智能冷凝灌溉系統

謝超舜，林瑾，譚文廣，李澤銳

（廣東東軟學院 計算機學院，廣東佛山，528225）

0 引言

據水利部《2015-2020年全國因旱糧損失統計》報告顯示，2015-2020年間，我國每年因旱災損失數百億公斤糧食。在貧水地區進行農作物與植物灌溉一般采用調水工程，通過修建渠道將水從富水區運往缺水區，這種方式人力，物力成本高昂，而且受到地理環境的影響?？梢?，若有一種淡水獲取裝置，可大大緩解上述的問題。而目前市場上的水資源回收裝置基本上是對污染水進行回收利用，這種處理方式復雜，很容易因處理不當導致問題的發生。因此，本項目利用半導體冷凝技術從空氣獲取水資源，從源頭獲取水資源，避免了繁瑣的凈水過程，符合水質的要求，由光伏能發電提供電力，能夠減少資源消耗。

圖1 系統整體框圖

1 系統總體方案

使用半導體12706制冷片制冷，對冷凝水進行收集。使用溫濕度傳感器對環境溫濕度數據進行采集，并輸入ESP32微控制器進行數據處理，當土壤濕度低于設定閾值時，執行灌溉操作，當空氣溫度濕度低于設定閾值時，執行加濕降溫操作。

2 系統的硬件組成

■2.1 ESP32-WROOM-32 微控制器

控制端采用了ESP32-WROOM-32 微控制器，ESP32是集成2.4 GHz Wi-Fi(無線網絡通信技術)的雙核物聯網微控制器，雙核芯片能夠單獨處理聯網和數據處理的工作，保障通訊的實時性和數據處理的效率。

■2.2 DHT11溫濕度傳感器

采用DHT11溫濕度傳感器來采集環境溫濕度，該傳感器由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成，專用的數字溫濕度采集技術，使之具有響應快，功耗低，抗干擾能力強的特性。

■2.3 YL-69土壤濕度傳感器和超聲波加濕器

采用YL-69傳感器檢查土壤的濕度，鍍鎳探頭通過測量濕度變化而改變三極管的導通電流從而輸出濕度的模擬量。模擬量輸入ADC模數轉換器即可獲取數字量輸出，進而獲取土壤濕度。我們用超聲波加濕器實現加濕，通過壓電陶瓷片帶動金屬微孔片振動，通過金屬微孔片將液體分解成水霧，實現加濕功能。

■2.4 半導體12706制冷片

制冷片接通直流電源后，電子由負極(-)出發，首先經過P型半導體，在此吸收熱量，到了N型半導體，又將熱量放出，每經過一個NP型半導體組，就有熱量由一邊被送到另外一邊，造成溫差，從而形成冷熱端。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

圖3 YL—69土壤濕度傳感器、超聲波加濕器

3 系統設計

本文使用ESP32作為主控，底層基于FreeRTOS實時操作系統，項目由四個子系統組成。

■3.1 數據采集系統

該系統由ESP32組成的信號控制板、DHT11溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器組成。用于采集環境溫濕度、土壤濕度，作為智能灌溉的決策數據。電路原理圖如圖5所示。

圖5 數據采集系統電路原理圖

■3.2 智能灌溉系統

該系統由ESP32組成的信號控制板、光耦繼電器、電磁水閥、超聲波加濕器組成。智能灌溉系統可以通過設定的程序，智能化執行灌溉、加濕與降溫操作，加濕器產生水霧能夠凈化居民區空氣中產生的灰塵，在夏天還可降低周圍的溫度，使得在居民區的人們擁有良好的生活環境[1]。智能灌溉系統電路原理圖如圖6所示。其中，光耦繼電器使用ESP32 GPIO（通用輸入輸出口）作為信號引腳，電磁水閥、超聲波加濕器與光耦繼電器連接，即可由ESP32 GPIO信號引腳高低電平決定是否給電磁水閥、加濕器通電。

圖6 智能灌溉系統電路原理圖

■3.3 光伏發電系統

該系統由光伏發電板，充電電路驅動板，蓄電池組成。光伏發電板在太陽光或其他光照條件充足的情況下能夠產生5V 2A的電力，輸入充電電路驅動板可獲得更高更穩定的電壓為蓄電池充電，蓄電池在夜間維持能夠設備的正常工作。

■3.4 冷凝集水系統

該系統中半導體冷凝器由半導體12706制冷片、散熱風扇、導冷塊、進氣風扇組成。該冷凝器產生的冷凝水由儲水罐收集，儲水罐還起到保冷的作用，保持與空氣溫度形成溫差，能夠增強制冷效率[2]。制冷片在接入直流電源后，根據半導體性質，熱量會集中在熱端，使得另一端形成冷端，通過散熱風扇，能夠及時為制冷片熱端散熱，提高制冷效率。通過在冷端安裝環保金屬導冷塊，以此來增大冷端與空氣的接觸面積，由于空氣與導冷塊存在溫差，空氣中含有的水分會冷凝液化，對冷凝水進行收集，從而實現空氣取水的效果。冷凝集水系統工作流程圖、實物圖與工作原理圖如圖7所示。

圖7 冷凝集水系統

4 系統軟件設計

在完整整體硬件的選型和設計之后，開展整套澆灌系統的搭建，最核心最重要的一步就是進行系統的軟件設計，才能驅動整體澆灌流程運作。在澆灌系統中，應當對系統進行初始化，然后實時獲取農場生長環境因子：空氣溫濕度、土壤濕度等。

■4.1 空氣溫濕度感應軟件設計

本項目使用的DHT11空氣溫濕度傳感器模塊，傳感器的輸出未進行編碼的二進制數據，獲取環境因子參數之間要進行分開處理，保證數據傳輸準確性。由于DHT11對于時序要求十分嚴格，所以在編碼操作時序時，要避免中斷干擾到對應的總線時序，要先關閉總的中斷，操作后在打開。程序流程圖如圖8所示。

圖8 DHT11程序流程圖

■4.2 土壤濕度感應軟件設計

本項目使用的YL-69土壤濕度傳感器模塊。傳感器連接到AD8591模數轉換模塊上，接收土壤傳感器傳輸的模擬值并進行0-100的數字值轉換，測量植物花卉生長土壤當中的濕度?？梢酝ㄟ^在電位器上調整設置不同植物生長所需土壤濕度閾值，當濕度高于所設置的濕度閾值時，傳感器輸出低電平，不進行澆水灌溉，當濕度低于所設置的濕度閾值，傳感器輸出高電平，需要進行驅動水泵抽水灌溉。程序流程圖如圖9所示。

圖9 YL—69程序流程圖

5 系統測試

在硬件和軟件部分分別經過測試驗證后，對智能冷凝灌溉系統實際工作的實際聯合測試。通過聯合測試能夠更好地驗證本次設計的穩定性、可靠性及有效性。本次設計的智能冷凝灌溉系統實現了預期的功能設計要求，實物如圖10所示。

圖10 實物圖

6 結語

本智能冷凝灌溉系統完成了光伏發電、溫濕度檢測、土壤濕度檢測、加濕及冷凝水取水等功能，實現了對農場、社區花園等農作物或植物的實時監測。此系統穩定性好，用戶可操作性高，實用性強，在后續的測試過程中，無論是硬件模塊，還是軟件程序設計模塊，測試結果基本符合設計的預期。本系統解決了現代人們在培育植物過程中，因缺水、無時間照料等問題，能夠有效地在農作物、植物花卉生長過程中起到維護作用，也節約了水資源。