基于蓝牙和互联网技术的草坪智能灌溉系统的设计

朱庚华 王硕飞 张佳佳 韩磊 金龙 蒋涛

摘 要：本文介绍了基于蓝牙和互联网技术的草坪智能灌溉系统环境监测、蓝牙BLE组网控制和4G网络传输、控制部分，通过蓝牙组网和互联网通信结合土壤水分传感器、温湿度传感器和天气预报等实现了草坪环境的远程监测和自动化灌溉，让草坪的灌溉更加科学和高效，节省了人力成本和水资源。

关键词：蓝牙;互联网;土壤水分;灌溉

中图分类号：TP311.1  文献标识码：J

随着人们生活水平的提高，对生活、工作环境的绿化也越来越重视，目前各小区和单位一般都建设有草坪绿地。为了保持草坪良好的生长状态，后期的维护成本巨大，灌溉是其中非常重要的支出。很多草坪的灌溉是根据管理人员的主观意识，不能准确掌握灌溉时机和灌溉量，缺乏科学依据，造成人力、水资源不必要的浪费。[1-2]赖其涛设计了基于Zigbee的校园草坪灌溉系统[2]、王一涯等人设计了基于STM32F103的温室花卉自动喷灌控制系统[3]、郭正琴等设计了基于模糊控制的智能灌溉控制系统[4]，本文利用自动土壤水分观测仪数据，设计一种基于低功耗蓝牙组网和移动互联网技术的草坪智能灌溉系统，解决草坪灌溉不科学、环保和浪费人力问题，达到智能、节能环保、科学灌溉的目的。

1 系统总体设计

智能灌溉系统结合草坪灌溉理论研究成果，通过DZN2型自动土壤水分观测仪、温湿度传感器、图像识别设备、人体红外感应传感器、水压传感器等对相关参数测量，中心服务器经过计算后发出相应指令。草坪管理人员利用PC浏览器或微信小程序经授权后，可以查看草坪环境各参数，手动控制灌溉系统。

智能灌溉系统主要分为4个部分：一是以自动土壤水分观测仪、温湿度传感器、图像识别设备、人体红外感应传感器组成的草坪环境监测部分;二是以终端蓝牙、中心蓝牙模块、4G通讯模块组成的系统联网部分;三是以管道、水用电磁阀、喷头等组成的灌溉部分;四是以中心服务器、数据库、网页等组成的整体控制部分。整体结构图见图1。

1.1 草坪环境监测部分

草坪环境监测部分由自动土壤水分观测仪、温湿度传感器、图像识别设备、人体红外感应传感器和电源组成。

其中自动土壤水分观测采用气象部门通用的DZN2型自动土壤水分观测仪，该设备利用频域反射法原理（FDR）测量土壤的相对介电常数来测定土壤水分。试验测定纯水的介电常数为80.4，干土约为3～7，空气为1。由于土壤是由水分、干土、空气等物质组成，其介电常数受水分变化影响最大，因此可利用此特性精确地测量土壤水分[5]。

土壤水分传感器利用LC振荡电路产生的电磁波在不同介质中振荡频率的变化，通过一定的对应关系反演土壤水分。工作时的振荡频率为：

F=12πLC

土壤水分的变化导致土壤介电特性变化，传感器感应的土壤电容C就会改变，进而引起LC振荡回路的频率变化，信号经过分频处理，再通过标定参数后，可得到土壤体积含水量：

θv=aSFb

SF为归一化参数，

SF=Fa-FsFa-Fw

Fa为仪器放置于空气中所测得的频率，Fs为仪器安装于土壤中所量测得到的频率，Fw为仪器放置在水中所测得的频率，a、b为待定参数。为了得到准确的数据，自动土壤水分观测仪安装前需要测定土壤相关参数，包括每个土壤层面，这是耗费人力和时间的过程。

温湿度传感器采用温湿一体的DHC1型温度传感器，用于测定草坪上方的温度和相对湿度;图像传感器用于观测草坪生长状况和灌溉时的实时情况;人体红外传感器用于测定草坪上是否有人活动，如发现有人时自动停止喷灌作业，人离开草坪时自动开启作业。

系统电源采用太阳能和蓄电池供电，12V工作电压远低于人体安全电压，保证系统对人体安全无害。在系统供电中，还提供12V转5V，用来给蓝牙模块供电。

1.2 系统联网部分

以终端蓝牙、中心蓝牙模块、4G通讯模块组成的系统联网部分。蓝牙技术是一种支持设备短距离无线技术标准的代称，用来设备之间的短距离无线电连接，目前已成为最常见的无线通讯方式之一。蓝牙技术及蓝牙产品的特点主要有：蓝牙技术的适用设备多，成本低;藍牙产品使用方便，可以组成数据交换网，在软件控制下自动传输数据;由于蓝牙技术具有跳频的功能，蓝牙技术的安全性和抗干扰能力强;兼容性较好，可以在不同操作系统和硬件之间组网连接。[6]特别是蓝牙4.0提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式：高速蓝牙主攻数据交换与传输;传统蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点;低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，简称BLE）以不需占用太多带宽的设备连接为主，功耗较老版本降低了90%，进一步拓展了蓝牙使用范围。蓝牙4.0还把BLE的传输距离提升到100米以上，拥有更快的响应速度。

本系统蓝牙组网采用成熟的蓝牙4.0BLE组网，利用中心蓝牙控制其他蓝牙设备的方式组成微微网，100米的传输距离足以覆盖一块草坪。中心蓝牙、草坪环境监测部分数据通过采集模块接入工业级的宏电H7118型DTU与中心服务器通讯，4G通讯保证系统的高响应速度和低延迟。

1.3 灌溉部分

以管道、水用电磁阀、喷头等组成的灌溉部分，是本系统直接作用于草坪的一个关键部分。所用管道采用草坪灌溉通用件，只是在管道下方增加布设12V电源线，为电磁阀和蓝牙模块提供能源。喷头选用三臂旋转喷头，喷头在水压作用下高速旋转，水花在离心力作用下散开，水花细小密集，且可以设置满速直射模式，模拟自然降水灌溉更加均匀。在喷头的前部，装有12V水用电磁阀，与蓝牙模块连接，用于控制电磁阀的开关。系统可以选装流量计，用于计算灌溉用水量，便于后期对灌溉节水量的统计分析。

1.4 整体控制部分

整体控制部分是整个系统的大脑，是系统正常运行的保障，主要包括中心服务器、数据库、网页、微信小程序等。

2 系统控制流程

草坪环境监测部分将数据通过4G网络传输到中心服务器，服务器通过后台计算土壤水分、温度、湿度情况结合当地7天天气预报、草坪季节需水数据，分析出草坪是否需要灌溉。如通过人体红外传感器检测到草坪无人，需要灌溉时，则通过4G网络向中心蓝牙发送灌溉指令，中心蓝牙向其他蓝牙模块传递指令，开启电磁阀进行灌溉作业，在检测到土壤水分达到要求后，自动停止作业。

通过浏览器和微信小程序可以实时查看系统运行情况，包括土壤水分、空气温度和湿度、草坪是否有人、电磁阀运行状态等，也可以手动控制开启或停止灌溉作业。

3 结论

本文通过在传统草坪灌溉系统上增加环境监测、蓝牙BLE组网控制和4G网络传输、控制部分，实现了草坪自动灌溉，让草坪的灌溉更加高效，节省了人力成本和水资源。在系统设计中采用了太阳能12V供电，让整个系统更加安全。未来可以通过系统长时间运行积累数据，找到草坪各生长周期需水情况，改进算法，使系统更科学。

参考文献：

[1]孙强.土壤水分对草坪草生长的影响及蒸散需水研究[D].新疆农业大学，2007.

[2]赖其涛.基于Zigbee的校园草坪智能灌溉系统的设计[J].安徽农业科学，2017，45（13）：226-227，246.

[3]王一涯，陈曙光，王宪菊.基于STM32F103的温室花卉自动喷灌控制系统设计[J].现代农业科技，2017（10）：174-175.

[4]郭正琴，王一鸣，杨卫中，等.基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J].农机化研究，2006（12）：103-105，108.

[5]陈海波.DZN2型自动土壤水分观测仪常见问题分析[J].气象与环境科学，2013（3）：54-57.

[6]张鹏富.浅谈蓝牙技术的发展现状和前景[J].计算机光盘软件与应用，2014：36-38.

作者简介：朱庚华（1986-），男，河南周口人，硕士，工程师，研究方向：农业气象，气象技术装备维护保障。