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(shí)現(xiàn)對(duì)植物進(jìn)行遠(yuǎn)程灌溉和監(jiān)控，減少水資源浪費(fèi)，提高灌溉效率，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)電話APP遠(yuǎn)程監(jiān)控植物灌溉系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度、環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度和環(huán)境氣體的檢測(cè)，綜合各檢測(cè)值并根據(jù)不同種類植物所需水分的不同設(shè)定澆水閾值。系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)控制器、繼電器、土壤濕度傳感器、環(huán)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(diào)節(jié)噴頭、水管等組成，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分含量并遠(yuǎn)程開啟水泵進(jìn)行泵水作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)灌溉植物的智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);移動(dòng)電話APP;遠(yuǎn)程監(jiān)控;植物灌溉

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0149—04

0引言

水是植物生長(zhǎng)的必要條件，是未來可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素，同時(shí)又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源。在我國(guó)用水量大、水資源緊缺的背景下，大力推廣作物智能灌溉對(duì)促進(jìn)我國(guó)資源節(jié)約、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。當(dāng)今世界供水技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)也是采用節(jié)水、節(jié)能的灌溉方法，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。因此，發(fā)展節(jié)水灌溉，推進(jìn)精準(zhǔn)灌溉，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)植物灌溉利用人工進(jìn)行手動(dòng)開啟或關(guān)閉水泵閥門進(jìn)行植物澆灌，而利用工人的經(jīng)驗(yàn)判斷土壤水分情況，判斷標(biāo)準(zhǔn)不一，容易出現(xiàn)澆水過多或過少的問題。對(duì)土壤含水量敏感的植物可能會(huì)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(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，以植物實(shí)際需水量為依據(jù)，提高灌溉的精準(zhǔn)度，實(shí)施合理的灌溉制度，同時(shí)提高了水的利用率。

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)電話APP遠(yuǎn)程監(jiān)控植物灌溉系統(tǒng)，利用移動(dòng)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(jìn)行環(huán)境變量檢測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)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(shí)時(shí)采集并發(fā)送的模擬量和數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行供水作業(yè);當(dāng)土壤濕度等傳感器檢測(cè)土壤濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)發(fā)送信號(hào)至物聯(lián)網(wǎng)控制器，控制水泵關(guān)閉，停止供水、噴頭停噴，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物灌溉的智能控制。該系統(tǒng)能夠有效提高植物灌溉效率，節(jié)省人工成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了參考，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)通過使用物聯(lián)網(wǎng)M4模塊，將土壤濕度、環(huán)境溫濕度、氣體狀況以及光照強(qiáng)度等參數(shù)實(shí)時(shí)傳送，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話遠(yuǎn)程監(jiān)控植物生長(zhǎng)狀態(tài)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊

跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊功率較小，功能較豐富。內(nèi)部裝有繼電器，可通過移動(dòng)電話進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，只需連WiFi，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（無需和跨陣M4處于同一個(gè)WiFi環(huán)境下）?？珀嘙4物聯(lián)網(wǎng)模塊可以選擇遠(yuǎn)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?？珀嘙4物聯(lián)網(wǎng)模塊擴(kuò)展接口有5個(gè)，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(lián)網(wǎng)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(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：其在工作過程中能夠進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并且能夠分析處理數(shù)據(jù)，還能加強(qiáng)收到的數(shù)據(jù)精度和可靠性，之后將整合的信息傳送到傳感器的內(nèi)部模塊進(jìn)行處理。DHT11溫濕度控制模塊內(nèi)部電路如圖3所示。

1.3土壤濕度傳感器模塊

該設(shè)計(jì)選擇YL-69型號(hào)土壤濕度傳感器模塊，土壤濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤內(nèi)部的水分含量，并能實(shí)時(shí)將信號(hào)傳送到傳感器控制模塊中進(jìn)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(gè)金屬探測(cè)裝置，該探測(cè)裝置靈敏度較高，能夠?qū)ν寥罎穸冗M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，如果檢測(cè)到的濕度參數(shù)小于預(yù)設(shè)數(shù)值時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)模塊的繼電器就會(huì)開啟并且控制水泵打開，進(jìn)行澆水;如果檢測(cè)到濕度已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)模塊關(guān)閉水泵，水泵則停止?jié)菜?/p>

1.4 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)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(gè)模式，這3種模式都能實(shí)現(xiàn)串口和連接設(shè)備進(jìn)行信息的傳遞。3種模式的不同點(diǎn)在于前兩種模式都有3個(gè)子模式，而最后一個(gè)模式擁有9個(gè)子模式。當(dāng)該無線模塊向軟件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要進(jìn)行TCP連接并根據(jù)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。本文選用的跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊裝載的ESP8266WiFi模塊能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)電話APP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行無線控制。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在智能移動(dòng)電話上通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)置，對(duì)跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊的無線模塊進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并隨時(shí)開啟水泵進(jìn)行灌溉。當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，移動(dòng)電話APP顯示相應(yīng)土壤濕度示數(shù)，開啟模塊繼電器使隔膜水泵通電，利用水管噴頭進(jìn)行供水作業(yè);當(dāng)土壤濕度等傳感器檢測(cè)土壤濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制隔膜水泵關(guān)閉，停止供水、噴頭停噴，從而實(shí)現(xiàn)灌溉植物的自動(dòng)控制。圖6所示為智能灌溉系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)后，點(diǎn)擊“免費(fèi)注冊(cè)”輸入需要注冊(cè)的移動(dòng)電話號(hào)碼后，獲取移動(dòng)電話驗(yàn)證碼，輸入驗(yàn)證碼后登錄輸入密碼。登錄方式如圖8所示。

打開移動(dòng)電話WiFi列表可以看到以ESP開頭的WiFi，點(diǎn)擊并連接該WiFi，如圖9所示。

打開移動(dòng)電話瀏覽器，在網(wǎng)址輸入框內(nèi)輸入“192.168.4.1”并點(diǎn)擊訪問進(jìn)入到配置界面，如圖10所示。

完成網(wǎng)絡(luò)配置后，返回到物聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)，點(diǎn)擊“添加設(shè)備”。在彈出的界面中分別填人設(shè)備名稱以及設(shè)備編碼，最后點(diǎn)擊“保存設(shè)備”按鈕。自動(dòng)回到控制首頁，點(diǎn)擊下方刷新按鈕，即可看到成功添加的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，點(diǎn)擊1002開關(guān)按鈕即可控制物聯(lián)網(wǎng)控制器開關(guān)。如圖11所示。

3智能灌溉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要是檢測(cè)各個(gè)傳感器是否能夠正常工作，并且能否在移動(dòng)電話APP上進(jìn)行相應(yīng)配置，以及核心模塊能否正常運(yùn)行。

3.1 DHT11溫濕度傳感器測(cè)試

跨陣M4模塊支持接入DHT11溫濕度傳感器，在選擇時(shí)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(dòng)電話APP中修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊下方的“保存編輯”按鈕，最后到控制端首頁點(diǎn)擊“刷新”按鈕，即可通過控制端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境的溫度和濕度，如圖13所示。

3.2土壤濕度傳感器測(cè)試

土壤濕度傳感器接入AINO和GND端口，如圖14所示，在物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的1001選擇AINO并保存編輯，即可看到AIN0的數(shù)據(jù)，如圖15所示。

當(dāng)跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊與各個(gè)傳感器正確連接后，并經(jīng)各個(gè)模塊測(cè)試完成后，開始進(jìn)行灌溉系統(tǒng)的整體測(cè)試，測(cè)試過程如圖16所示。

測(cè)試后，對(duì)測(cè)試采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)濕度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間澆水后，3種植物的土壤濕度都逐漸增加;當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，繼電器控制水泵關(guān)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(jié)束語

本文通過使用物聯(lián)網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度及氣體狀況等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，利用移動(dòng)電話APP與物聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，可以在移動(dòng)電話APP上實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，并對(duì)水泵進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)植物水量的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)與調(diào)整。自動(dòng)化控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合是今后智能灌溉的發(fā)展趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的有效途徑。