一種新型智能化節水節能灌溉系統設計

摘 "要：隨著農業現代化轉型不斷升級，以大棚農業為代表的設施農業迅速發展，對灌溉技術的要求也日漸提高。針對傳統的灌溉技術，對各種資源的浪費極大地限制著農業的發展。而市面上目前針對系統整體展開節能設計的少之又少，因此該文設計一種新型智能化節水節能灌溉系統，此系統利用物聯網技術及傳感器實現大棚的遠程監控，物聯網控制器接收大棚狀態信息經控制器解算分析反饋給工作人員，而后單片機以作物實際需水量與適宜溫度為依據，進一步控制電磁閥的開啟與關斷，遠程實現大棚的灌溉作業。另外該系統還針對電磁閥的控制驅動追加節能設計電路，減少能源的消耗，提高系統的安全性與便捷性。

關鍵詞：大棚；灌溉系統；節水節能；物聯網技術；單片機

中圖分類號：S274.2 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0036-05

Abstract： With the continuous upgrading of agricultural modernization and the rapid development of facility agriculture represented by greenhouse agriculture， the demand for irrigation technology is also increasing. In view of the traditional irrigation technology， the waste of various resources greatly limits the development of agriculture. At present， there are very few energy-saving designs for the whole system in the market， so this paper designs a new smart water-saving and energy-saving irrigation system， which uses the Internet of Things technology and sensors to realize the remote monitoring of the greenhouse. The Internet of Things controller receives the greenhouse status information and feeds back to the staff through the controller solution and analysis， and then the single-chip microcomputer is based on the actual crop water demand and suitable temperature， further controlling the opening and closing of the solenoid valve to realize the irrigation operation of the greenhouse remotely. In addition， the system also designs additional energy-saving circuits for the control drive of the solenoid valve to reduce energy consumption and improve the safety and convenience of the system.

Keywords： greenhouse; irrigation system; water saving and energy saving; Internet of Things technology; single chip microcomputer

溫室大棚作為配種育苗最常用的培育基地之一，在我國農業發展中起著至關重要的作用。而灌溉作業更是大棚培植中不可或缺的一大環節。就目前來看我國灌溉技術智能化發展還需不斷突破。發達國家由于很早便開始節水灌溉的研究[1]，技術發展已經相對成熟，不僅已經形成了機電一體化灌溉方式，還形成了成熟的灌溉控制系統并應用于農業、綠化等多個領域。

對于我國傳統的灌溉作業，一般是基于經驗判斷控制作物用水，但由此難以避免地會出現判斷誤差，可能導致作物施水過量或不足，并且難以根據某些環境變量的變化及時進行大棚內的狀態調節。因此對于灌溉系統智能化的應用尤為重要。市面上有許多智能化灌溉系統設計，但幾乎都不能很好地減少資源浪費，因此，本設計提出一種新型智能化節水節能灌溉系統設計。

該設計一方面致力于深入物聯網技術在農業現代化中的應用，采用物聯網模塊和傳感器的組合遠程實現大棚環境的狀態監測，并且以作物實際需水量為依據實現精準灌溉，減少資源消耗，進一步實現人機互聯，實時監控，準確判斷的效果[2-3]；另一方面著眼于現有的執行模塊，不僅改進噴灑裝置使其實現充分節水，還在電磁閥驅動電路中增加更為節能高效的電路設計，提高能源的利用率以及灌溉的效率，強化裝置的安全性與便捷性。該設計利用較成型的物聯網模塊進行控制，使用者可以通過微信小程序便捷實現功能，操作簡單，市場推廣潛力大，該設計若能投入使用，便可進一步推動農業現代化轉型升級。另外，該設計能促進農業生產與物聯網技術深入融合，助力物聯網完善產業鏈，深入貫徹節能減排的思想，助力農業現代化的轉型升級。

1 "設計方案

1.1 "整體設計與實現

該節水節能灌溉系統的設計方案是以Esp8266和STC89C52組成核心主控，來驅動電磁閥實現的，整體框架可以分為2個模塊：數據采集模塊和灌溉執行模塊。如圖1所示，控制端和信息端通過傳感器、STC89C52及Esp8266組成了數據采集模塊；管道、噴灑裝置以及電磁閥相關電路組成了灌溉執行模塊。

控制端接受來自信號端的農田信息，并與預設閾值進行比較，若不能滿足響應范圍即觸發灌溉執行系統，STC89C52受到指令后發出響應：首先打開總電磁閥使水庫系統開始抽水，之后依據控制信息打開灌溉電磁閥，啟動相應的灌溉模式，如圖2所示。

1.2 "數據采集模塊

數據采集模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器進行溫濕度檢測，使用YL-69土壤濕度傳感器模塊實時監測土壤含水量。以STC89C52為核心來接收、處理、發出相應的信號來控制Esp8266進行動作，八路繼電器為執行元件，控制電磁閥的通斷。

通過DHT11溫濕度模塊檢測大棚內溫濕度[4]，若溫度測量值低于設定值，則通過電加熱絲提升棚內溫度，待測量值達標，則停止加熱；若溫度測量值高于設定值，則啟動噴霧模式降低棚內溫度，待測量值達標，則停止降溫。

土壤濕度傳感器模塊則通過該傳感器對土壤濕度進行實時測量，如果實際值小于設定值時，STC89C52發出信號，控制繼電器開啟，水庫系統啟動打開，灌溉系統啟動。若實際值達到設定范圍內，則STC89C52控制電磁閥關閉，停止澆水。

DHT11數字溫濕度傳感器作為傳感裝置是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。相比于DS18B20只能測量溫度，DHT11既能檢測溫度又能檢測濕度，不過DHT11的精度和測量范圍都要低于DS18B20，其溫度測量范圍為0～50 ℃，可應用在一般氣候下的農業灌溉方面。YL-69土壤濕度傳感器是一款電容式傳感器，有著靈敏度高且功耗低的特點，元件表面鍍鎳使其具備了較高的穩定性和可靠性。

Esp8266作為無線控制裝置通過無線網絡與移動電話APP進行網絡配置[5]，實現對物聯網灌溉系統的無線控制。即只需連入WiFi，且無需和Esp8266處于同一個WiFi環境下即可進行遠程控制。通過移動電話對該模塊所帶繼電器進行遠程控制，從而實現對水閥和水泵的控制。利用Esp8266的優點將多個傳感器互聯，搭配主控STC89C52，再通過STC89C52控制八路繼電器繼而可以實現溫度控制、灌溉等操作。

其實現步驟具體如下：首先對Esp8266進行網絡配置，先準備一個WiFi熱點，給Esp8266接上電源，打開手機WLAN，連接上對應熱點后，在瀏覽器地址欄輸入192.168.4.1，并在網頁面板中輸入名稱和密碼，接著復制設備編碼以備用，最后點擊“保存并重啟”[6]；接著，斷開電源等待信號熱點的出現，然后手機安裝“瘋狂物聯”APP，注冊賬號并登錄，添加設備后添入設備編碼，點擊保存設置即可開始使用。在其工作中只需接入DHT11溫濕度傳感器、YL-69型號土壤濕度傳感器、溫度加熱器等即可實現數據的顯示。同時，Esp8266可以選擇遠程和本地控制2種模式，方便結合實際情況進行操作。

1.3 "灌溉執行模塊

1.3.1 "電磁閥驅動電路

灌溉執行模塊首先檢測實際場景的風速數據，并可根據用戶需求，實時、精確地調節噴灌頭的工作狀態，實現對所轄區域內水泵、噴灌頭等灌溉設備的遠程監測并通過無線通信技術進行控制。該模塊基于WiFi無線網絡技術，以Esp8266為關鍵樞紐，將主控STC89C52與電磁澆灌部分相連接，如圖3所示。

由于采用Esp8266輸出的電流電壓較弱，無法直接驅動電磁閥的電機，在此搭配L298N電機驅動芯片。當傳感器測得數據未在設定范圍時，Esp8266上傳數據到STC89C52，之后STC89C52發出處理信號，驅動模塊激活，進行澆灌。

在實際使用中，要根據不同的需求選擇不一樣的繼電器。其中電磁繼電器使用的場景更為廣泛一些。而不同的作物會有不同的生長環境，從而也要有不同性能的電磁繼電器。故而在此不作特定型號的闡述。

由于農田地形環境較為復雜，灌溉區域分布也十分廣泛，對于整個系統而言，功耗問題不可忽視。目前，大多場合的電磁閥仍采用傳統的直接驅動方式，即依據額定參數以額定電源直接驅動。這種方式簡單方便，但由于啟動后電磁閥鐵芯與線圈間距減小、電磁力增大，電磁閥線圈流過大的工作電流，引起線圈發熱，長期持續的大電流工況將縮短閥體壽命，增大設備故障率，同時造成電能浪費，嚴重時可能會影響到整個系統的安全性[7]。

電磁閥[2]和其他類型的電子控制設備不同之處在于其是通過通電產生電磁力來實現自動開、關功能。以直動式電磁閥為例，其結構簡單操作方便。工作時只有2個動作，即通電時電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時電磁力消失，復位彈簧把關閉件壓在閥座上使其關閉。在電磁閥開啟時必須通大電流才能將活動鐵芯到位，完成打開電磁閥的動作。但當活動鐵芯到位，電磁閥開啟就不需要很大的力來維持這個狀態，因此線圈中也就不需要如此大的電流。也就是說，電磁閥只有在開啟瞬間需要大電流，而維持開啟狀態并不需要大電流。為了節約能源、減少電磁閥的功耗，保證電磁閥安全運行，引入了一種節能電磁閥驅動電路，通過降低電磁閥的工作電流和電壓，以及抑制線圈發熱，以降低電磁閥的功耗，并保障其安全運行。該電路由直流電源、電壓調節電路、延時控制電路及電磁閥保護電路4個部分組成，如圖4所示。

15 V直流電源電壓同時為延時控制電路和調壓電路供電。電路通電前，電容C1初始電壓為0 V，三極管VT1處于截止狀態。通電后，驅動電路工作過程分2個階段：第1階段，15 V電源通過電阻Ｒ1向電容C1充電，電容電壓逐漸上升。從0 V增加到0.7 V之前，三極管VT1始終處于截止狀態，集電極電阻Ｒ3對后續電壓調節電路無影響，三端穩壓器LM317輸出電壓為電磁閥額定電壓12 V，電磁閥全壓啟動，此時線圈流過300 mA大電流。全額驅動電壓與分壓電阻Ｒ4、Ｒ5有關。第2階段，當電容C1被充電，電壓提升至0.7 V后，三極管VT1導通，電容C1電壓繼續升高至1.7 V時，三極管VT1進入飽和狀態，電阻Ｒ3與Ｒ4并聯，且與Ｒ5的分壓總電阻減小，電磁閥電壓降低，線圈電流降低。另外在上述電路中，電磁閥用40 Ω電阻RX代替。

經過Multisim軟件中瓦特計實際測量和仿真運行，可以得到，1天澆灌3次，整套系統1天可節約電能0.68 kWh。這樣來看在無需人力物力的情況下，一年可以節省電能248.2 kWh，假設電能按照0.6元/kWh來算，經濟上可節省148.92元，可實際減少作物種植成本。

在電源模塊設計時，考慮到一些地處偏僻的農田大多沒有網絡和電力線路的覆蓋，難以使用家庭用電供電，無法依靠電力企業提供的電能，因此本系統選擇通過電池進行供電或采用某些集光裝置進行太陽能供電。

該灌溉系統的實際場景圖如圖5所示。

1.3.2 "噴灑裝置設計

該部分利用三杯風傳感器、L298N驅動模塊及直流電機模塊改進傳統噴灑裝置，將噴霧和滴灌2種模式結合在一起，實現調溫和澆水一體化，如圖6和圖7所示。

三杯風傳感器結構相對簡單，通過3片小碗狀口來捕獲風速的強弱，風速越大，3片小碗狀口轉速越快；反之，其轉速越慢。

對于噴灑頭，其平面開設有5個出水點。其中中間較大的出水點為液滴滴灌模式；而周圍的4個較小的出水點是噴霧模式；2種模式的開啟、切換由不同的繼電器進行控制。

1.3.3 "噴灑模式選擇流程

圖8展示了整個系統軟件的流程，其中定時器1完成精確的定時操作，每隔定長時間讀取溫濕度傳感器的數據，單片機接收到溫濕度數據。與預設數據比較：若數據小于閾值，則進入風速判斷，選擇相應的噴灑模式；若數據大于閾值，則說明無需噴灑，持續循環主函數即可。而系統讀取三杯風風速傳感器的風速值，同樣與閾值進行比較，若風速大于閾值，則開啟噴霧模式；反之，則工作在液滴滴灌模式。

2 "性能分析

為驗證產品的性能，共進行2種實驗：設定范圍內及設定范圍外情況。

在此以溫度為例，假設除溫度外各項參數均在設定范圍內，傳感器正常工作，Esp8266自帶的繼電器保持關閉，驅動模塊不工作，沒有發生誤動作。從中可以看出傳感器模塊運行良好，互相兼容；Esp8266與STC89C52作為控制中心，有效地控制設備運行。

電能的節省在上文中已經闡述過，而水能的節約也十分可觀，具體見表1。

與傳統的普通漫灌相對比：本產品設計的2種不同灌溉方式相結合的農業澆灌模式24 h僅需澆灌3次即可，1畝（1畝約等于667 m2，下同）地的節約用水量每天大約在0.87 t左右。

由國家統計局可得未來的5～10年，如果以吉林省的棚膜經濟總面積突破100萬畝。而假定為100萬畝，那么一天的節水量大約87萬t左右，經濟效益明顯。

當溫度在設定范圍外時，溫度測量值低于設定值，Esp8266自帶繼電器打開，驅動模塊工作，發出警報的同時，控制加熱絲的繼電器打開，加熱裝置開始工作，棚內溫度開始上升，一段時間后，棚內溫度達到設定范圍，繼電器關閉，加熱裝置停止工作，且沒有發生繼電器誤動作；溫度測量值高于設定值，Esp8266自帶繼電器打開，驅動模塊工作，發出警報的同時，控制風扇的繼電器打開，風扇開始轉動，棚內溫度開始降低，一段時間后，棚內溫度達到設定范圍，繼電器關閉，風扇停止轉動，且沒有發生繼電器誤動作。

3 "創新點及應用

聯系到要實現灌溉系統的智能化必須要先解決實現工作人員與農田信息之間實時反饋的問題，參考目前廣泛推廣的物聯網技術，該系統以市面上已實現廣泛應用的Esp8266和STC89C52系統構成整體的控制核心，在電磁閥驅動電路和噴灑裝置的設計上進行了極大創新，使得本系統在整體性能上充分發揮了節水節能的作用。

一方面，電磁閥節能電路使得能耗得到進一步降低；另一方面，在噴灑裝置設計中用以電氣設計代替機械結構，實現噴霧和滴灌一體化，不僅提升了噴灑裝置的整體壽命，還應用多功能噴頭的思想提高水源利用率。

4 "結束語

自國家相關政策發布以來，灌溉系統智能化設計層出不窮。本文聯系實際進行廣泛實踐，設計出一種新型智能化節水節能灌溉系統，不僅能很好地實現節水節能的目標，還具有良好的實用性和高效性。

參考文獻：

[1] 王靜.基于單片機的節水型農業灌溉系統研究[D].天津：天津科技大學，2017.

[2] 杜翔宇.電氣自動化技術在農業灌溉中的應用[J].廣東蠶業，2019，53（7）：13-14.

[3] 劉勇，王運圣，胡雯雯，等.遠近一體的農用電磁閥控制系統研發[J].上海農業學報，2022，38（1）：101-107.

[4] 唐靖，宋志強.基于STM32的果園環境監測及灌溉系統設計[J].計算機時代，2023（1）：82-84，88.

[5] 朱雪雄，岳曉娜，鄧良平.基于物聯網控制的校園節水灌溉系統研究[J].科學技術創新，2022（30）：65-68.

[6] 錢曉艷，遲明路，程存欣，等.基于物聯網的移動電話APP遠程監控植物灌溉系統設計[J].機電工程技術，2021，50（3）：149-152.

[7] 王宇，王直，楊紗紗，等.基于STM32的多組節能電磁閥控制[J].艦船電子工程，2020，40（10）：48-51.