出，當濕度未達到設定值時，經過一段時間澆水后，3種植物的土壤濕度都逐漸增加;當濕度達到設定值時，繼電器控制水泵關閉，停止灌溉，植物的土壤濕度變化情況停止，保持濕度不變。

4結束語

本文通過使用物聯網模塊，實現對土壤濕度、光照強度、環境溫濕度及氣體狀況等環境因素進行實時檢測，利用移動電話APP與物聯網模塊進行網絡配置，可以在移動電話APP上實時觀測數據變化，并對水泵進行開關控制，實現植物水量的遠程自動監測與調整。自動化控制技術與物聯網技術結合是今后智能灌溉的發展趨勢，也是實現節水灌溉的有效途徑。