基于物联网技术的温室自动喷灌系统的设计

托普物联网开创智慧农业新时代！基于物联网技术的温室自动喷灌系统的设计摘要：利用物联网的传感器技术实时采集温室环境的空气温湿度、土壤水分和光照度等因子，单片机将数据进行分析处理做出合理的控制决策，控制执行器进行自动喷灌，实现了计算机自动控制，按需、按期和按量喷灌。系统主要由温室环境信息采集模块、单片机AT89c52模块和控制模块组成，采集模块包括光照度传感器2Du6硅光电池、土壤水分传感器TDR一3和空气温湿度传感器LTM一8901。本系统环保节能、节水、省力，具有很好的实用性和推广性。关键词：温室自动喷灌系统；节水；温度；湿度O引言灌溉是影响温室生产效益的重要因素。在温室采用微灌控制的情况下，温室作物对水分的需求达到最理想的状态，以有限的、节约的和精确的供水量最大化地提高了水资源的利用率，并且合理地调控了温室作物生长环境小气候，既节约了水资源，又保证了作物的增产增收，同时也保护了生态环境¨o。而目前我国大面积温室大棚仍然采用传统的大水漫灌，其水分利用率仅20％～30％，植物根系只有40％～50％的时间处于其理想的水、气组合条件下L2J。此外，土壤板结、养分流失、灌水量大和肥料用量高是长期沿用畦灌与沟灌等传统灌溉方式造成的严重后果。再者，传统灌溉方式也会导致温室环境的高温与高湿状态，进而产生病虫害∞j，制约了温室作物产量和质量的提高。近几年，微灌技术在我国得到了大面积的推广应用，不仅节约水资源，而且可以为农业发展提供最优服务HJ。所以，在温室大棚中大力推广现代节水灌溉技术，可以科学有效地控制土壤水分含量，进行合理调度，做到计划用水和优化配水。采用先进灌溉方式，按时按量地对温室作物进行灌溉，一方面可以提高作物产量，提升作物品质；另一方面可以使水的利用率保持在90％以上的节水状态下¨。喷灌是最早也是最为普遍的一种节水灌溉方式，这种方式可以很高效地为植物正常生长提供必要的水分。它能够调节温室小气候，增加空气湿度，降低空气温度。实践表明，喷灌比地面灌溉可提高15％～25％的作物产量MJ。目前，我国温室节水喷灌系统自动化程度还较低，国内还没有成型的自动控制喷灌系统，基本还是人工灌溉或通过手动阀门来操作。本文针对这一现状设计了温室自动喷灌检测控制系统。该系统通过对空气温湿度和土壤湿度的实时监测，实现了对温托普物联网开创智慧农业新时代！室作物用水适时和适量的控制。1温室自动喷灌系统整体构架设计该系统主要由温室大棚环境信息采集模块、单片机AT89c52模块和控制模块组成。采集模块包括光照度传感器2Du6硅光电池、土壤水分传感器TDR一3和空气温湿度传感器LTM一8901。光照度传感器采用硅光电池2Du6作为光电传感器器件，土壤水分传感器采用锦州阳光科技发展有限公司设计开发的TDR一3。这两类传感器输出都是模拟量，所以需要经信号调理电路及A／D转换等预处理后传输给单片机AT89c52。温室环境空气温度与湿度的采集采用温湿度一体数字式传感器SHT71，直接输出数字量给单片机AT89C52。控制模块主要由光电耦合器、继电器和执行器组成，总体结构如图1所示。2信号采集系统2．1光照度采集模块在温室环境中，光照度是植物健康生长的重要能源因素，直接影响植物的生长、发育过程、产量和果实品质。另外，光照度也影响地表与大气的物质与能量交换，即与土壤水分含量有着密切关系，在节水灌溉中是一个重要的数据信息。所以，在设施农业中光照度的检测和监测工作越来越得到重视。系统采用硅光电池2Du6作为光电传感器件，将该器件的短路电流信号对此进行放大到0～5V，经模数转换模块送给单片机AT89C52。由于硅光电池的短路特性随光照强度是线性变化的，光电池在不同照度下的内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。A／D转换器只能够接受电压信号，因此在硅光电池2Du6和单片机AT89c52之间需要一个电流电压转换电路。这个电流转换电压模块使用的是放大器0P777，其电路图如图2所示。托普物联网开创智慧农业新时代！托普物联网开创智慧农业新时代！2．2土壤水分采集模块节水自动喷灌系统中，土壤湿度的检测是至关重要的，此信号的准确与否直接关系到节水程度和自动化程度。在作物生长期内，需要及时准确地获取土壤湿度数据，计算机实时地将这些数据进行处理分析，并结合温室中光照度和空气温湿度的数据，最终做出精确灌溉决策，以达到维持土壤适中的湿度以及节水的目的。土壤湿度的增减过程受温室环境中的因素影响，环境中的气候因素均是天天在变化的，因此土壤水分的变化过程需要进行实时监测，通过对土壤水分的变化进行监测，计算机可以分析土壤水分变化的影响主因，进而预测土壤水分变化，保证了精确与准确地进行自动节水灌溉。TDR一3土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。TDR一3型土壤水分传感器采用标准的电流环传送技术，使其具有抗干扰能力强、传送距离远、测量精度高、响应速度快的特点。响应在1s内进人稳态过程，电流输出为4～20mA标准电流环，电压输出为0～2．5VDc。其密封性好，可长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土壤水分采集模块设计电路图如图3所示。托普物联网开创智慧农业新时代！2．3温湿度传感器温室内空气温湿度的检测仅仅靠单点测量是不能准确代表整个温室环境的状况的，尤其是对于大面积的温室大棚而言，单点检测对节水灌溉控制的精确度和节水效果有很大的影响。针对这个问题，本系统选用了数字式输出和多点网络检澳4的易扩展式传感器LTM一89叭。该传感器和单片机的接口有两种方式：一是单线接口方式；二是双线接口方式。当在小面积温室环境下，数据传输距离比较短时，采用单线接口方式，与单片机的接口电路如图4所示；当温室面积比较大、检测点比较多及传输距离比较长的时候，采用双线接口方式，其与单片机的接口电路如图5所示。托普物联网开创智慧农业新时代！3控制系统传感器采集到温室环境中土壤湿度、光照度以及空气温湿度各参数值，经过单片机处理分析后，给出最优化喷灌策略，发出控制信号使执行机构动作，进而实现按时、按需和按量的节水自动喷灌。本系统选用TLP521—4光电耦合器驱动继电器输出，其目的是为了在驱动执行设备时提高控制接口的抗干扰能力。图6为该接口的电路原理图。在系统初始化时，将AT89C52的I／0口输出电平置成高电平，光耦TLP521—4不导通，防止在AT89c52复位、上电时继电器出现误动作。托普物联网开创智慧农业新时代！4结语面对我国水资源严重短缺、大部分设施农业仍然采用传统大水漫灌的灌溉方式、水分利用率极低的现状，本文将传感器技术、计算机技术与喷灌技术接合起来，设计了用于温室作物节水灌溉的自动喷灌系统，以达到按需、按期和按量喷灌的目的，既可提高作物产量和水分利用率，又可节省宝贵的水资源和人工费用，具有较强的实用性和推广性，应用前景广阔，将带来很好的经济效益和社会效益。附录--托普物联网简介托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与托普物联网开创智慧农业新时代！端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。托普物联网三大系统产品我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）托普物联网模块化智能集成系统托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。6、作业模块：即中央控制室。可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。参考文献：[1]高照阳，李保谦，买凯乐．基于温室微灌的双湿度自动测控系统设计与研究[J]．农机化研究，2008(9)：116一119．[2]陈文清．节水灌溉自动化控制系统研究与应用[J]．节水灌溉，2004(6)：托普物联网开创智慧农业新时代！27—29．[3]李彦军，魏春云．浅谈寒区温室推广微灌的必要性和可行性[J]．节水灌溉，1998(6)：8．[4]陈雷．大力普及推广节水灌溉技术[J]．农业机械，1999(9)：4—6．[5]卜清．基于P87c552单片机的温室大棚环境与滴灌控制系统设计与研究[D]．南京：南京农业大学，2007．[6]吴水平．温室自动喷灌控制系统设计与研究[D]．长沙：湖南农业大学，2008．[7]于华丽，赵晓顺，刘淑霞，等．传感器sH，17l在温湿环境检测系统中的应用[J]．农机化研究，2008(5)：15l一153．