農(nóng)作物精準(zhǔn)自動(dòng)化澆水裝置研究

陳珣

2021 年暑假，我和媽媽去新疆旅游，看到了大片的新疆棉田，也見到了廣闊荒漠。導(dǎo)游介紹，新疆地廣人稀、高溫少雨、水資源分布不均，灌溉是新疆農(nóng)業(yè)面臨的重要問題。我聯(lián)想到家鄉(xiāng)無錫宜興出產(chǎn)的百合，同樣是需要精準(zhǔn)控制澆水量才能獲得更好的產(chǎn)量和品質(zhì)，于是我產(chǎn)生了研究農(nóng)作物精準(zhǔn)自動(dòng)化澆水裝置的想法。

一、研究目的

在新疆旅游的經(jīng)歷，使我認(rèn)識(shí)到農(nóng)作物的灌溉是極其重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，常規(guī)的灌溉手段還是大水漫灌，不僅大量消耗了水資源，也很容易使土壤板結(jié)化。因此，我想設(shè)計(jì)一套農(nóng)作物精準(zhǔn)自動(dòng)化澆水裝置，可以根據(jù)土壤的濕度狀況來自動(dòng)調(diào)節(jié)水量，達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目的，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)。

我希望這套裝置能夠在家鄉(xiāng)的特色農(nóng)作物上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值，將來能推廣到新疆乃至全國各地的農(nóng)作物種植上，為我國農(nóng)作物標(biāo)準(zhǔn)化種植增添科技力量。

二、研究過程

（一）設(shè)計(jì)方案討論

在指導(dǎo)老師的啟發(fā)下，我決定選擇使用Arduino 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來搭建樣機(jī)裝置，并以家鄉(xiāng)的百合為應(yīng)用對(duì)象，通過觀察百合長勢(shì)來判斷該裝置的有效性和應(yīng)用價(jià)值。目前，我的家鄉(xiāng)也提出要積極組織制訂百合生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程，全面實(shí)行百合的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。據(jù)調(diào)查，在標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中，自動(dòng)澆水設(shè)備對(duì)百合的種植、推廣有一定幫助。

我調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，目前市面上的澆水裝置分為手動(dòng)類和自動(dòng)類：手動(dòng)裝置以水管、噴灌、滴灌裝置為主，澆水量往往由種植者憑經(jīng)驗(yàn)控制;自動(dòng)裝置大多是由定時(shí)裝置結(jié)合噴灌設(shè)備來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水，不能根據(jù)外界的溫度、濕度變化而變量澆水，如遇突發(fā)的高溫或驟雨，會(huì)造成土壤濕度不夠或濕度過大，從而影響植物生長。

我在實(shí)踐使用中還發(fā)現(xiàn)：剛剛澆水時(shí)，水漫到濕度計(jì)上，濕度計(jì)測量的濕度是有偏差的。水并沒有滲透到農(nóng)作物根系土壤中，只是土壤表層濕了，但土壤深處隨著容積、時(shí)間的不同，濕度會(huì)有很大變化。

和指導(dǎo)老師討論后，我確定了設(shè)計(jì)自動(dòng)化澆水裝置所要達(dá)到的目標(biāo)：澆水裝置采用漸進(jìn)式分次澆水，根據(jù)表層土壤測濕度，完成第一輪澆水，過一段時(shí)間再測底層濕度，決定是否需要繼續(xù)澆水，這樣測出的數(shù)據(jù)比較精準(zhǔn)、有效。通過Arduino 系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)程序算法來算出平均值，根據(jù)土壤表層、底層濕度調(diào)整澆水?dāng)?shù)值。

（二）方案制作

硬件搭建設(shè)計(jì)見圖1。

硬件采購自淘寶網(wǎng)，適用于Arduino Uno R3頂配豪華套件（含創(chuàng)客增強(qiáng)主板）學(xué)習(xí)套件。

1 . A r d u i n o I D E 創(chuàng)客主板：作為主控件，控制信號(hào)輸出， 連接VCC和GND。

2. 土壤濕度傳感器：作為副控件，測量土壤濕度。

3.LCD 顯示屏：作為副控件，顯示土壤濕度，方便記錄數(shù)據(jù)。

4. 繼電器：作為副控件，連接水泵，控制水泵開關(guān)。

5. 水泵：作為副控件，給植物澆水。

三、裝置搭建

（一）水泵一套：水管、泵、電線、繼電器、面包板等搭建過程：水管插入泵口，紅、黑電線連接電線針腳，針腳插入5V，黑線連入繼電器公共端口，繼電器常閉線接GND，V 連5V，G 連GND，S 連開發(fā)板8。

（二）土壤濕度傳感器：面包板、開發(fā)板等搭建過程：連接土壤濕度傳感器3 個(gè)端口，VCC 連面包板上的5V（+），GND 連面包板上的GND（-），IN 連開發(fā)板上的A0。

（三）LCD 顯示屏： LCD 顯示屏、轉(zhuǎn)接板、面包板、開發(fā)板等搭建過程：連LCD 顯示屏，把LCD顯示屏后的針腳插入面包板i 行35 列，轉(zhuǎn)接板插在面包板g 行35 列，轉(zhuǎn)接板上的SCL 連開發(fā)板上的A5，SDA 連開發(fā)板上的A4，VCC 連開發(fā)板上的5V，GND 連開發(fā)板上的GND;面包板上插一根導(dǎo)線在5V 上，并連接開發(fā)板上的5V，一根插在GND 上，并連接開發(fā)板上的GND 。見圖2。

程序設(shè)計(jì)算法結(jié)構(gòu)，見圖3。

四、方案測試

本次研究主要分兩部分：2021 年8—9 月， 基于Arduino 技術(shù)搭建硬件及傳感器，主要包括水泵、土壤濕度傳感器、LCD 顯示屏等;2021 年9—12 月，比較兩組宜興百合種球種植實(shí)驗(yàn)，并觀察植物生長狀況。

我在淘寶網(wǎng)上購置了宜興百合種球，共計(jì)6 顆種球，其中3 顆種球出綠芽0.8厘米。2021 年9 月7 日栽種，實(shí)驗(yàn)分為A、B 組，為了更好地比照實(shí)驗(yàn)，設(shè)置A 組為實(shí)驗(yàn)組，應(yīng)用自動(dòng)精準(zhǔn)澆水裝置;B 組為對(duì)照組，不應(yīng)用自動(dòng)精準(zhǔn)澆水裝置，憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)澆水。從2021 年9 月初至10 月底，同等條件下（光照、土壤、養(yǎng)料），應(yīng)用自動(dòng)精準(zhǔn)澆水裝置的A 組，在原先種芽較短的情況下，生長高度、速度均略優(yōu)于不應(yīng)用自動(dòng)精準(zhǔn)澆水裝置的B 組，見表1。

百合生長照片如圖4、圖5。

五、創(chuàng)新性與實(shí)用性

本研究以宜興百合為測試對(duì)象，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，分析宜興百合生長環(huán)境，了解宜興百合生長狀況，從而優(yōu)化自動(dòng)澆水系統(tǒng)，滿足農(nóng)作物生長。該澆水系統(tǒng)使用土壤濕度傳感器來收集土壤濕度信息，根據(jù)圖形化編程工具來設(shè)計(jì)農(nóng)作物澆水的自動(dòng)化控制程序，基于計(jì)算機(jī)程序算法識(shí)別和判斷土壤濕度，在軟件算法下實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的自動(dòng)化澆水。該系統(tǒng)還可繼續(xù)改進(jìn)升級(jí)，如引入自動(dòng)模塊，多頻次、智能、精準(zhǔn)地測試土壤干濕狀態(tài)，不僅可以減少人工，還能大規(guī)模提高精準(zhǔn)澆水效率;考慮宜興百合澆水量中的變量因素，如種植位置、天氣狀況、光照情況、表層土與底層土濕度差等情況，通過軟、硬件結(jié)合及改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)的方式予以解決和優(yōu)化，還能更好地精準(zhǔn)自動(dòng)化澆水。