自動灌溉系統設計與實現

廖全林，鄧桂騫，王成峰，李仕軍，薛 陽，何元轉

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

我國農業用水占全國總用水量的62%，在某些地區占比高達90%，大力發展智慧農業灌溉是解決水資源供需矛盾的措施之一。自動灌溉系統采用高精度土壤濕度和溫度傳感器，根據土壤和作物狀況準確利用水分，可以有效解決農業灌溉用水效率低的問題，緩解水資源日益短缺的問題?；趥鞲衅骷夹g的智慧農業灌溉系統是中國發展高效農業和精準農業的必由之路，本文將在這方面展開研究。

1 國內外研究現狀

自動化灌溉技術已經在美洲、歐亞等地得到了廣泛應用，美國約有70%的農田采用了自動灌溉系統。我國的農業灌溉分為傳統灌溉和現代灌溉，隨著現代農業發展，如何實現高效、節水的灌溉已成為重要研究方向。目前，我國的農業灌溉面積仍然相對較小，且由于季節性強需要頻繁進行灌排水。因此，提高灌水效率迫在眉睫。

2 自動灌溉系統整體設計

自動灌溉系統以Arduino 開發板為控制中心，先利用DHT11溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器測量溫度、濕度和土壤濕度；隨后將采集到的環境數據通過ESP8266WiFi 模塊實現遠程傳輸，連接云平臺處理數據；最后比較所得數據與預設農作物需水量，通過云平臺控制繼電器啟動抽水泵來完成灌溉。用戶可以在智能手機或電腦上遠程監控和控制。自動灌溉系統方案設計見圖1。

圖1 自動灌溉系統方案設計Fig.1 Automatic irrigation system scheme design

3 自動灌溉系統硬件設計

3.1 Arduino D1開發板

本系統采用Arduino 開發板進行數據采集和控制處理。Arduino 是便捷靈活、易上手的開源硬件產品，具有豐富的接口和多種串口通信，內含晶體振蕩器和穩壓器，編程簡單易懂，可拓展性強，支持各種傳感器和控制模塊。此外，Arduino還內置ES8266 模塊，成本低、功能強大、低功耗，可通過Wi-Fi或藍牙實現遠程控制和監控設備。

3.2 溫濕度傳感器的選擇

本設計采用DHT11 空氣溫濕度傳感器檢測溫濕度。該傳感器由電阻式感濕元件和NTC 測溫元件組成，與高性能8位單片機相連接。響應迅速、抗干擾能力強、體積小、能耗低，使用單線制串行接口簡單便捷地連接到系統中。

3.3 土壤濕度傳感器的選擇

本設計采用土壤濕度傳感器檢測土壤濕度，采用表面鎳度處理的傳感器，具有加寬感應面積、提升導電性能和延長使用壽命等優點。傳感器體積小、方便使用、安裝簡單、測量精度高、數據傳輸速率快，可實時監測系統運行狀況或進行數據分析。設定最大值和最小值來控制繼電器，當傳感器檢測到土壤中濕度低于設定的最小值時，會向云平臺發送信息并在手機app上顯示，同時控制繼電器自動開始灌溉工作；當濕度達到兩者之間時，繼電器會自動停止工作。

4 自動灌溉的系統軟件選擇

4.1 數據存儲的選擇

本設計采用IOT 云平臺存儲數據，通過傳感器采集數據，監控狀態，并實現遠程控制、無線傳輸、數據分析、預警信息發布、決策支持和一體化控制等功能，具有24 h 實時監控、快速項目開發、設備可仿真、跨平臺、安全性和穩定性等優勢。本通過云平臺將溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器傳輸的數據存儲在各個相應的模塊，方便用戶查看。

4.2 手機app的選擇

AI2Offline 是一款基于麻省理工學院自主研發的編程環境，具有直觀、可視化的特點，適用于廣大群眾，能在更短的時間內創建復雜高效的應用程序。通過添加組件的方式，排版和布局應用界面，可通過調節各組件的屬性來美化頁面，并采用邏輯設計，無代碼的編程方式，使更多人能夠設計出屬于自己的軟件。本系統主要設計了兩大界面，登錄界面用于查看數據和控制繼電器，數據呈現界面則可實現隨時隨地查看和控制傳感器數據。

4.3 系統控制流程圖

Arduino 板啟動，初始化完成后，傳感器采集空氣、氣溫、濕度及土壤濕度數據，將數據上傳至IOT 云平臺，最后在手機app上顯示。系統控制流程見圖2。

圖2 系統控制流程圖Fig.2 System control flow chart

5 自動灌溉系統的調試

5.1 手機app數據顯示

完成系統設計與開發后，需要調試電路，包括確定電源與GND 引腳連接好，確保硬件設備連接正確，放置在實驗環境中，啟動硬件設備，系統通電，繼電器電源指示燈亮起證明可以正常工作，最后將數據上傳到云平臺并通過HTTP 協議傳輸到手機app上顯示數據。

IOT云平臺中的智能灌溉一體化系統立即顯示，手機app上有一定的刷新時間以防止數據刷新過快而導致軟件崩潰，并對系統消息進行跟蹤。

5.2 云平臺數據顯示

本系統基于IOT 云平臺存儲與顯示數據，通過局域網連接上IOT 云平臺，同時溫濕度傳感器將收集的數據顯示在IOT 云平臺上。IOT 云平臺每秒都會更新溫濕度的數據，保證了數據的實時監控，還可以查看溫濕度數據的曲線圖，可以更好地滿足工作的使用需求。

5.3 系統優點

改變傳統的灌溉方式，采用在根面處滴灌的方法，以降低因蒸發而引起的水分損失。這種方法允許將水直接運輸到不同深度根系面，以選擇調節控制不同深度的水分含量，可以根據土壤的濕度、空氣的溫濕度，在根系面上靈活灌溉。

與之前普遍適用的開關閥控制的灌溉系統相比，該系統通過獲取相關數據，針對性地進行灌溉，使得灌溉更準確，更加清楚地了解環境因素對農作物生長的影響，對后續灌溉策略的改良更具有參考價值。

6 結語

本設計基于Arduino 核心、ESP8266 WiFi 模塊和傳感器技術設計了自動灌溉系統。通過傳感器采集數據上傳至IOT云平臺，在手機app 上顯示和控制繼電器，實現自動灌溉。ESP8266WiFi模塊具有提高了數據傳輸效率和精準控制灌溉量，降低了水資源浪費，節省了水費。該系統利用傳感器感知能力全程自動感知數據，并上傳至云端以有效監控環境溫濕度和土壤濕度，確保土壤濕度穩定。該自動灌溉系統具有低成本、高效率、易操作等特點，可以大大提高工作效率。