农作物精准自动化浇水装置研究

陈珣

2021 年暑假，我和妈妈去新疆旅游，看到了大片的新疆棉田，也见到了广阔荒漠。导游介绍，新疆地广人稀、高温少雨、水资源分布不均，灌溉是新疆农业面临的重要问题。我联想到家乡无锡宜兴出产的百合，同样是需要精准控制浇水量才能获得更好的产量和品质，于是我产生了研究农作物精准自动化浇水装置的想法。

一、研究目的

在新疆旅游的经历，使我认识到农作物的灌溉是极其重要的农业生产环节，常规的灌溉手段还是大水漫灌，不仅大量消耗了水资源，也很容易使土壤板結化。因此，我想设计一套农作物精准自动化浇水装置，可以根据土壤的湿度状况来自动调节水量，达到精准灌溉的目的，实现智慧农业的目标。

我希望这套装置能够在家乡的特色农作物上实现应用价值，将来能推广到新疆乃至全国各地的农作物种植上，为我国农作物标准化种植增添科技力量。

二、研究过程

（一）设计方案讨论

在指导老师的启发下，我决定选择使用Arduino 技术和物联网技术来搭建样机装置，并以家乡的百合为应用对象，通过观察百合长势来判断该装置的有效性和应用价值。目前，我的家乡也提出要积极组织制订百合生产技术规程，全面实行百合的标准化生产。据调查，在标准化生产中，自动浇水设备对百合的种植、推广有一定帮助。

我调查后发现，目前市面上的浇水装置分为手动类和自动类：手动装置以水管、喷灌、滴灌装置为主，浇水量往往由种植者凭经验控制;自动装置大多是由定时装置结合喷灌设备来实现自动浇水，不能根据外界的温度、湿度变化而变量浇水，如遇突发的高温或骤雨，会造成土壤湿度不够或湿度过大，从而影响植物生长。

我在实践使用中还发现：刚刚浇水时，水漫到湿度计上，湿度计测量的湿度是有偏差的。水并没有渗透到农作物根系土壤中，只是土壤表层湿了，但土壤深处随着容积、时间的不同，湿度会有很大变化。

和指导老师讨论后，我确定了设计自动化浇水装置所要达到的目标：浇水装置采用渐进式分次浇水，根据表层土壤测湿度，完成第一轮浇水，过一段时间再测底层湿度，决定是否需要继续浇水，这样测出的数据比较精准、有效。通过Arduino 系统上传数据，设计程序算法来算出平均值，根据土壤表层、底层湿度调整浇水数值。

（二）方案制作

硬件搭建设计见图1。

硬件采购自淘宝网，适用于Arduino Uno R3顶配豪华套件（含创客增强主板）学习套件。

1 . A r d u i n o I D E 创客主板：作为主控件，控制信号输出， 连接VCC和GND。

2. 土壤湿度传感器：作为副控件，测量土壤湿度。

3.LCD 显示屏：作为副控件，显示土壤湿度，方便记录数据。

4. 继电器：作为副控件，连接水泵，控制水泵开关。

5. 水泵：作为副控件，给植物浇水。

三、装置搭建

（一）水泵一套：水管、泵、电线、继电器、面包板等搭建过程：水管插入泵口，红、黑电线连接电线针脚，针脚插入5V，黑线连入继电器公共端口，继电器常闭线接GND，V 连5V，G 连GND，S 连开发板8。

（二）土壤湿度传感器：面包板、开发板等搭建过程：连接土壤湿度传感器3 个端口，VCC 连面包板上的5V（+），GND 连面包板上的GND（-），IN 连开发板上的A0。

（三）LCD 显示屏： LCD 显示屏、转接板、面包板、开发板等搭建过程：连LCD 显示屏，把LCD显示屏后的针脚插入面包板i 行35 列，转接板插在面包板g 行35 列，转接板上的SCL 连开发板上的A5，SDA 连开发板上的A4，VCC 连开发板上的5V，GND 连开发板上的GND;面包板上插一根导线在5V 上，并连接开发板上的5V，一根插在GND 上，并连接开发板上的GND 。见图2。

程序设计算法结构，见图3。

四、方案测试

本次研究主要分两部分：2021 年8—9 月， 基于Arduino 技术搭建硬件及传感器，主要包括水泵、土壤湿度传感器、LCD 显示屏等;2021 年9—12 月，比较两组宜兴百合种球种植实验，并观察植物生长状况。

我在淘宝网上购置了宜兴百合种球，共计6 颗种球，其中3 颗种球出绿芽0.8厘米。2021 年9 月7 日栽种，实验分为A、B 组，为了更好地比照实验，设置A 组为实验组，应用自动精准浇水装置;B 组为对照组，不应用自动精准浇水装置，凭经验手动浇水。从2021 年9 月初至10 月底，同等条件下（光照、土壤、养料），应用自动精准浇水装置的A 组，在原先种芽较短的情况下，生长高度、速度均略优于不应用自动精准浇水装置的B 组，见表1。

百合生长照片如图4、图5。

五、创新性与实用性

本研究以宜兴百合为测试对象，通过查阅相关文献，分析宜兴百合生长环境，了解宜兴百合生长状况，从而优化自动浇水系统，满足农作物生长。该浇水系统使用土壤湿度传感器来收集土壤湿度信息，根据图形化编程工具来设计农作物浇水的自动化控制程序，基于计算机程序算法识别和判断土壤湿度，在软件算法下实现更精准的自动化浇水。该系统还可继续改进升级，如引入自动模块，多频次、智能、精准地测试土壤干湿状态，不仅可以减少人工，还能大规模提高精准浇水效率;考虑宜兴百合浇水量中的变量因素，如种植位置、天气状况、光照情况、表层土与底层土湿度差等情况，通过软、硬件结合及改进系统参数的方式予以解决和优化，还能更好地精准自动化浇水。