趙麗麗 閆永昌

（1.赤峰學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市 024000 2.赤峰市區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作局 內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市 024000）

1 研究背景

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的60%以上，但是我國(guó)淡水資源的總量?jī)H為2.7×10億立方米，僅占全球水資源6%。因此農(nóng)業(yè)用水缺乏，嚴(yán)重制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展。2020年，全國(guó)耕地實(shí)際灌溉畝均用水量356 立方米，農(nóng)田灌溉水有效利用率僅為0.565。主要原因?yàn)橐环矫孓r(nóng)民節(jié)水灌溉意識(shí)落后，另一方面節(jié)水灌溉設(shè)施發(fā)展尚不完善，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，水資源利用效率低下?；诖藢で笕绾胃咝аh(huán)利用農(nóng)業(yè)用水的方案，加強(qiáng)水資源管理將對(duì)緩解農(nóng)業(yè)困境做出巨大貢獻(xiàn)。研究統(tǒng)計(jì)顯示溫室大棚內(nèi)植物蒸騰作用散失水分高達(dá)植物用水量的50-60%，如果能將這部分水重回收利用，將大大節(jié)約溫室大棚農(nóng)作物用水，從而緩解農(nóng)業(yè)用水壓力。盡管目前溫室大棚技術(shù)在不斷的革新，采用膜下滴灌和重力滴灌、噴灌技術(shù)、滲灌技術(shù)等科學(xué)手段改善灌溉技術(shù)節(jié)約水資源，仍然無(wú)法緩解日益加重的農(nóng)業(yè)用水供需矛盾。因此為增加溫室大棚水資源回收利用尋求新的解決方案將對(duì)提高水資源利用及水資源可持續(xù)利用提供新的啟發(fā)。冷凝水回收利用不僅提高水資源利用，節(jié)能環(huán)保，還可以帶來(lái)巨大收益。雖然冷凝水回收利用已在空調(diào)冷凝水，燃煤鍋爐電廠等方面已經(jīng)得到充分證明，但是目前對(duì)于溫室大棚冷凝水回收利用研究及人工智能灌溉仍未成熟需要進(jìn)一步完善。因此開發(fā)溫室大棚冷凝水回收利用智能裝置并投入市場(chǎng)將為解決溫室大棚水資源重新利用具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 研究?jī)?nèi)容

溫室大棚冷凝水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容主要秉承著綠色發(fā)展理念，以高效提高水資源利用，節(jié)能環(huán)保為核心，主要以溫室大棚冷凝水回收并重復(fù)利用為目的,設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)化智能冷凝水回收接入灌溉系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室大棚冷凝水回收系統(tǒng)由五個(gè)模塊組成：濕度傳感器模塊、抽風(fēng)系統(tǒng)模塊、冷凝器裝置模塊、水系統(tǒng)處理模塊、接入灌溉新系統(tǒng)。系統(tǒng)選用單片機(jī)為主控原件，冷凝器裝置為冷凝水回收核心，利用溫濕度傳感器收集溫室大棚內(nèi)部環(huán)境的濕熱空氣數(shù)據(jù)，并通過(guò)OLED 顯示器實(shí)時(shí)顯示采集的濕度環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用Wi-Fi 模塊與手機(jī)端的無(wú)線遠(yuǎn)程通信，使所測(cè)大棚環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)信息可以在手機(jī)上同步顯示，當(dāng)濕度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)自動(dòng)運(yùn)行抽風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)三層冷凝板讓濕熱空氣完成氣液轉(zhuǎn)換過(guò)程，形成冷凝水流入到回收裝置。冷凝水經(jīng)過(guò)雙層過(guò)濾材料后進(jìn)入水檢測(cè)系統(tǒng)合格后接入灌溉系統(tǒng)，完成冷凝水回收再利用。

基于冷凝水智能回收的模式，首先我們需要設(shè)定適合溫室大棚內(nèi)種植的農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)的溫度和濕度。然后將大棚內(nèi)溫濕度傳感器采集到的實(shí)際溫濕度數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)處理后傳送到單片機(jī)，系統(tǒng)會(huì)將溫濕度與預(yù)先設(shè)定的溫濕度上下限進(jìn)行比較，如果參數(shù)值超過(guò)設(shè)定的上下限時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響提示，同時(shí)3 個(gè)繼電器啟動(dòng)，開啟抽風(fēng)系統(tǒng)、冷凝器裝置模塊、水系統(tǒng)處理模塊功能。當(dāng)溫濕度回到設(shè)定的上下限范圍內(nèi)，單片機(jī)主控模塊才會(huì)給報(bào)警模塊和繼電器發(fā)出停止工作命令。

總體電路圖如圖1所示。

圖1：總體電路圖

總體電路圖以單片機(jī)控制器為核心，溫濕度傳感器測(cè)量溫室大棚內(nèi)溫濕度并利用Wi-Fi 無(wú)線收集數(shù)據(jù)，根據(jù)溫濕度波動(dòng)啟動(dòng)抽風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

電源模塊為冷凝水回收系統(tǒng)裝置正常工作提供保障，本系統(tǒng)工作需要三種不同的電壓為各個(gè)模塊提供供電。其中溫濕度傳感器模塊和顯示模塊需要5V 供電電壓。抽風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)等執(zhí)行模塊需要12V 供電電壓。處理器模塊需要3.3V 電壓。我們用充電鋰電池給執(zhí)行模塊進(jìn)行供電，并利用L7805 芯片將12V 轉(zhuǎn)換成5V 對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行供電，同時(shí)使用AMS1117-3.3 芯片將5V 電壓降為3.3V，為數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行供電。在各級(jí)電壓處增加電容保證供電穩(wěn)定性。具體電路如圖2所示。

圖2：電源電路圖

利用L7805 芯片將12V 轉(zhuǎn)換成5V，使用AMS1117-3.3芯片將5V 轉(zhuǎn)換成3.3V。

3.2 單片機(jī)模塊。

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇STM32F103C8T6 單片機(jī)芯片作為主控模塊完成對(duì)整個(gè)溫室大棚系統(tǒng)各個(gè)模塊的控制。它是一款基于stm32 系列的32 位微控制器。工作電壓最高3.6V，容量64KB，基于Cortex-M3 內(nèi)核的嵌入式微處理器芯片，采用了同時(shí)擁有獨(dú)立32～bit 指令總線和32～bit 數(shù)據(jù)總線的哈佛結(jié)構(gòu)。STM32 在使用時(shí)的最小系統(tǒng)應(yīng)包括晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘。復(fù)位電路設(shè)置了按鍵復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以利用按鍵進(jìn)行復(fù)位。不含外設(shè)控制，原理簡(jiǎn)單。時(shí)鐘電路該芯片運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足項(xiàng)目運(yùn)行要求。負(fù)責(zé)進(jìn)行信息處理，部分控制啟動(dòng)。

3.3 Wi-Fi模塊

本設(shè)計(jì)采用ESP8266 模塊。ESP8266 模塊是目前嵌入式設(shè)計(jì)所通用的一種 Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，集成了業(yè)界領(lǐng)先的TensilicL106 超低功耗32 位微MCU，具有16 位縮減模式，主頻支持80MHz 和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。具有UART 接口。通過(guò)該模塊進(jìn)行 Wi-Fi 通信，可以將單片機(jī)的串口接入網(wǎng)絡(luò)，完成與手機(jī) APP 端之間的通信可通過(guò) Wi-Fi 模塊經(jīng)手機(jī)客戶端顯示，完成系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)。同時(shí)達(dá)到控制相應(yīng)模塊開關(guān)的要求。

3.4 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)溫濕度傳感器模塊選用DHT11，是一款復(fù)合型溫濕度傳感器，采用了數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感器技術(shù)，直接輸出數(shù)字信號(hào)，可以用來(lái)測(cè)量外部環(huán)境的溫濕度，此型號(hào)傳感器的濕度測(cè)量范圍為30%-90%RH，在溫室大棚環(huán)境達(dá)到25℃時(shí)，濕度測(cè)量范圍可達(dá)到20%-90%RH，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器件。它應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，讓系統(tǒng)能夠持續(xù)高效地完成對(duì)溫濕度信號(hào)的采集。DHT11 的優(yōu)點(diǎn)是元件體積小，功耗低，可以遠(yuǎn)距離傳輸。使其成為溫室大棚采集數(shù)據(jù)的最佳選擇。

DHT11 實(shí)物與引腳說(shuō)明如圖3所示。電路中MCU 數(shù)據(jù)口連接3pin。由于SDA 數(shù)據(jù)引腳接線長(zhǎng)度短于20 米時(shí)，用5K 上拉電阻，因此在傳感器和2pin 與電源VDD 之間連接一個(gè)小于5K 的電阻。而傳感器的電源端1pin 和4pin 分別接MCU 的VDD 和GND 端，傳感器的3pin 懸空。

圖3：DHT11 應(yīng)用電路圖

通過(guò)在溫室大棚配置相應(yīng)數(shù)量的溫濕度傳感器，將溫室大棚內(nèi)各點(diǎn)的濕度值實(shí)時(shí)傳送回控制系統(tǒng)，無(wú)線溫濕度傳感器以電池供電，在工程實(shí)施過(guò)程中避免大量的通訊線纜、線管、供電線路的鋪設(shè)，可根據(jù)溫室大棚的實(shí)際情況調(diào)整安裝位置，實(shí)現(xiàn)智能化采集大棚內(nèi)精準(zhǔn)濕度，使得MCU 根據(jù)濕度值智能化開啟各個(gè)繼電器單元。

如圖3，DHT11 供電范圍是3V～5V，SDA 數(shù)據(jù)引腳接線長(zhǎng)度短于20 米時(shí)，用5K 上拉電阻。VDD，GND 為電源引腳。

3.5 抽風(fēng)系統(tǒng)

抽風(fēng)系統(tǒng)我們采用渦旋鼓風(fēng)機(jī)，它采用專用電機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，噪音低，送出氣源無(wú)水無(wú)油，一般在10KPA 到100KPA 之間。原理是葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)離心力的作用，風(fēng)向標(biāo)促使氣體向前運(yùn)動(dòng)，從而形成一些列螺旋狀運(yùn)動(dòng)。我們通過(guò)渦旋鼓風(fēng)機(jī)將大棚內(nèi)的濕熱空氣進(jìn)行傳至送回收利用裝置。確保濕熱空氣最大限度的回收，減少能耗損失。達(dá)到高效回收轉(zhuǎn)化冷凝水的目的。

3.6 冷凝器裝置模塊

冷凝器裝置有三組冷凝器組成，冷凝器由導(dǎo)熱性能較好的金屬材料制成，以充分利用熱傳遞作用。冷凝器由冷凝面板制冷單元組成，第一種冷凝面板有條形通風(fēng)孔，第二種冷凝面板由無(wú)孔冷凝面板組成，所有的冷凝面板里面都有制冷單元。第一層制冷面板使用條形風(fēng)孔制冷面板設(shè)置成與水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。使得通過(guò)抽風(fēng)系統(tǒng)回收的高溫濕氣通過(guò)第一次壓縮機(jī)制冷面板發(fā)生液化反應(yīng)，產(chǎn)生的冷凝水由管道2 回收到水處理系統(tǒng)的集水裝置。第二層制冷面板使用條形風(fēng)孔制冷面板設(shè)置成與水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上，并且與第一個(gè)制冷面板設(shè)置一定的距離。通過(guò)第一層制冷面沒(méi)有完全液化的濕熱空氣在遇到第二層壓縮機(jī)制冷面板發(fā)生液化反應(yīng)，產(chǎn)生的冷凝水由管道2 回收到水處理系統(tǒng)的集水裝置。第三個(gè)制冷面板使用無(wú)孔制冷面板，設(shè)置成與水平面呈-30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。第三個(gè)制冷面使用無(wú)孔制冷面板是為了使得通過(guò)第一個(gè)制冷面板和第二個(gè)制冷面板沒(méi)有完全液化的濕熱空氣與第三個(gè)制冷面接觸面積大，同時(shí)增加濕熱空氣運(yùn)行的阻力增大，加快冷凝效果，盡量把濕熱空氣完全轉(zhuǎn)化成冷凝水。通過(guò)30 度的斜向下角度液化的冷凝水由導(dǎo)管3 流入到集水裝置。空氣中的氣體通過(guò)集水裝置兩側(cè)的導(dǎo)氣通道4 排出（如圖4所示）。

圖4：冷凝器裝置平面示意圖

讓抽風(fēng)系統(tǒng)中的高溫濕氣通過(guò)回收裝置的三層壓縮機(jī)冷凝熱交換之后，使得高溫濕氣充分液化從而轉(zhuǎn)換成冷凝水，達(dá)到濕熱蒸汽遇冷凝結(jié)成冷凝水的過(guò)程。

如圖4，冷凝器裝置主要設(shè)置于集水槽上方。溫室大棚內(nèi)濕熱空氣經(jīng)過(guò)第一層有孔冷凝面板后液化為水，經(jīng)過(guò)第二層有孔冷凝面板將剩余濕熱空氣進(jìn)一步液化為水。第一層和第二層液化后的冷凝水由冷凝水排水管2 排至集水槽，而未充分轉(zhuǎn)換的濕熱空氣，可通過(guò)第三層無(wú)孔冷凝面板液化為水并通過(guò)排水管3 收集至集水槽?？諝庵械臍怏w通過(guò)集水裝置兩側(cè)的導(dǎo)氣通道4 排出。

3.7 水系統(tǒng)處理和檢測(cè)

冷凝回收的水可能摻雜生物量、異養(yǎng)菌、氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、微型動(dòng)物等雜質(zhì)。我們把集水槽做成一個(gè)V 形濾池，在V 形池上方加一層支撐層，在支撐層上方加活性炭層，當(dāng)冷凝水回收來(lái)以后，經(jīng)過(guò)活性炭層可以吸附雜質(zhì)去除大多數(shù)的細(xì)菌、病毒和有機(jī)物。冷凝水經(jīng)過(guò)兩層過(guò)濾濾層完成雜生物量細(xì)菌的吸附降解過(guò)濾的過(guò)程。檢測(cè)冷凝水合格的水通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入到回收池中接入新的灌溉系統(tǒng)，檢測(cè)不合格的冷凝水由上方導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)竭^(guò)濾裝置從新進(jìn)行兩層過(guò)濾，直至水質(zhì)適合灌溉檢測(cè)要求。過(guò)濾的過(guò)程中會(huì)有大量細(xì)菌雜質(zhì)積聚，定期通過(guò)反沖洗方式將吸附在表面的雜生物量細(xì)菌沖洗排出。

3.8 繼電器

繼電器在整個(gè)系統(tǒng)控制中作為切換型號(hào)控制執(zhí)行模塊，起到至關(guān)重要作用。連接電磁閥即可控制抽風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)。我們選用NPN 晶體管繼電器，他屬于雙極結(jié)型晶體管（BJT）類型之一。NPN 晶體管具有三個(gè)端子——發(fā)射極、基極和集電極。繼電器通過(guò)MCU 發(fā)送的命令來(lái)轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)。從而控制執(zhí)行模塊的開啟和關(guān)閉。由于stm32 輸入電流有限，不易直接驅(qū)動(dòng)繼電器。在基極上連接限流電阻，防止電流過(guò)大把三極管燒壞，起到保護(hù)作用；下拉電阻的作用是防止三極管誤觸發(fā)引起繼電器誤動(dòng)作，在單片機(jī)初始化的過(guò)程中，GPIO 端口輸出狀態(tài)可能不確定，這種情況下下拉電阻將基極下拉至確定的低電平放置了三極管的誤導(dǎo)通。采用型號(hào)IN4001 的二極管反向并聯(lián)在線圈的兩端。防止電流回流，為反向電動(dòng)勢(shì)提供了一條泄放通道，保護(hù)電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件使用C 語(yǔ)言編程，利用Keil5 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)建立模板。主要包括主程序控制、溫濕度分析數(shù)據(jù)控制子程序、顯示子程序等，實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行模塊驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)顯示等功能?？傮w執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5：軟件流程圖

系統(tǒng)供電后執(zhí)行初始化，利用溫濕度傳感器DHT11 通過(guò)串行接口與單片機(jī)相連，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚里的溫濕度環(huán)境，系統(tǒng)分析監(jiān)測(cè)的數(shù)值與設(shè)定的溫濕度值對(duì)比，當(dāng)溫濕度高于設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)送出信號(hào)驅(qū)動(dòng)冷凝水相應(yīng)控制系統(tǒng)（抽風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)），另一方面更新顯示當(dāng)前環(huán)境信息。溫濕度傳感器數(shù)值低于設(shè)定值。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉，開機(jī)待機(jī)模式。同時(shí)通過(guò)Wi-Fi 模塊將溫室大棚內(nèi)數(shù)據(jù)通過(guò)APP 發(fā)送到管理者手機(jī)上。

5 結(jié)論

面對(duì)日益嚴(yán)峻的水資源枯竭問(wèn)題，尋求高效利用水資源的技術(shù)和方法迫在眉睫。農(nóng)業(yè)用水占我國(guó)總用水量超過(guò)60%，因此解決農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)問(wèn)題是重中之重。溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，如何充分節(jié)水灌溉，并實(shí)現(xiàn)水資源智能化重復(fù)利用，是我們現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)之一。因此本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)智能冷凝水回收系統(tǒng)，主要目的是最大程度實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)作物的健康生產(chǎn)和水資源的回收再利用。本研究系統(tǒng)不僅具有廣泛的適用性且操作簡(jiǎn)易，能更好的利用冷凝水進(jìn)行節(jié)水灌溉，并為農(nóng)作物提供良好的生存環(huán)境，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，且該系統(tǒng)的成本低廉，可延展性強(qiáng)，有利于投入市場(chǎng)并進(jìn)行大范圍地推廣使用。