基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集溫室環(huán)境的空氣溫濕度、土壤水分和光照度等因子，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理做出合理的控制決策，控制執(zhí)行器進(jìn)行自動(dòng)噴灌，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，按需、按期和按量噴灌。系統(tǒng)主要由溫室環(huán)境信息采集模塊、單片機(jī)AT89c52模塊和控制模塊組成，采集模塊包括光照度傳感器2Du6硅光電池、土壤水分傳感器TDR一3和空氣溫濕度傳感器LTM一8901。本系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能、節(jié)水、省力，具有很好的實(shí)用性和推廣性。關(guān)鍵詞：溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)；節(jié)水；溫度；濕度O 引言灌溉是影響溫室生產(chǎn)效益的重要因素。在溫室采用微灌控制的情況下，溫室作物對水分的需求達(dá)到最理

2、想的狀態(tài)，以有限的、節(jié)約的和精確的供水量最大化地提高了水資源的利用率，并且合理地調(diào)控了溫室作物生長環(huán)境小氣候，既節(jié)約了水資源，又保證了作物的增產(chǎn)增收，同時(shí)也保護(hù)了生態(tài)環(huán)境o。而目前我國大面積溫室大棚仍然采用傳統(tǒng)的大水漫灌，其水分利用率僅2030，植物根系只有4050的時(shí)間處于其理想的水、氣組合條件下L2J。此外，土壤板結(jié)、養(yǎng)分流失、灌水量大和肥料用量高是長期沿用畦灌與溝灌等傳統(tǒng)灌溉方式造成的嚴(yán)重后果。再者，傳統(tǒng)灌溉方式也會(huì)導(dǎo)致溫室環(huán)境的高溫與高濕狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生病蟲害j，制約了溫室作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。近幾年，微灌技術(shù)在我國得到了大面積的推廣應(yīng)用，不僅節(jié)約水資源，而且可以為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供最優(yōu)服務(wù)H

3、J。所以，在溫室大棚中大力推廣現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)，可以科學(xué)有效地控制土壤水分含量，進(jìn)行合理調(diào)度，做到計(jì)劃用水和優(yōu)化配水。采用先進(jìn)灌溉方式，按時(shí)按量地對溫室作物進(jìn)行灌溉，一方面可以提高作物產(chǎn)量，提升作物品質(zhì)；另一方面可以使水的利用率保持在90以上的節(jié)水狀態(tài)下。噴灌是最早也是最為普遍的一種節(jié)水灌溉方式，這種方式可以很高效地為植物正常生長提供必要的水分。它能夠調(diào)節(jié)溫室小氣候，增加空氣濕度，降低空氣溫度。實(shí)踐表明，噴灌比地面灌溉可提高1525的作物產(chǎn)量M J。目前，我國溫室節(jié)水噴灌系統(tǒng)自動(dòng)化程度還較低，國內(nèi)還沒有成型的自動(dòng)控制噴灌系統(tǒng)，基本還是人工灌溉或通過手動(dòng)閥門來操作。本文針對這一現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了溫室自動(dòng)

4、噴灌檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對空氣溫濕度和土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對溫室作物用水適時(shí)和適量的控制。1 溫室自動(dòng)噴灌系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由溫室大棚環(huán)境信息采集模塊、單片機(jī)AT89c52模塊和控制模塊組成。采集模塊包括光照度傳感器2Du6硅光電池、土壤水分傳感器TDR一3和空氣溫濕度傳感器LTM一8901。光照度傳感器采用硅光電池2Du6作為光電傳感器器件，土壤水分傳感器采用錦州陽光科技發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的TDR一3。這兩類傳感器輸出都是模擬量，所以需要經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路及AD轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后傳輸給單片機(jī)AT89c52。溫室環(huán)境空氣溫度與濕度的采集采用溫濕度一體數(shù)字式傳感器SHT71，直接輸出

5、數(shù)字量給單片機(jī)AT89C52。控制模塊主要由光電耦合器、繼電器和執(zhí)行器組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2信號(hào)采集系統(tǒng)21 光照度采集模塊在溫室環(huán)境中，光照度是植物健康生長的重要能源因素，直接影響植物的生長、發(fā)育過程、產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。另外，光照度也影響地表與大氣的物質(zhì)與能量交換，即與土壤水分含量有著密切關(guān)系，在節(jié)水灌溉中是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)信息。所以，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中光照度的檢測和監(jiān)測工作越來越得到重視。系統(tǒng)采用硅光電池2Du6作為光電傳感器件，將該器件的短路電流信號(hào)對此進(jìn)行放大到05V，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送給單片機(jī)AT89C52。由于硅光電池的短路特性隨光照強(qiáng)度是線性變化的，光電池在不同照度下的內(nèi)阻也不同，因而

6、應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。AD轉(zhuǎn)換器只能夠接受電壓信號(hào)，因此在硅光電池2Du6和單片機(jī)AT89c52之間需要一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路。這個(gè)電流轉(zhuǎn)換電壓模塊使用的是放大器0P777，其電路圖如圖2所示。22土壤水分采集模塊節(jié)水自動(dòng)噴灌系統(tǒng)中，土壤濕度的檢測是至關(guān)重要的，此信號(hào)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到節(jié)水程度和自動(dòng)化程度。在作物生長期內(nèi)，需要及時(shí)準(zhǔn)確地獲取土壤濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并結(jié)合溫室中光照度和空氣溫濕度的數(shù)據(jù)，最終做出精確灌溉決策，以達(dá)到維持土壤適中的濕度以及節(jié)水的目的。土壤濕度的增減過程受溫室環(huán)境中的因素影響，環(huán)境中的氣候因素均是天天在變化的，因此土壤水

7、分的變化過程需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對土壤水分的變化進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算機(jī)可以分析土壤水分變化的影響主因，進(jìn)而預(yù)測土壤水分變化，保證了精確與準(zhǔn)確地進(jìn)行自動(dòng)節(jié)水灌溉。TDR一3土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機(jī)理無關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。TDR一3型土壤水分傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的電流環(huán)傳送技術(shù)，使其具有抗干擾能力強(qiáng)、傳送距離遠(yuǎn)、測量精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。響應(yīng)在1 s內(nèi)進(jìn)人穩(wěn)態(tài)過程，電流輸出為420mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)，電壓輸出為025V Dc。其密封性好，可長期埋入土壤中使用，且不受腐蝕。土壤水分采集模塊設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。23溫濕度傳感器溫室內(nèi)空氣溫濕度的檢測僅僅靠單

8、點(diǎn)測量是不能準(zhǔn)確代表整個(gè)溫室環(huán)境的狀況的，尤其是對于大面積的溫室大棚而言，單點(diǎn)檢測對節(jié)水灌溉控制的精確度和節(jié)水效果有很大的影響。針對這個(gè)問題，本系統(tǒng)選用了數(shù)字式輸出和多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)檢澳4的易擴(kuò)展式傳感器LTM一89叭。該傳感器和單片機(jī)的接口有兩種方式：一是單線接口方式；二是雙線接口方式。當(dāng)在小面積溫室環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳輸距離比較短時(shí)，采用單線接口方式，與單片機(jī)的接口電路如圖4所示；當(dāng)溫室面積比較大、檢測點(diǎn)比較多及傳輸距離比較長的時(shí)候，采用雙線接口方式，其與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。3控制系統(tǒng)傳感器采集到溫室環(huán)境中土壤濕度、光照度以及空氣溫濕度各參數(shù)值，經(jīng)過單片機(jī)處理分析后，給出最優(yōu)化噴灌策略，發(fā)出控制

9、信號(hào)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按時(shí)、按需和按量的節(jié)水自動(dòng)噴灌。本系統(tǒng)選用TLP5214光電耦合器驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，其目的是為了在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備時(shí)提高控制接口的抗干擾能力。圖6為該接口的電路原理圖。在系統(tǒng)初始化時(shí)，將AT89C52的I0口輸出電平置成高電平，光耦TLP5214不導(dǎo)通，防止在AT89c52復(fù)位、上電時(shí)繼電器出現(xiàn)誤動(dòng)作。4 結(jié)語面對我國水資源嚴(yán)重短缺、大部分設(shè)施農(nóng)業(yè)仍然采用傳統(tǒng)大水漫灌的灌溉方式、水分利用率極低的現(xiàn)狀，本文將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與噴灌技術(shù)接合起來，設(shè)計(jì)了用于溫室作物節(jié)水灌溉的自動(dòng)噴灌系統(tǒng)，以達(dá)到按需、按期和按量噴灌的目的，既可提高作物產(chǎn)量和水分利用率，又可節(jié)省寶貴的水資源

10、和人工費(fèi)用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性，應(yīng)用前景廣闊，將帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。附錄-托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大

11、系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺(tái)。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、

12、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)。可以通過聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。參考文獻(xiàn)：1高照陽，李保謙，買凱樂基于溫室微灌的雙濕度自動(dòng)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究J農(nóng)機(jī)化研究，2008(9)：116一1192 陳文清節(jié)水灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用J節(jié)水灌溉，2004(6)：27293 李彥軍，魏春云淺談寒區(qū)溫室推廣微灌的