基于Arduino的現代網絡智能化灌溉系統

耿新洋 楊延寧 崔佳萌 王凱

摘 要 近年來，人們逐漸形成了節水意識，針對灌溉技術的要求也越來越高。為了提高水資源利用率，設計一種基于Arduino的現代網絡智能化灌溉系統。其基于Arduino單片機，操縱DHT11溫濕度傳感器收集溫度、濕度等數據，經過處理，具有智能灌溉、實時檢測溫濕度等功能。

關鍵詞 智能灌溉;智能云計算;檢測;控制;Arduino

中圖分類號：S274 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.32.100

水是農業耕作之根本，水資源也是人類生活的基礎。我國是農業大國，對水的需求極大，但我國如今仍面臨水資源缺乏問題。因此，提高水資源的利用率是加快我國農業發展的催化劑。基于此，設計一種智能灌溉系統，以加快發展節水農業，提高農作物產量，大幅度提高農作物的生長效率。

1 硬件設計

Arduino產品軟硬件完全開放，其硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，具有傳輸速度快、低功耗的優點[1]。因此，系統采用Arduino主板作為主控芯片，硬件主要分為智能灌溉模塊、溫濕度檢測模塊、基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯網模塊。

1.1 智能灌溉模塊和溫濕度檢測模塊

智能灌溉模塊：當檢測到的土壤濕度低于預設值時，輸出低電平，繼電器控制水泵工作，即實現自動灌溉。溫濕度檢測模塊：將DHT11測得溫濕度數據實時顯示在OLED屏幕中，方便直觀監測。圖1所示為Arduino的原理圖。

1.2 基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯網模塊

ESP8266 WiFi模塊中的WiFi聯網功能可以將所測環境溫濕度上傳到百度智能云的用戶數據平臺，同時也可以通過互聯網將控制繼電器工作的信息傳至ESP8266 WiFi進行遠程灌溉。圖2所示為ESP8266 WiFi模塊示意圖。

2 功能實現

2.1 智能灌溉模塊功能

土壤濕度傳感器將檢測到的土壤模擬數值傳回Arduino主板，與設置好的模擬值進行比較，若測得土壤模擬數據比程序設定低，Arduino主板的13號數字引腳口輸出高電平，控制繼電器斷開，水泵關閉;反之，則繼電器閉合，水泵工作，Arduino利用數字信號使繼電器開合來控制水泵。水泵工作程序設定為輸出高電平和輸出低電平各1 s，即繼電器閉合1 s再斷開1 s[2]。

2.2 溫濕度檢測模塊功能

OLED屏幕實時顯示溫濕度。

2.3 基于ESP8266 WiFi的百度智能云聯網模塊功能

百度智能云的用戶數據平臺可以實時顯示溫濕度情況，通過ESP8266 WiFi模塊，在百度智能云平臺后臺中設置switch值，后臺中輸入true或false進而通過程序控制水泵[3]。

3 硬件介紹

3.1 繼電器模塊電路

繼電器是一種數字信號模塊，Arduino主板給繼電器發送數字信號控制繼電器開合，以此控制水泵工作，接在240 V交流或28 V直流電源中對水泵進行控制。圖3所示為繼電器模塊原理圖。

3.2 土壤濕度檢測模塊

土壤濕度傳感器表面采用鍍鎳處理，以避免長時間處于潮濕的土壤中而生銹，防止測得數據出現較大誤差。土壤濕度傳感器將測得的土壤濕度模擬值數據傳回Arduino主板，由主板與程序設定值比較，工作電壓為3.3～5.0 V。3 V時，在空氣中讀取的最大模擬值為699，浸泡在水里的最小模擬值265;5 V時，在空氣中讀取最大模擬值為989，浸泡在水里的最小模擬值265。規格相同的土壤濕度傳感器讀取模擬值時有一定誤差。土壤濕度檢測模塊原理圖如圖4所示。

3.3 溫濕度檢測顯示模塊

使用元件：0.96寸IIC 128×64 OLED液晶屏模塊;DHT11溫濕度傳感器;使用u8glib點陣液晶顯示器驅動庫進行文字和數字顯示。

OLED顯示技術與傳統的LCD顯示方式不同，無需背光板，顯示原理主要是通過電場驅動，有機半導體材料和發光材料通過載流子注入和復合后實現發光[4]。

3.4 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器測量濕度范圍為20%～90%，溫度測量范圍在0～50 ℃，具有超快響應、抗干擾能力強、體積小、功耗低等優點，可應用于苛刻的環境[5]。

3.5 水位監測系統

水位監測系統是通過LED燈柱高度來實時監測儲水箱內部水位高度，在水箱內部連入導線，利用水的導電性，形成LED燈柱的閉合回路。圖5所示為水位監測系統原理圖。

4 軟件設計

在程序中設置模擬值M，根據土壤濕度傳感器傳輸的數據來判斷土壤濕度是否大于預設模擬值M，繼電器控制水泵工作程序設計流程圖如圖6所示。

5 結語

根據Arduino uno和ESP8266 WiFi模塊設計的智能灌溉系統主要利用土壤濕度檢測模塊和DHT11進行數據采集，使用程序控制水量，利用OLED顯示屏進行空氣溫濕度數據顯示，將數據聯網，能夠高效地進行節水灌溉，在灌溉方面起到了重要作用[6]。

參考文獻：

[1] 楊志芹.基于Arduino單片機的智能灌溉系統設計與應用[J].機電工程技術，2016，45（11）：80-83.

[2] 姚瑞來.智能灌溉系統的設計[J].農機使用與維修，

2019（8）：66，68.

[3] 劉天宇，徐曉輝，宋濤，等.基于Android的智能溫室控制與實現[J].節水灌溉，2018（5）：90-92，96.

[4] 王國亮.OLED產業發展及市場前景淺析[J].中國市場，2017（11）：62-63.

[5] 程捷，何晨.基于單片機的溫濕度檢測系統設計與實現[J].儀表技術，2011（6）：56-58.

[6] 付寧，劉紅，唐玉龍，等.基于Arduino單片機的智能灌溉系統設計[J].信息與電腦（理論版），2019（8）：76-77.

（責任編輯：趙中正）