自动灌溉系统设计与实现

廖全林，邓桂骞，王成峰，李仕军，薛 阳，何元转

（兴义民族师范学院，贵州 兴义 562400）

我国农业用水占全国总用水量的62%，在某些地区占比高达90%，大力发展智慧农业灌溉是解决水资源供需矛盾的措施之一。自动灌溉系统采用高精度土壤湿度和温度传感器，根据土壤和作物状况准确利用水分，可以有效解决农业灌溉用水效率低的问题，缓解水资源日益短缺的问题。基于传感器技术的智慧农业灌溉系统是中国发展高效农业和精准农业的必由之路，本文将在这方面展开研究。

1 国内外研究现状

自动化灌溉技术已经在美洲、欧亚等地得到了广泛应用，美国约有70%的农田采用了自动灌溉系统。我国的农业灌溉分为传统灌溉和现代灌溉，随着现代农业发展，如何实现高效、节水的灌溉已成为重要研究方向。目前，我国的农业灌溉面积仍然相对较小，且由于季节性强需要频繁进行灌排水。因此，提高灌水效率迫在眉睫。

2 自动灌溉系统整体设计

自动灌溉系统以Arduino 开发板为控制中心，先利用DHT11温湿度传感器和土壤湿度传感器测量温度、湿度和土壤湿度；随后将采集到的环境数据通过ESP8266WiFi 模块实现远程传输，连接云平台处理数据；最后比较所得数据与预设农作物需水量，通过云平台控制继电器启动抽水泵来完成灌溉。用户可以在智能手机或电脑上远程监控和控制。自动灌溉系统方案设计见图1。

图1 自动灌溉系统方案设计Fig.1 Automatic irrigation system scheme design

3 自动灌溉系统硬件设计

3.1 Arduino D1开发板

本系统采用Arduino 开发板进行数据采集和控制处理。Arduino 是便捷灵活、易上手的开源硬件产品，具有丰富的接口和多种串口通信，内含晶体振荡器和稳压器，编程简单易懂，可拓展性强，支持各种传感器和控制模块。此外，Arduino还内置ES8266 模块，成本低、功能强大、低功耗，可通过Wi-Fi或蓝牙实现远程控制和监控设备。

3.2 温湿度传感器的选择

本设计采用DHT11 空气温湿度传感器检测温湿度。该传感器由电阻式感湿元件和NTC 测温元件组成，与高性能8位单片机相连接。响应迅速、抗干扰能力强、体积小、能耗低，使用单线制串行接口简单便捷地连接到系统中。

3.3 土壤湿度传感器的选择

本设计采用土壤湿度传感器检测土壤湿度，采用表面镍度处理的传感器，具有加宽感应面积、提升导电性能和延长使用寿命等优点。传感器体积小、方便使用、安装简单、测量精度高、数据传输速率快，可实时监测系统运行状况或进行数据分析。设定最大值和最小值来控制继电器，当传感器检测到土壤中湿度低于设定的最小值时，会向云平台发送信息并在手机app上显示，同时控制继电器自动开始灌溉工作；当湿度达到两者之间时，继电器会自动停止工作。

4 自动灌溉的系统软件选择

4.1 数据存储的选择

本设计采用IOT 云平台存储数据，通过传感器采集数据，监控状态，并实现远程控制、无线传输、数据分析、预警信息发布、决策支持和一体化控制等功能，具有24 h 实时监控、快速项目开发、设备可仿真、跨平台、安全性和稳定性等优势。本通过云平台将温湿度传感器和土壤湿度传感器传输的数据存储在各个相应的模块，方便用户查看。

4.2 手机app的选择

AI2Offline 是一款基于麻省理工学院自主研发的编程环境，具有直观、可视化的特点，适用于广大群众，能在更短的时间内创建复杂高效的应用程序。通过添加组件的方式，排版和布局应用界面，可通过调节各组件的属性来美化页面，并采用逻辑设计，无代码的编程方式，使更多人能够设计出属于自己的软件。本系统主要设计了两大界面，登录界面用于查看数据和控制继电器，数据呈现界面则可实现随时随地查看和控制传感器数据。

4.3 系统控制流程图

Arduino 板启动，初始化完成后，传感器采集空气、气温、湿度及土壤湿度数据，将数据上传至IOT 云平台，最后在手机app上显示。系统控制流程见图2。

图2 系统控制流程图Fig.2 System control flow chart

5 自动灌溉系统的调试

5.1 手机app数据显示

完成系统设计与开发后，需要调试电路，包括确定电源与GND 引脚连接好，确保硬件设备连接正确，放置在实验环境中，启动硬件设备，系统通电，继电器电源指示灯亮起证明可以正常工作，最后将数据上传到云平台并通过HTTP 协议传输到手机app上显示数据。

IOT云平台中的智能灌溉一体化系统立即显示，手机app上有一定的刷新时间以防止数据刷新过快而导致软件崩溃，并对系统消息进行跟踪。

5.2 云平台数据显示

本系统基于IOT 云平台存储与显示数据，通过局域网连接上IOT 云平台，同时温湿度传感器将收集的数据显示在IOT 云平台上。IOT 云平台每秒都会更新温湿度的数据，保证了数据的实时监控，还可以查看温湿度数据的曲线图，可以更好地满足工作的使用需求。

5.3 系统优点

改变传统的灌溉方式，采用在根面处滴灌的方法，以降低因蒸发而引起的水分损失。这种方法允许将水直接运输到不同深度根系面，以选择调节控制不同深度的水分含量，可以根据土壤的湿度、空气的温湿度，在根系面上灵活灌溉。

与之前普遍适用的开关阀控制的灌溉系统相比，该系统通过获取相关数据，针对性地进行灌溉，使得灌溉更准确，更加清楚地了解环境因素对农作物生长的影响，对后续灌溉策略的改良更具有参考价值。

6 结语

本设计基于Arduino 核心、ESP8266 WiFi 模块和传感器技术设计了自动灌溉系统。通过传感器采集数据上传至IOT云平台，在手机app 上显示和控制继电器，实现自动灌溉。ESP8266WiFi模块具有提高了数据传输效率和精准控制灌溉量，降低了水资源浪费，节省了水费。该系统利用传感器感知能力全程自动感知数据，并上传至云端以有效监控环境温湿度和土壤湿度，确保土壤湿度稳定。该自动灌溉系统具有低成本、高效率、易操作等特点，可以大大提高工作效率。