基于物聯網技術的遠程控制自動澆灌噴淋系統設計

楊 明，楊建國

（徐州生物工程職業技術學院，江蘇 徐州 221006）

0 引 言

小型溫室大棚的作物生長或家庭園藝的花卉盆景種植需要對土壤濕度這一最基本的作物生長環境進行檢測與控制。市場中針對此類需求的產品大致分為兩種：一是采用定時器定時澆灌，優點是控制電路簡單，成本低，使用方便，缺點是無法根據作物或植物對水分的需求合理補充水分，影響其正常生長；二是采用非工業級土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度，并自動控制澆灌，優點是能滿足作物或植物對水分的需求，缺點是非工業級土壤濕度傳感器穩定性差，多數產品無法提供在線檢測數據，使用戶無法按照季節或氣候變化，靈活調節水分的供給[1-2]。

針對以上問題，圍繞精準農業，針對作物及土壤特性，提出了基于物聯網技術的澆灌噴淋系統，實現精確取值，給出精準灌溉方案，解決了灌溉過程中存在的積水、節水等實際問題，實現了自動澆灌、遠程澆灌等功能[3]。

1 技術方案

本系統針對小型溫室作物生長或家庭園藝花卉盆景種植養護過程中，對土壤水分和葉面噴淋的需求進行了設計，實現了自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋功能。系統包括供水裝置、電磁水閥Ⅰ、電磁水閥Ⅱ和噴灌控制設備。其中，電磁水閥為常閉狀態；控制系統由開關電源模塊、土壤水分變送器、智能變送儀和WiFi 遠程控制模塊四部分組成，如圖1所示；供水設備的進水口通過水管與水源相連通，供水設備啟動后，水流經過電磁水閥Ⅰ和電磁水閥Ⅱ，智能變送儀控制電磁水閥通電與斷電，實現自動澆灌；通過WiFi 遠程控制模塊控制電磁水閥Ⅰ、電磁水閥Ⅱ上的線圈得電與失電，實現遠程控制澆灌及噴淋[4-5]。

圖1 控制模塊電路

2 系統設計

2.1 控制系統模塊設計

控制系統由開關電源模塊、土壤水分變送器、智能變送儀和WiFi 遠程控制模塊組成。開關電源模塊輸入電壓為AC 220 V，整流后輸出DC 12 V，向土壤水分變送器和WiFi 遠程控制模塊提供直流工作電源。土壤水分變送器工作電壓為DC 12 V，由土壤濕度傳感器采集土壤的水分信息，并向外輸出兩路信號，一路數據經過RS 485 總線和RS 485 轉RS 232 模塊，將信號傳輸至計算機，通過相應的軟件實時顯示土壤的濕度信息；另一路數據變送為4 ～20 mA 電流信號，輸入到智能變送儀。智能變送儀由AC 220 V 交流電提供工作電壓，其輸入端將接收的4 ～20 mA 電流信號變送后，控制其上的繼電器開關1 通電與斷電。WiFi 遠程控制模塊工作電壓為DC 12 V，其上PSA-B01 主控芯片控制模塊上的繼電器開關2 和開關3，開關2 和開關3 的得電與失電由手機APP 軟件控制。繼電器工作原理如圖2 所示。

圖2 繼電器工作原理

2.2 繼電器模塊設計

土壤水分變送器與智能變送儀相連，土壤水分變送器中的土壤濕度傳感器將采集土壤的水分信息變送為4 ～20 mA電流信號輸入到智能變送儀；圖2 所示開關4、開關5、開關6 為中間繼電器。智能變送儀中設有繼電器開關1，繼電器開關1 的常開觸點與中間繼電器開關4 相連，中間繼電器開關4 的常開觸點Ⅰ與供水設備相連，中間繼電器開關4 的常開觸點Ⅱ與電磁水閥Ⅰ相連。土壤水分變送器通過RS 485總線與RS 485 轉RS 232 模塊相連，RS 485 轉RS 232 模塊與計算機相連，通過計算機實時顯示土壤的濕度信息。WiFi遠程控制模塊包括主控芯片和繼電器開關2；繼電器開關2的常開觸點與中間繼電器開關5 相連，中間繼電器開關5 的常開觸點Ⅰ與供水設備相連，中間繼電器開關4 的常開觸點Ⅱ與電磁水閥Ⅰ相連。WiFi 遠程控制模塊還包括繼電器開關3，繼電器開關3 的常開觸點與中間繼電器開關6 相連，中間繼電器開關6 的常開觸點Ⅰ與供水設備相連，中間繼電器開關6 的常開觸點Ⅱ與電磁水閥Ⅱ相連。開關電源模塊將輸入電壓AC 220 V 整流后輸出DC 12 V，用以對土壤水分變送器和WiFi 遠程控制模塊提供直流工作電源。智能變送儀由AC 220 V 提供工作電壓[6-7]。

2.2.1 自動澆灌

土壤濕度傳感器檢測土壤含水率低于預設范圍下限，此時智能變送儀接收的土壤水分變送器輸出的電流變小，系統判斷土壤水分較少，智能變送儀啟動繼電器開關1 的線圈，閉合繼電器開關1，同時閉合中間繼電器開關4，中間繼電器啟動，之后閉合開關4 的常開觸點，供水設備和電磁水閥Ⅰ線圈同時得電啟動，供水裝置開始工作，電磁水閥Ⅰ打開，設備啟動，進行自動澆灌。

澆灌過程中，土壤含水量不斷增加，土壤濕度傳感器實時檢測土壤含水率，智能變送儀接收的土壤水分變送器輸出的電流變大，當含水率達到預設范圍上限時，系統判斷土壤水分已達預設要求，智能變送儀關閉自帶的繼電器開關1 的線圈，斷開繼電器開關1，同時關閉中間繼電器開關4，中間繼電器關閉，打開開關4 的常開觸點，供水設備電機和電磁水閥Ⅰ線圈同時關閉，供水裝置停止工作，同時電磁水閥Ⅰ閉合，設備關閉，停止自動澆灌[8]。

2.2.2 遠程控制澆灌

遠程控制澆灌是通過網絡遠程控制系統設備啟動噴淋澆灌。夏季，水分蒸發較快，對于土壤濕度要求較高需要臨時調節供水需求的植物或小型盆栽進行適量澆灌，可以啟動遠程澆灌功能。通過網絡遠程啟動繼電器開關2 的線圈，閉合繼電器開關2，啟動中間繼電器開關5 的線圈，閉合中間繼電器開關5，同時啟動供水裝置和電磁水閥Ⅰ線圈，供水裝置開始工作，啟動電磁水閥Ⅰ，實現遠程控制澆灌。

2.2.3 遠程控制噴淋

本系統中，設計使用一個供水裝置供水，可同時滿足噴淋和澆灌兩種需求。由于不同植物或盆栽養護方式不同，養護過程中為使植物或盆栽得到葉面噴淋效果，該系統裝置需具備葉面噴淋功能。通過網絡遠程控制設備的噴淋功能，閉合繼電器開關3 的線圈使其得電，閉合繼電器開關3，閉合中間繼電器開關6 的線圈使其得電，閉合中間繼電器開關6，供水裝置和電磁水閥Ⅱ線圈同時得電啟動，完成遠程控制噴淋功能[9]。

3 實例及分析

系統功能測試地點選擇學院物聯網實訓基地盆景園，為盆景澆水是一項日常性的養護工作，不同的盆栽植物對土壤濕度要求不同，多數盆栽植物都需要濕潤的盆土，但若水量過多會發生水澇。一般盆栽植物澆水憑借養護經驗，觀察盆土表面判斷澆水時間，以干透澆透為宜，所以盆栽植物澆水一般采用噴淋慢澆方式。此過程需保證土壤濕度均勻，可澆回頭水，直到盆底出現滲水。對于盆景養護而言，這種傳統澆水方法很難判斷澆水量。選取羅漢松盆景進行測試，羅漢松的最適宜生長溫度為15 ～28 ℃，土壤要求肥沃、濕潤、質地疏松，本次測試設定土壤濕度為40%～60%（相對體積含水量），數據采集時間為2022 年5 月21 日，選用土壤濕度傳感器型號為RS-WS-N01-T，土壤水分測量范圍為0 ～100%，水分精度為±3%，數據上報至管理控制平臺。系統測試數據見表1 所列。

表1 日間測試值

通過試驗數據可以看出，傳感器采集的數據精準可靠，電流控制信號穩定，系統設備運行穩定，保證了盆栽植物生長所需的適合的土壤濕度。該系統不僅解決了傳統澆水方式無法精確控制水量，收集各類盆栽植物養護所需土壤濕度數據的問題，同時解決了用一個供水設備進行自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋的技術問題[10]。

4 結 語

本文借助物聯網技術，依據模塊化的電路設計方法實現了遠程控制自動澆灌噴淋功能，可以對盆土含水量進行檢測，按照作物生長要求進行澆灌或噴淋。設備傳感器采集的數據精準可靠，電流控制信號穩定，系統裝置運行平穩，保證了植物生長所需的合適的土壤濕度。同時，系統采用供水設備解決了自動澆灌、遠程控制澆灌及噴淋的技術問題，實現了噴淋澆灌的數字化和網絡化管理，對比人工澆水作業，實用性有所提升，用水量顯著降低。