温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统的设计

田 野，徐保强，于欣欣

（1.中国矿业大学 （北京）机电与信息工程学院，北京 100083；2.天津工业大学 机械工程学院，天津 300387）

0 引言

温室大棚的出现使农作物在冬季低温的生长得以实现，成为农民冬季收入的一种重要来源［1］。而空气温湿度和土壤湿度是影响农作物产量的重要因素，所以如何对这些因素进行监测和控制就显得十分重要。传统有线监测系统存在着布线困难、线路易老化、成本高和监测不方便等缺点，使得其应用普及率不高［2］。传统的灌溉主要依靠铺设水管进行粗放式的无控灌溉，导致无法自动适量浇水，而且灌溉时间过长，通常灌溉一个100m×8m的大棚需要2.5h～3.5h，既造成了水资源的浪费又消耗了大量的劳动力。为解决上述问题，本文设计了一套温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统。

1 远程监控及自动灌溉系统方案设计

远程监控及自动灌溉系统由传感器节点、协调器节点和上位机组成。系统工作时，传感器节点周期性地将采集到的空气温、湿度数据通过Zigbee网络上传到协调器节点，协调器节点作为中继节点将数据通过串口传到上位机。用户可根据不同农作物的需要设定最适应土壤湿度，如果土壤湿度低于设定的土壤湿度值，则继电器吸合接通电控开关水阀电路进行灌溉；当土壤湿度高于此值时，继电器断开关闭电控水阀开关电路，灌溉结束。

2 系统硬件设计

图1为远程监控及自动灌溉系统结构框图。传感器节点集成了处理器模块、传感器模块和自动灌溉控制模块，电控水阀和灌溉设备为执行机构。

2.1 处理器模块

Zigbee作为一种无线通信网络，其网络容量大，最高可支持65 000个节点，而且在低功耗待机模式下，两节5V干电池可以使用半年到两年［3］，其工作的频段在中国为2.4GHz免执照频段。TI公司研发的CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一个片上系统（SoC），它作为处理器模块的核心芯片，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点［4］。

图1 远程监控及自动灌溉系统结构框图

处理器模块的主要作用是对采集数据的处理、无线通信信道的建立和数据的发送。该模块集成了I/O、振荡器和时钟、电源模块和DMA等模块。通过对I/O的配置来决定引脚是输入还是输出，以进行数据的采集。振荡器和时钟为系统提供时钟源。电源模块对输入的电压进行降压，以适用于各模块。DMA用以减轻CPU内核传输数据时的负担，降低功耗。处理器及外围电路图如图2所示。

图2 处理器及外围电路图

2.2 传感器模块

传感器模块负责采集环境中的温、湿度值，并将采集到的电压信号转化为数字信号供处理器模块工作。数据采集模块由传感器和相关接口电路组成，采集空气温、湿度数据。空气温、湿度传感器选用DHT11，这是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器，通过P10实现数据传输。其测量范围为20%RH～90%RH、0℃～50℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，工作电压为3V～5.5V。

2.3 自动灌溉控制模块

自动灌溉控制模块负责将土壤湿度传感器的值与设定的值进行比较，并控制继电器的工作状态。自动控制模块由继电器、电位器、LED指示灯、FC-28土壤湿度传感器和硬件电路板等组成。土壤湿度传感器表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可提高导电性能，防止生锈。通过电位器调节控制相应的阈值，当湿度低于设定值时，继电器吸合；高于设定值时，继电器断开。此外还具有延时3s～5s功能，当检测到湿度在临界状态时，不会出现频闪现象。该模块供电电压为5VDC，负载为250ADC和30VDC（低于此电压均可正常工作）。

2.4 电控水阀和滴灌设备

电控水阀开关由控制模块继电器控制。当继电器吸合时，电控水阀控制端通电，打开水阀进行灌溉；当继电器闭合时控制端断电，灌溉结束。电控水阀动作方式为直动常闭式，工作温度为－5℃～80℃，工作压力为0kg/cm2～8kg/cm2，工作电压为220VAC或24VDC。

滴灌设备主要由主管、干管、支管和毛管组成［5］。主管由原自来水供水PVC管道代替，主管埋在冻土层以下。用接头将干管与主管连接，干管的棚外部分也埋在地下冻土层以下，在大棚内的部分根据农户需求采取外露和浅埋两种方式。每个大棚设置一根支管，安装于垂直大棚宽度方向的1/2处，与过滤器和施肥装置相连，末端封堵。将毛管与支管相连，使毛管滴水一侧朝上，防止堵塞滴口，按照各农户种植行距合理安装。管路安装实物图如图3所示。

图3 管路安装实物图

3 软件设计

Zstack协议栈符合Zigbee协议结构，利用Zstack协议栈编写系统的软件。系统通过协调器节点上电建立一个网络来接收由传感器节点发送来的数据，然后上传到上位机显示。传感器节点湿度传感器监测并比较土壤湿度与设定阈值的大小来决定是否灌溉。系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

4 安装调试与分析

根据系统功能流程图，用Zigbee2007协议栈进行程序的编写，并在IAR集成开发环境中待编译工程完毕后进行调试、下载程序到各节点。将传感器安装后给各节点上电，通过串口软件对传感器监测的数据进行显示。IAR环境编译工程图如图5所示。对大棚6：00到18：00的温、湿度的监测数据如图6所示。

5 结论

本文设计的温室环境远程监控及自动灌溉系统对传统的有线监测和粗放式漫灌方式进行了改进，并将二者进行集成，大大减少了监测系统的体积和成本。同时运用的自动滴灌技术不仅节约了劳动力，也减少了大量的灌溉用水。该设备的设计和使用为温室大棚智能化监测和自动灌溉提供了经验和技术支持。

图5 IAR环境编译的工程图

图6 大棚6：00到18：00的温、湿度监测数据

［1］程文锋，杨祥龙，王立人.PLC和触摸屏在自动喷灌控制器中的应用［J］.农机化研究，2009，31（5）：128-131.

［2］王成，侯瑞锋，张馨.节水灌溉监测控制系统在设施生产中的研究与运用［J］.农业工程技术：温室园艺，2008（11）：16-17.

［3］无线龙.Zigbee无线网络原理［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

［4］高守玮，吴灿阳.Zigbee技术实践教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［5］付琳，董文楚.微灌工程技术指南［M］.北京：水利电力出版社，1988.