農作物精準自動化澆水裝置研究

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，灌溉是新疆農業面臨的重要問題。我聯想到家鄉無錫宜興出產的百合，同樣是需要精準控制澆水量才能獲得更好的產量和品質，于是我產生了研究農作物精準自動化澆水裝置的想法。

一、研究目的

在新疆旅游的經歷，使我認識到農作物的灌溉是極其重要的農業生產環節，常規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化。因此，我想設計一套農作物精準自動化澆水裝置，可以根據土壤的濕度狀況來自動調節水量，達到精準灌溉的目的，實現智慧農業的目標。

我希望這套裝置能夠在家鄉的特色農作物上實現應用價值，將來能推廣到新疆乃至全國各地的農作物種植上，為我國農作物標準化種植增添科技力量。

二、研究過程

（一）設計方案討論

在指導老師的啟發下，我決定選擇使用Arduino 技術和物聯網技術來搭建樣機裝置，并以家鄉的百合為應用對象，通過觀察百合長勢來判斷該裝置的有效性和應用價值。目前，我的家鄉也提出要積極組織制訂百合生產技術規程，全面實行百合的標準化生產。據調查，在標準化生產中，自動澆水設備對百合的種植、推廣有一定幫助。

我調查后發現，目前市面上的澆水裝置分為手動類和自動類：手動裝置以水管、噴灌、滴灌裝置為主，澆水量往往由種植者憑經驗控制;自動裝置大多是由定時裝置結合噴灌設備來實現自動澆水，不能根據外界的溫度、濕度變化而變量澆水，如遇突發的高溫或驟雨，會造成土壤濕度不夠或濕度過大，從而影響植物生長。

我在實踐使用中還發現：剛剛澆水時，水漫到濕度計上，濕度計測量的濕度是有偏差的。水并沒有滲透到農作物根系土壤中，只是土壤表層濕了，但土壤深處隨著容積、時間的不同，濕度會有很大變化。

和指導老師討論后，我確定了設計自動化澆水裝置所要達到的目標：澆水裝置采用漸進式分次澆水，根據表層土壤測濕度，完成第一輪澆水，過一段時間再測底層濕度，決定是否需要繼續澆水，這樣測出的數據比較精準、有效。通過Arduino 系統上傳數據，設計程序算法來算出平均值，根據土壤表層、底層濕度調整澆水數值。

（二）方案制作

硬件搭建設計見圖1。

硬件采購自淘寶網，適用于Arduino Uno R3頂配豪華套件（含創客增強主板）學習套件。

1 . A r d u i n o I D E 創客主板：作為主控件，控制信號輸出， 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，方便記錄數據。

4. 繼電器：作為副控件，連接水泵，控制水泵開關。

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 連開發板8。

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

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

程序設計算法結構，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驗，并觀察植物生長狀況。

我在淘寶網上購置了宜興百合種球，共計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，實驗分為A、B 組，為了更好地比照實驗，設置A 組為實驗組，應用自動精準澆水裝置;B 組為對照組，不應用自動精準澆水裝置，憑經驗手動澆水。從2021 年9 月初至10 月底，同等條件下（光照、土壤、養料），應用自動精準澆水裝置的A 組，在原先種芽較短的情況下，生長高度、速度均略優于不應用自動精準澆水裝置的B 組，見表1。

百合生長照片如圖4、圖5。

五、創新性與實用性

本研究以宜興百合為測試對象，通過查閱相關文獻，分析宜興百合生長環境，了解宜興百合生長狀況，從而優化自動澆水系統，滿足農作物生長。該澆水系統使用土壤濕度傳感器來收集土壤濕度信息，根據圖形化編程工具來設計農作物澆水的自動化控制程序，基于計算機程序算法識別和判斷土壤濕度，在軟件算法下實現更精準的自動化澆水。該系統還可繼續改進升級，如引入自動模塊，多頻次、智能、精準地測試土壤干濕狀態，不僅可以減少人工，還能大規模提高精準澆水效率;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、硬件結合及改進系統參數的方式予以解決和優化，還能更好地精準自動化澆水。