温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统的设计

2015-12-31徐保强于欣欣

机械工程与自动化 2015年3期

田野，徐保强，于欣欣

（1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083；2.天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

0 引言

温室大棚的出现使农作物在冬季低温的生长得以实现，成为农民冬季收入的一种重要来源［1］。而空气温湿度和土壤湿度是影响农作物产量的重要因素，所以如何对这些因素进行监测和控制就显得十分重要。传统有线监测系统存在着布线困难、线路易老化、成本高和监测不方便等缺点，使得其应用普及率不高［2］。传统的灌溉主要依靠铺设水管进行粗放式的无控灌溉，导致无法自动适量浇水，而且灌溉时间过长，通常灌溉一个100m×8m的大棚需要2.5h～3.5h，既造成了水资源的浪费又消耗了大量的劳动力。为解决上述问题，本文设计了一套温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统。

1 远程监控及自动灌溉系统方案设计

远程监控及自动灌溉系统由传感器节点、协调器节点和上位机组成。系统工作时，传感器节点周期性地将采集到的空气温、湿度数据通过Zigbee网络上传到协调器节点，协调器节点作为中继节点将数据通过串口传到上位机。用户可根据不同农作物的需要设定最适应土壤湿度，如果土壤湿度低于设定的土壤湿度值，则继电器吸合接通电控开关水阀电路进行灌溉；当土壤湿度高于此值时，继电器断开关闭电控水阀开关电路，灌溉结束。

2 系统硬件设计

图1为远程监控及自动灌溉系统结构框图。传感器节点集成了处理器模块、传感器模块和自动灌溉控制模块，电控水阀和灌溉设备为执行机构。

2.1 处理器模块

Zigbee作为一种无线通信网络，其网络容量大，最高可支持65 000个节点，而且在低功耗待机模式下，两节5V干电池可以使用半年到两年［3］，其工作的频段在中国为2.4GHz免执照频段。TI公司研发的CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一个片上系统（SoC），它作为处理器模块的核心芯片，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点［4］。

图1 远程监控及自动灌溉系统结构框图

处理器模块的主要作用是对采集数据的处理、无线通信信道的建立和数据的发送。该模块集成了I/O、振荡器和时钟、电源模块和DMA等模块。通过对I/O的配置来决定引脚是输入还是输出，以进行数据的采集。振荡器和时钟为系统提供时钟源。电源模块对输入的电压进行降压，以适用于各模块。DMA用以减轻CPU内核传输数据时的负担，降低功耗。处理器及外围电路图如图2所示。

图2 处理器及外围电路图

2.2 传感器模块

传感器模块负责采集环境中的温、湿度值，并将采集到的电压信号转化为数字信号供处理器模块工作。数据采集模块由传感器和相关接口电路组成，采集空气温、湿度数据。空气温、湿度传感器选用DHT11，这是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器，通过P10实现数据传输。其测量范围为20%RH～90%RH、0℃～50℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，工作电压为3V～5.5V。

2.3 自动灌溉控制模块

自动灌溉控制模块负责将土壤湿度传感器的值与设定的值进行比较，并控制继电器的工作状态。自动控制模块由继电器、电位器、LED指示灯、FC-28土壤湿度传感器和硬件电路板等组成。土壤湿度传感器表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可提高导电性能，防止生锈。通过电位器调节控制相应的阈值，当湿度低于设定值时，继电器吸合；高于设定值时，继电器断开。此外还具有延时3s～5s功能，当检测到湿度在临界状态时，不会出现频闪现象。该模块供电电压为5VDC，负载为250ADC和30VDC（低于此电压均可正常工作）。

2.4 电控水阀和滴灌设备

电控水阀开关由控制模块继电器控制。当继电器吸合时，电控水阀控制端通电，打开水阀进行灌溉；当继电器闭合时控制端断电，灌溉结束。电控水阀动作方式为直动常闭式，工作温度为－5℃～80℃，工作压力为0kg/cm2～8kg/cm2，工作电压为220VAC或24VDC。

滴灌设备主要由主管、干管、支管和毛管组成［5］。主管由原自来水供水PVC管道代替，主管埋在冻土层以下。用接头将干管与主管连接，干管的棚外部分也埋在地下冻土层以下，在大棚内的部分根据农户需求采取外露和浅埋两种方式。每个大棚设置一根支管，安装于垂直大棚宽度方向的1/2处，与过滤器和施肥装置相连，末端封堵。将毛管与支管相连，使毛管滴水一侧朝上，防止堵塞滴口，按照各农户种植行距合理安装。管路安装实物图如图3所示。