基于物联网技术的温室大棚喷灌系统电路设计

梁 毅，杨建国

（徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州 221006）

我国是一个缺水严重的国家，淡水资源总量仅占全球水资源的6%；我国的人均水资源量只有2 300 m3，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。然而，我国又是世界上用水量最多的国家，大约占世界年取用量的13%，是美国的1.2倍左右。其中，农业用水的大户是灌溉，约占全社会总用水量的68%。随着设施农业的快速发展，温室大棚的用水量占农业灌溉的用水比重越来越高，节约用水的任务也愈来愈艰巨。

在温室大棚中，作物的整个生长周期都要在非自然体系中度过，温室中湿度的变化相对于外界要缓慢得多，作物的生长环境有其独特性。而由于作物的种类不同，其生长过程对土壤的水分要求也存在着较为明显的差异。由此可见，温室大棚对水分的要求并不是越多越好，而是要依据作物的具体需求，才能达到使作物健康生长和节约用水的目的。在实际生产中，采用喷灌技术可使温室大棚内的水、肥、温度等互相作用，调节空气湿度，改善作物的生长环境。故在温室大棚中有必要对土壤的湿度进行监测，并能根据作物生长的需要改变。所以开发一个依托物联网技术，能实时显示土壤湿度，并自动控制或使用手机APP软件控制水泵动作，以实现自动浇灌、远程控制浇灌和喷淋的温室大棚喷灌系统具有现实的意义。

1 喷灌系统的组成和功能

本系统主要由开关电源模块、工业级土壤水分变送器、智能变送仪和Wi-Fi远程控制模块等模块组成。开关电源模块输入电压为AC220 V，整流后输出DC12 V，向土壤水分变送器和Wi-Fi远程控制模块提供直流工作电源。

本系统中，土壤水分变送器选用国内某厂家生产的RS-SD系列的产品。该类土壤水分变送器具有测量精度高、响应速度快、互换性好及受土壤含盐量影响较小等特点，可适用于各种土质。另外，该土壤水分变送器完全密封，耐酸碱腐蚀，可埋入土壤进行长期动态检测，性能可靠。其主要技术参数是：相对湿度量程为1%～100%；分辨率为0.1%；精度为±3%。土壤水分变送器工作时向外输出2路信号，一路信号经过RS485总线和RS485转RS232模块，将信号传输至PC端，使土壤湿度可以实时显示在PC端显示器上，供在线监测；另一路信号变送为4～20 mA电流信号，输入到智能变送仪，以控制水泵动作。

智能变送仪代表着新一代变送器的崛起，采用了当今不少高新技术，如传感技术、微电子数字处理技术等。与常规变送仪相比，具有精度高、稳定性好、可靠性高、测量范围宽和量程比大等特点。智能变送仪的作用是对土壤水分变送器传来的信号进行处理，包括滤波、放大、A/D转换、数据显示、自动校正和自动补偿等。本系统选择的智能变送仪型号为XMT604B，系国内某厂家生产的产品。该产品含2路继电器输出，任意组态组成上、下限，上、上上限，下、下下限等报警方式。18种输入信号（T，R，J，WRE3-25，B，S，K，E，PT100，CU50，0～375 Ω，0～75 mV，0～30 mV，0～5 V，1～5 V，0～10 V，0～10 mA，4～20 mA）任意设定，并对非线性输入信号可修正零点误差，测量精度为0.2%FS。通过正确设置变送仪参数，使输入端将接收到的4～20 mA标准电流信号变送后，控制其上的继电器得电与失电，继而控制负载工作与否。

Wi-Fi模块时常又被称作串口Wi-Fi模块，功能是将串口或TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式模块。目前，越来越多的设施农业基地或者农场均实现了网络覆盖，或者只需增加几台无线路由器，即可实现Wi-Fi信号覆盖。而且Wi-Fi设备都是基于IEEE802.11系列协议的，可与手机、笔记本电脑等设备实现无障碍连接，故基于Wi-Fi的农业物联网在使用上也更加便利。本系统的Wi-Fi远程控制模块为ESP8266，核心为ESP-01模块。该型号的ESP8266支持Station模式、AP模式和AP兼Station模式。由于ESP8266无线模块的固件大小不到1 MB，并且远程灌溉控制平台不需要十分丰富的功能，所以选择ESP-01型的Wi-Fi模块比较适合。Wi-Fi远程控制模块的工作状态，由安装在手机上的易微联APP软件控制。模块依据软件的指令要求，控制其上的继电器动作，继而控制相应负载。

2 喷淋和灌溉系统的工作原理

本系统是集自动浇灌、远程控制浇灌及喷淋于一体的装置，水泵与电磁水阀连接原理图如图1所示，水泵出水后，分2路经过电磁水阀1和电磁水阀2，电磁水阀平时为常闭状态，通过控制电磁水阀上的线圈使其得电或失电，阀门打开或关闭，实现相应的功能。

图1 水泵与电磁水阀连接原理图

系统设计的主要功能如下。

（1）将工业级土壤水分变送器采集的土壤水分信号，输出到智能变送仪。若土壤水分含量低于设定的下限，智能变送仪控制继电器线圈得电，水泵和电磁水阀1的打开，实现自动浇灌。若土壤水分含量高于设定的上限，智能变送仪控制继电器线圈失电，水泵和电磁水阀1不工作，自动浇灌停止。

（2）借助手机APP软件，通过控制Wi-Fi远程控制模块上的继电器，依据作物生长需要，来实时控制电磁水阀1和电磁水阀2的工作状态，实现远程控制浇灌及喷淋。

（3）土壤水分变送器也可以与PC端相连，将湿度传感器所收集到的土壤湿度信息，转化成可以在显示器上显示的数据界面，供用户随时查看大棚内的湿度信息。

依据系统需要实现的功能，设计了系统电路工作原理图，如图2所示。

图2 喷灌系统电路工作原理图

电路工作原理如下。

（1）自动浇灌

当土壤水分较少时，土壤水分变送器输出到智能变送器的电流变小，当低于变送器设定值下限时，变送器自带的继电器中K1的线圈得电，K1的常开触点闭合，中间继电器K4的线圈得电，K4的常开触点闭合，水泵电机和电磁水阀1线圈YV1同时得电，电磁水阀1打开，水泵开始工作，实现了自动浇灌。

当土壤水分增加时，土壤水分变送器输出到智能变送器的电流变大，当电流比变送器设定值的上限还要高时，变送器自带的继电器K1的线圈失电，K1的常开触点打开，中间继电器K4的线圈失电，K4的常开触点打开，水泵电机和电磁水阀1线圈YV1同时失电，水泵停止工作，同时电磁水阀1闭合，自动浇灌停止。

（2）远程控制浇灌

本Wi-Fi模块上的继电器动作，是由安装在手机上的易微联APP软件控制的。易微联硬件管理平台，可连接和控制2 000多个硬件品牌。通过易微联APP软件，用户可随时远程控制和查看智能硬件的工作状态。软件设置简单，场景可以个性化定制，故在智能控制领域应用广泛。软件安装成功并正确设置后，当需要水泵工作时，首先启动软件，并点击手机屏幕上相应的开关按钮，使Wi-Fi模块上的继电器K2的线圈得电，K2的常开触点闭合，中间继电器K5的线圈得电，K5的常开触点闭合，水泵电机和电磁水阀1线圈YV1同时得电，水泵开始工作，电磁水阀1打开，实现了远程控制浇灌。

（3）远程控制喷淋

当作物或植物需要喷淋时，可以启用Wi-Fi远程控制喷淋功能。打开手机上的易微联APP软件，点击屏幕上的相应的开关按钮，使Wi-Fi模块上的继电器K3的线圈得电，K3的常开触点闭合，中间继电器K6的线圈得电，K6的常开触点闭合，水泵电机和电磁水阀2线圈YV2同时得电，水泵开始工作，电磁水阀2打开，控制喷头开始工作，实现了远程控制喷淋。本系统中，由于使用一个水泵打水，远程控制喷淋和浇灌可以同时进行。

3 实验结果分析

集自动浇灌、远程控制浇灌及喷淋于一体的电路系统，经过在小型温室大棚的实际应用，取得了较好的效果。

（1）经过实际测量，土壤湿度变送器输出的电流信号，随土壤水分的变化能稳定在4～20 mA；输出的RS485信号，半双工工作方式稳定，不易被干扰，保证了监控数据的精确。

（2）电脑监控软件和手机APP软件由传感器厂家提供，监控软件可以直接运行在WIN7系统上，对电脑硬件要求低。监控的土壤湿度数据实时显示在屏幕上，相对湿度测量范围为3%～100%，完全满足设计要求。手机APP软件可以在安卓或苹果手机上安装，界面清晰，操作方便，软件运行可靠。

（3）本系统经过24 h不间断运行，水泵流量为1.5 m3/h，扬程不低于10m，电磁阀亦无过热现象，完全符合设计要求。

4 结束语

基于物联网技术设计的小型温室大棚喷灌系统，能够科学、有效地完善小型农业设施的喷灌方式，解决现有技术喷灌效率低下、水资源损耗多等问题。系统电路具有可扩展性，只要添加相应的模块即可，如添加光照度变送器、CO2变送器和温湿度变送器等，就可以构成基本的温室大棚环境监控系统，实现对作物生长环境基本要素的监测，使温室大棚的管理更加科学有效。