基于物联网的移动电话APP远程监控植物灌溉系统设计

钱晓艳　迟明路　程存欣　贾佳文　张照奇　仝鑫　彭旭峰

摘要：为了实现对植物进行远程灌溉和监控，减少水资源浪费，提高灌溉效率，设计了基于物联网的移动电话APP远程监控植物灌溉系统，利用物联网控制器实现对土壤湿度、环境温湿度、环境光照强度和环境气体的检测，综合各检测值并根据不同种类植物所需水分的不同设定浇水阈值。系统由物联网控制器、继电器、土壤湿度传感器、环境温湿度传感器、光照传感器和气体传感器、隔膜水泵、可滴可喷一体调节喷头、水管等组成，能实时监测土壤水分含量并远程开启水泵进行泵水作业，从而实现灌溉植物的智能控制。

关键词：物联网;移动电话APP;远程监控;植物灌溉

中图分类号：TP27 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0149—04

0引言

水是植物生长的必要条件，是未来可持续发展的一个关键因素，同时又是战略性的经济资源。在我国用水量大、水资源紧缺的背景下，大力推广作物智能灌溉对促进我国资源节约、可持续发展具有重要意义。当今世界供水技术发展的总趋势也是采用节水、节能的灌溉方法，实现水资源的合理利用。因此，发展节水灌溉，推进精准灌溉，是我国实现可持续发展的关键。

传统植物灌溉利用人工进行手动开启或关闭水泵阀门进行植物浇灌，而利用工人的经验判断土壤水分情况，判断标准不一，容易出现浇水过多或过少的问题。对土壤含水量敏感的植物可能会因一次过量施水或施水不足而造成难以挽回的巨大损失。而基于物联网的智能灌溉系统是以物联网技术为手段，以植物实际需水量为依据，提高灌溉的精准度，实施合理的灌溉制度，同时提高了水的利用率。

本文设计的基于物联网的移动电话APP远程监控植物灌溉系统，利用移动电话APP即可控制植物的智能灌溉，采用土壤湿度传感器、温湿度传感器、光照传感器和气体传感器进行环境变量检测。物联网控制器可以接受土壤湿度传感器、温湿度传感器、光照传感器和气体传感器实时采集并发送的模拟量和数字量信号，经物联网控制器解算、分析，开启模块继电器使水泵通电，利用水管喷头进行供水作业;当土壤湿度等传感器检测土壤湿度达到设定值时，自动发送信号至物联网控制器，控制水泵关闭，停止供水、喷头停喷，从而实现对植物灌溉的智能控制。该系统能够有效提高植物灌溉效率，节省人工成本，提高劳动生产率，为实现精准农业提供了参考，具有应用推广价值。

1系统硬件设计

远程智能灌溉系统通过使用物联网M4模块，将土壤湿度、环境温湿度、气体状况以及光照强度等参数实时传送，从而实现移动电话远程监控植物生长状态。系统总体设计框图如图1所示。

1.1跨阵M4物联网模块

跨阵M4物联网模块功率较小，功能较丰富。内部装有继电器，可通过移动电话进行远程控制，只需连WiFi，即可进行远程控制（无需和跨阵M4处于同一个WiFi环境下）。跨阵M4物联网模块可以选择远程和本地控制两种模式，由于功率不能大于0.5W，因此，模块的输入电压不能过大，通常使用的输出电压为5V和12V，控制电流不能高于10A。跨阵M4物联网模块扩展接口有5个，支持接入4组模拟量传感器以及1组智能可选传感器，图2所示为跨阵M4物联网模块。

1.2 DHT11温湿度模块

DHT11温湿度传感器相比于市面上其他温湿度传感器有一个显著的优点：其在工作过程中能够进行自动检测，并且能够分析处理数据，还能加强收到的数据精度和可靠性，之后将整合的信息传送到传感器的内部模块进行处理。DHT11温湿度控制模块内部电路如图3所示。

1.3土壤湿度传感器模块

该设计选择YL-69型号土壤湿度传感器模块，土壤湿度传感器能够实时监测土壤内部的水分含量，并能实时将信号传送到传感器控制模块中进行分析处理，YL-69土壤湿度传感器电路如图4所示。

在土壤湿度传感器前端连接的是一个金属探测装置，该探测装置灵敏度较高，能够对土壤湿度进行实时测量，如果检测到的湿度参数小于预设数值时，物联网模块的继电器就会开启并且控制水泵打开，进行浇水;如果检测到湿度已经达到设定值时，物联网模块关闭水泵，水泵则停止浇水。

1.4 ESP8266 WiFi模块

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络，进行互联网或局域网通信，实现联网功能，图5所示为ESP8266WiFi模块。该模块通常有COM-AP模式、COM-STA模式和COM-AP+STA模式3个模式，这3种模式都能实现串口和连接设备进行信息的传递。3种模式的不同点在于前两种模式都有3個子模式，而最后一个模式拥有9个子模式。当该无线模块向软件发送数据时，需要进行TCP连接并根据数据的长度进行数据传送。本文选用的跨阵M4物联网模块装载的ESP8266WiFi模块能够通过无线网络与移动电话APP进行网络配置，实现对物联网灌溉系统进行无线控制。

2系统软件设计

在智能移动电话上通过物联网管理平台进行系统软件设置，对跨阵M4物联网模块的无线模块进行相应的网络配置，可实现实时远程数据监测，并随时开启水泵进行灌溉。当土壤湿度低于设定值时，移动电话APP显示相应土壤湿度示数，开启模块继电器使隔膜水泵通电，利用水管喷头进行供水作业;当土壤湿度等传感器检测土壤湿度达到设定值时，控制隔膜水泵关闭，停止供水、喷头停喷，从而实现灌溉植物的自动控制。图6所示为智能灌溉系统的控制流程。

电源选择直流5V或者直流12V，电源连接如图7所示。

打开物联网管理平台后，点击“免费注册”输入需要注册的移动电话号码后，获取移动电话验证码，输入验证码后登录输入密码。登录方式如图8所示。

打开移动电话WiFi列表可以看到以ESP开头的WiFi，点击并连接该WiFi，如图9所示。

打开移动电话浏览器，在网址输入框内输入“192.168.4.1”并点击访问进入到配置界面，如图10所示。

完成网络配置后，返回到物联网控制平台，点击“添加设备”。在弹出的界面中分别填人设备名称以及设备编码，最后点击“保存设备”按钮。自动回到控制首页，点击下方刷新按钮，即可看到成功添加的物联网设备，点击1002开关按钮即可控制物联网控制器开关。如图11所示。

3智能灌溉系统实验测试

系统测试主要是检测各个传感器是否能够正常工作，并且能否在移动电话APP上进行相应配置，以及核心模块能否正常运行。

3.1 DHT11温湿度传感器测试

跨阵M4模块支持接入DHT11温湿度传感器，在选择时需选择无LED的模块，接线如图12所示。

连接成功后，需要在移动电话APP中修改相应的数据，点击下方的“保存编辑”按钮，最后到控制端首页点击“刷新”按钮，即可通过控制端实时监测系统环境的温度和湿度，如图13所示。

3.2土壤湿度传感器测试

土壤湿度传感器接入AINO和GND端口，如图14所示，在物联网管理平台的1001选择AINO并保存编辑，即可看到AIN0的数据，如图15所示。

当跨阵M4物联网模块与各个传感器正确连接后，并经各个模块测试完成后，开始进行灌溉系统的整体测试，测试过程如图16所示。

测试后，对测试采集数据进行分析，图17为不同类型植物的灌溉曲线，通过曲线图可以看出，当湿度未达到设定值时，经过一段时间浇水后，3种植物的土壤湿度都逐渐增加;当湿度达到设定值时，继电器控制水泵关闭，停止灌溉，植物的土壤湿度变化情况停止，保持湿度不变。

4结束语

本文通过使用物联网模块，实现对土壤湿度、光照强度、环境温湿度及气体状况等环境因素进行实时检测，利用移动电话APP与物联网模块进行网络配置，可以在移动电话APP上实时观测数据变化，并对水泵进行开关控制，实现植物水量的远程自动监测与调整。自动化控制技术与物联网技术结合是今后智能灌溉的发展趋势，也是实现节水灌溉的有效途径。