基于藍牙和互聯網技術的草坪智能灌溉系統的設計

朱庚華 王碩飛 張佳佳 韓磊 金龍 蔣濤

摘?要：本文介紹了基于藍牙和互聯網技術的草坪智能灌溉系統環境監測、藍牙BLE組網控制和4G網絡傳輸、控制部分，通過藍牙組網和互聯網通信結合土壤水分傳感器、溫濕度傳感器和天氣預報等實現了草坪環境的遠程監測和自動化灌溉，讓草坪的灌溉更加科學和高效，節省了人力成本和水資源。

關鍵詞：藍牙;互聯網;土壤水分;灌溉

中圖分類號：TP311.1??文獻標識碼：J

隨著人們生活水平的提高，對生活、工作環境的綠化也越來越重視，目前各小區和單位一般都建設有草坪綠地。為了保持草坪良好的生長狀態，后期的維護成本巨大，灌溉是其中非常重要的支出。很多草坪的灌溉是根據管理人員的主觀意識，不能準確掌握灌溉時機和灌溉量，缺乏科學依據，造成人力、水資源不必要的浪費。[1-2]賴其濤設計了基于Zigbee的校園草坪灌溉系統[2]、王一涯等人設計了基于STM32F103的溫室花卉自動噴灌控制系統[3]、郭正琴等設計了基于模糊控制的智能灌溉控制系統[4]，本文利用自動土壤水分觀測儀數據，設計一種基于低功耗藍牙組網和移動互聯網技術的草坪智能灌溉系統，解決草坪灌溉不科學、環保和浪費人力問題，達到智能、節能環保、科學灌溉的目的。

1 系統總體設計

智能灌溉系統結合草坪灌溉理論研究成果，通過DZN2型自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器、水壓傳感器等對相關參數測量，中心服務器經過計算后發出相應指令。草坪管理人員利用PC瀏覽器或微信小程序經授權后，可以查看草坪環境各參數，手動控制灌溉系統。

智能灌溉系統主要分為4個部分：一是以自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器組成的草坪環境監測部分;二是以終端藍牙、中心藍牙模塊、4G通訊模塊組成的系統聯網部分;三是以管道、水用電磁閥、噴頭等組成的灌溉部分;四是以中心服務器、數據庫、網頁等組成的整體控制部分。整體結構圖見圖1。

1.1 草坪環境監測部分

草坪環境監測部分由自動土壤水分觀測儀、溫濕度傳感器、圖像識別設備、人體紅外感應傳感器和電源組成。

其中自動土壤水分觀測采用氣象部門通用的DZN2型自動土壤水分觀測儀，該設備利用頻域反射法原理（FDR）測量土壤的相對介電常數來測定土壤水分。試驗測定純水的介電常數為80.4，干土約為3～7，空氣為1。由于土壤是由水分、干土、空氣等物質組成，其介電常數受水分變化影響最大，因此可利用此特性精確地測量土壤水分[5]。

土壤水分傳感器利用LC振蕩電路產生的電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化，通過一定的對應關系反演土壤水分。工作時的振蕩頻率為：

F=12πLC

土壤水分的變化導致土壤介電特性變化，傳感器感應的土壤電容C就會改變，進而引起LC振蕩回路的頻率變化，信號經過分頻處理，再通過標定參數后，可得到土壤體積含水量：

θv=aSFb

SF為歸一化參數，

SF=Fa-FsFa-Fw

Fa為儀器放置于空氣中所測得的頻率，Fs為儀器安裝于土壤中所量測得到的頻率，Fw為儀器放置在水中所測得的頻率，a、b為待定參數。為了得到準確的數據，自動土壤水分觀測儀安裝前需要測定土壤相關參數，包括每個土壤層面，這是耗費人力和時間的過程。

溫濕度傳感器采用溫濕一體的DHC1型溫度傳感器，用于測定草坪上方的溫度和相對濕度;圖像傳感器用于觀測草坪生長狀況和灌溉時的實時情況;人體紅外傳感器用于測定草坪上是否有人活動，如發現有人時自動停止噴灌作業，人離開草坪時自動開啟作業。

系統電源采用太陽能和蓄電池供電，12V工作電壓遠低于人體安全電壓，保證系統對人體安全無害。在系統供電中，還提供12V轉5V，用來給藍牙模塊供電。

1.2 系統聯網部分

以終端藍牙、中心藍牙模塊、4G通訊模塊組成的系統聯網部分。藍牙技術是一種支持設備短距離無線技術標準的代稱，用來設備之間的短距離無線電連接，目前已成為最常見的無線通訊方式之一。藍牙技術及藍牙產品的特點主要有：藍牙技術的適用設備多，成本低;藍牙產品使用方便，可以組成數據交換網，在軟件控制下自動傳輸數據;由于藍牙技術具有跳頻的功能，藍牙技術的安全性和抗干擾能力強;兼容性較好，可以在不同操作系統和硬件之間組網連接。[6]特別是藍牙4.0提出了低功耗藍牙、傳統藍牙和高速藍牙三種模式：高速藍牙主攻數據交換與傳輸;傳統藍牙則以信息溝通、設備連接為重點;低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）以不需占用太多帶寬的設備連接為主，功耗較老版本降低了90%，進一步拓展了藍牙使用范圍。藍牙4.0還把BLE的傳輸距離提升到100米以上，擁有更快的響應速度。

本系統藍牙組網采用成熟的藍牙4.0BLE組網，利用中心藍牙控制其他藍牙設備的方式組成微微網，100米的傳輸距離足以覆蓋一塊草坪。中心藍牙、草坪環境監測部分數據通過采集模塊接入工業級的宏電H7118型DTU與中心服務器通訊，4G通訊保證系統的高響應速度和低延遲。

1.3 灌溉部分

以管道、水用電磁閥、噴頭等組成的灌溉部分，是本系統直接作用于草坪的一個關鍵部分。所用管道采用草坪灌溉通用件，只是在管道下方增加布設12V電源線，為電磁閥和藍牙模塊提供能源。噴頭選用三臂旋轉噴頭，噴頭在水壓作用下高速旋轉，水花在離心力作用下散開，水花細小密集，且可以設置滿速直射模式，模擬自然降水灌溉更加均勻。在噴頭的前部，裝有12V水用電磁閥，與藍牙模塊連接，用于控制電磁閥的開關。系統可以選裝流量計，用于計算灌溉用水量，便于后期對灌溉節水量的統計分析。

1.4 整體控制部分

整體控制部分是整個系統的大腦，是系統正常運行的保障，主要包括中心服務器、數據庫、網頁、微信小程序等。

2 系統控制流程

草坪環境監測部分將數據通過4G網絡傳輸到中心服務器，服務器通過后臺計算土壤水分、溫度、濕度情況結合當地7天天氣預報、草坪季節需水數據，分析出草坪是否需要灌溉。如通過人體紅外傳感器檢測到草坪無人，需要灌溉時，則通過4G網絡向中心藍牙發送灌溉指令，中心藍牙向其他藍牙模塊傳遞指令，開啟電磁閥進行灌溉作業，在檢測到土壤水分達到要求后，自動停止作業。

通過瀏覽器和微信小程序可以實時查看系統運行情況，包括土壤水分、空氣溫度和濕度、草坪是否有人、電磁閥運行狀態等，也可以手動控制開啟或停止灌溉作業。

3 結論

本文通過在傳統草坪灌溉系統上增加環境監測、藍牙BLE組網控制和4G網絡傳輸、控制部分，實現了草坪自動灌溉，讓草坪的灌溉更加高效，節省了人力成本和水資源。在系統設計中采用了太陽能12V供電，讓整個系統更加安全。未來可以通過系統長時間運行積累數據，找到草坪各生長周期需水情況，改進算法，使系統更科學。

參考文獻：

[1]孫強.土壤水分對草坪草生長的影響及蒸散需水研究[D].新疆農業大學，2007.

[2]賴其濤.基于Zigbee的校園草坪智能灌溉系統的設計[J].安徽農業科學，2017，45（13）：226-227，246.

[3]王一涯，陳曙光，王憲菊.基于STM32F103的溫室花卉自動噴灌控制系統設計[J].現代農業科技，2017（10）：174-175.

[4]郭正琴，王一鳴，楊衛中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J].農機化研究，2006（12）：103-105，108.

[5]陳海波.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析[J].氣象與環境科學，2013（3）：54-57.

[6]張鵬富.淺談藍牙技術的發展現狀和前景[J].計算機光盤軟件與應用，2014：36-38.

作者簡介：朱庚華（1986-），男，河南周口人，碩士，工程師，研究方向：農業氣象，氣象技術裝備維護保障。