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物联网和网络物理系统2(2022)212太阳能物联网灌溉系统的设计与实现罗沙赫利扎湾Ramlia,*,Waheb A.贾巴尔ba马来西亚彭亨大学电气和电子工程技术学院,26600,Pekan,Pahang,马来西亚b伯明翰城市大学工程与建筑环境学院,伯明翰,B4 7XG,英国自动清洁装置保留字:Blynk物联网NodeMCU智能灌溉太阳能水泵A B标准本文提出了一种用于物联网智能灌溉系统(IOT-SIS)的太阳能便携式水泵(SPWP)利用具有Wi-Fi接口和土壤湿度,温度和湿度传感器的NodeMCU微控制器所提出的灌溉系统使用集成算法将从传感器(湿度,温度和湿度)收集的信息实时更新到Blynk物联网云。农民可以使用智能手机通过用户友好的界面访问这些信息并相应地控制水泵这款便携式环保水泵由太阳能电池板供电,可以使用Blynk移动应用程序进行控制,该应用程序也可用于监控周围环境。装配泵的灵感来自轮式旅行行李箱,并配备了水过滤器和多喷嘴喷雾器。开发的太阳能水泵成功地节省了电力并降低了运营成本。此外,物联网概念的整合促进了对水泵的实时监控,从而提高了用水效率,方便了农业操作。该系统的功能已在实际环境中进行了实际测试,并对其性能进行了评估。1. 介绍世界各地的许多农民在灌溉系统中大量使用抽水灌溉技术从主要依赖农民的传统灌溉活动迅速转变为利用各种机器和系统进行抽水和种植过程的现代农业机械[1]。水泵主要用于灌溉和牲畜饮水。 灌溉是一个广泛的领域,专注于植物生长和维护景观特征的供水,包括树木,灌木,草和灌木[2- 4 ]。抽水是灌溉系统中的关键角色,以足够的压力和流速为特定区域提供所需的水量[5]。在传统的灌溉系统中,农民主要依赖柴油/化石燃料泵或电动泵。然而,化石燃料和柴油水泵并不环保,因为它们会造成空气污染,并导致气候变化,这是我们世界的严重问题之一[6这是因为柴油和化石燃料的燃烧会释放二氧化碳,这会导致温室效应和全球变暖,并对人类造成风险[9]。此外,对电力的需求不断增加,由于加快农村农业发展[10]。换句话说,电力短缺、燃料成本、空气污染、水资源浪费以及农业中缺乏新技术的利用,对传统灌溉系统构成了重大问题。因此,确实需要利用可再生能源为农业活动提供所需的能源。太阳能是灌溉系统中有前途的替代品之一,可应用于农业活动,以减少电力使用并最大限度地减少化石燃料的消耗,特别是对农村地区的农民。与其他可再生能源相比,它是未来能源的负担得起的选择,因为它的丰富性,成本效益,安装成本和效率[12]。通常,太阳能电池板连接到电压调节器,逆变器和电池以形成光伏(PV)系统。因此,水泵应配备光伏系统,以构建太阳能水泵。此外,在这个技术时代,物联网(IoT)和先进的自动化和控制系统的新兴发展正在被利用,以实现具有实时监控和自动控制的智能灌溉系统。具有物联网(IoT)支持的太阳能水泵是克服* 通讯作者。电子邮件地址:roshahliza@ump.edu.my(R.M. Ramli),waheb. bcu.ac.uk(W.A. 乔巴)。https://doi.org/10.1016/j.iotcps.2022.12.002接收日期:2022年8月18日;接收日期:2022年12月3日;接受日期:2022年12月19日2022年12月27日在线提供2667-3452/©2022作者。由爱思唯尔公司出版我代表科爱通信公司,公司这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表物联网和网络物理系统期刊主页:www.keaipublishing.com/en/journals/R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212213传统的灌溉方式。物联网是通信技术的最新范例,其中具有通信接口的所有对象,例如传感器,电器,智能手机,平板电脑和笔记本电脑,都可以相互连接并与互联网连接。物联网的主要目的是使用全球网络系统形成一个全球性的智能世界;因此,它可以从全球大量的设备/传感器/节点中收集数据,并通过互联网提供。物联网应用增强了我们日常生活的各个领域,并在许多新兴领域变得更加鼓舞人心和普遍,包括智能电网,智能城市,家庭自动化,环境监测,智能农业,医疗保健和医疗辅助以及工业自动化。因此,整合物联网概念来构建智能灌溉系统将帮助农民自动化抽水操作,并以更少的努力和成本改善农业和一般来说,太阳辐射越大,蒸腾作用越大,灌溉的需要就越大,为水的应用提供动力的太阳能就因此,在本文中,太阳能供电的便携式水泵介绍了集成光伏系统与电动水泵灌溉的目的。物联网概念能够形成一个智能灌溉系统,该系统可以通过传感器将收集的信息更新到互联网,并且农民可以通过智能手机使用移动应用程序访问。太阳能水泵是一种利用太阳能电池板产生的能量的水泵太阳能水泵可以在白天的大部分时间里连续运行,直接使用太阳能电池,夜间使用电池。此外,这种太阳能水泵是便携式的,没有电源线。它适用于水资源在偏远地区的农民该系统配备有喷嘴以控制水流速度,并配备有过滤器以净化灌溉水。太阳能水泵的多喷嘴的便携性是一个附加特征,需要使用单个泵覆盖更广泛的区域和不同的植物种类;因此,为农民提供更多的便利。一个基于物联网的控制系统连接到开发的太阳能水泵上,形成一个智能灌溉系统,用于实时监测和远程控制。 智能灌溉系统包括NodeMCU微控制器、湿度和温度/湿度传感器以及继电器板。本研究的主要贡献是设计和制造一种成本-高效的太阳能水泵与物联网集成,用于智能灌溉系统。为满足这些要求,本研究采用了以下目标和贡献:(i) 设计和制造一个太阳能驱动的便携式水泵(SPWP),以节省能源和燃料成本,并利用可再生能源减少空气SPWP的便携性使其易于运输和搬迁。(ii) 开发基于物联网的智能灌溉系统(IoT-SIS),该系统具有集成算法,可使用Blynk物联网平台和移动应用程序通过互联网监控周围环境的状况并远程控制水泵(iii) 在真实环境中实施所开发的智能灌溉系统与太阳能水泵(本文的其余部分组织如下。第二部分是文献综述和相关研究。第三节介绍了方法和材料。第IV节解释了系统确认和性能测试最后,文章在第五节中结束2. 文献综述有许多地区的雨水不足以实现这一目标,其中许多地区在不同时期面临干旱灌溉是应对这些问题的精确技术根据与土壤和作物有关的几个因素[13]。水泵广泛用于农业和灌溉系统。普通水泵由柴油或化石燃料发动机驱动旋转。由于使用这种水泵,一些问题正在上升,包括燃料价格,维护成本,空气污染,产生的噪音,效率以及缺乏远程控制和监控[14]。这种水泵需要燃料或柴油作为补充;因此,农民需要花费额外的操作成本来购买这些补充物并维持预期寿命短的泵这种附加成本可能具有挑战性,特别是对于那些拥有中小型农场的农民来说,因为他们的利润并不太高,他们无法负担这种高成本。此外,化石燃料和柴油释放到大气中的二氧化碳也可能导致酸雨,从而腐蚀土壤,植被和农作物[15]。从另一个角度来看,利用主电网电力为农村地区的农业和灌溉提供电动水泵是另一个挑战[16]。 随着人口的增加、城市化和现代化,世界范围内的电力需求迅速增长。 大约70%的人口在农业部门就业,与其他部门相比,农业部门消耗了总发电量的18%[17]。这需要生产大量电力,以支持农业活动的能源需求,确保所有农村地区的灌溉用水政府必须花费大量资金和资源来满足农业的能源需求,特别是向农村地区提供电能,这并不总是一个容易的解决方案[18]。最近,更多的注意力集中在当前的研究,实时监测和先进的远程控制概念,通过互联网精确灌溉,特别是在农村地区。 预计新的物联网模式将在农业领域发挥关键作用,以改善灌溉系统的远程控制,并获得有关种植和农业活动各个方面的实时信息。因此,利用各种微控制器、传感器、执行器和无线技术将农业和灌溉相关数据发送到物联网平台的智能灌溉系统是必要的。这种基于物联网的灌溉系统将帮助农民使用智能设备通过互联网监控农场的状况,此外还可以通过移动应用程序远程打开/关闭水泵。太阳能光伏系统通过光伏效应直接将太阳光转化为电能。 这种太阳能光伏系统是克服当前环境问题和危机的有价值和可持续的方法。光伏系统中最小的元件是太阳能电池。每个太阳能电池都有两个或更多个特殊制备的半导体材料层,当暴露在光线下时会产生直流电(DC)。接线收集面板中的直流电。然后,它被提供给直流泵,该泵在阳光照射时泵送水,或者存储在电池中供泵稍后使用这种绿色能源可以确保能源,水和环境安全。随着太阳能水泵在农业生产中的广泛应用,光伏系统与水泵的结合成为必然光伏系统不会产生任何有害的副产品,造成环境污染。由于太阳能不是从地球的地层中提取的,所以它不会对周围环境造成任何有害的污染光伏系统的基本工作原理是光伏电池将太阳能从阳光转换为电能,可用于通过控制器向负载供电,控制器在白天保持电池充电。白天产生的能量储存在电池中,在夜间使用太阳能光伏水泵系统是电力,化石燃料和柴油水泵的理想替代品1970年,一项旨在探索太阳能水泵的经济可行性和实用性的研究带来了一些努力。太阳能水泵是太阳能光伏和水泵系统的组合它涉及多学科领域,包括电气,机械,电子,土木和计算机工程。在过去的几十年里,世界仍然依赖于那些有限的和不可再生的能源,这些能源需要数百万年才能R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212214replenish. 工业化后,能源需求增加,世界面临着酸雨、全球变暖、温室效应等诸多环境问题。 全球表面温度比1900-2010年的平均温度高0.6摄氏度[ 19 ]。太阳能水泵的主要组件包括太阳能电池板、水泵、电动机、配水喷嘴、水过滤器和控制器。水泵中使用的电动机是旋转泵并管理AC或DC。此外,水泵控制器的功能是调节电机转速和输出功率。太阳能水泵比传统水泵更高效、更经济,对于在中小型农场工作的农民来说非常有用。这种太阳能水泵不仅用于农作物,还可以用于饲养,花园和灌溉。太阳能水泵的操作概念很简单,其中太阳能电池板从太阳收集太阳能,并通过嵌入太阳能光伏电池板中的硅片将其转化为电能。然后,电能被传输到基于DC的马达泵系统,该马达泵系统操作马达。 电机旋转轴,耦合到单体泵,泵开始提升地下水。水泵有两种类型,即地面水泵和潜水水泵。 地面水泵适用于从最大深度20 m处提升和泵送水,而潜水水泵可用于更深的50 m区域[20]。在[21]中,作者提出了一种基于Wi-Fi的用户友好,可靠和自动化的三相水泵控制系统,供农民使用。 该系统包括监测电力供应的可用性,水库内的水位,水的流速,和水泵短路条件。 NodeMCU ESP8266是该系统的微控制器。然而,系统设计非常敏感,应格外小心,因为微控制器是一个5V器件。 它用于控制高压三相灌溉泵。参考文献[22]关注影响光伏水泵性能的多个因素。 他们声称,电池的温度、光伏组件的退化、入射角、表面灰尘和电机泵的效率对系统性能的影响最大。此外,失配、自遮蔽和遮蔽是影响太阳能泵性能见参考文件[23],作者确定了光伏组件的数量和带有电池组的光伏水泵所需的泵送功率对传统泵和太阳能泵的安装、运行、维护和整个生命周期所需成本进行了比较研究结果证明,基于PV的水泵节省了大量的燃料和机油成本,从而减少了CO2,空气污染和噪音。该研究考虑了其他地理特征、含水率和最佳倾斜角度。一项研究在Ref。 [24]解决了使用独立太阳能泵同时运行灌溉区域的问题。 这种系统需要将泵送的水直接应用于不同的区域,这取决于水库;因此,它降低了总成本并消除了蒸发过程。作者开发了一个基于线性规划的模型模型运行基于所需水量和光伏功率。 结果证明,与单独运行相比,同时运行基于PV的泵提供了更高的效率和节省的能源。在参考文献[25]中,作者致力于开发一种基于物联网的太阳能水泵系统,该系统可以通过基于模糊算法的视觉技术进行操作和控制。该系统观察土壤湿度、温度和湿度,并相应地运行泵 该系统还支持用户手动和远程控制,并通过基于模糊的控制模式进行自动控制。参考文献[26]强调了基于植物健康的水泵系统的设计和实施系统模型支持基于水阈值的电动机自动启动/停止。通过对传感器采集的数据进行分析,根据作物健康状况,结合作物阈值,确定灌溉时间。关于植物健康的紧急通知将在需要时通过物联网平台通过电子邮件发送给农民农民还可以通过图形用户界面(GUI)访问有关土壤和环境参数的信息,包括土壤pH值和湿度,温度和温度值,以决定是否需要灌溉植物。在这方面,基于光伏的水泵是灌溉系统的可行替代方案之一,已经引起了相当大的关注,并已在许多偏远地区部署。这种太阳能泵可用于从灌溉到牲畜的各种应用中,以在农村地区供水基于PV的泵具有许多特性,使其成为传统水泵系统的替代品它基于绿色清洁能源,无二氧化碳排放(无化石燃料),环保,可靠,无噪音,运行和维护成本低所报告的文献证明,太阳能水泵比传统的燃料泵和风力泵更经济,在低泵送能力方面也有竞争力。一些研究集中在水泵系统的配置参数上,另一些研究则根据应用研究电机和泵的类型一些研究涉及控制水泵系统,而另一些研究则致力于分析各种经济和环境参数。虽然许多国家已经实施了许多太阳能抽水系统,但它仍然限于中小规模,需要大规模推广物联网控制概念的集成对于说服偏远地区的农民将其手动/本地控制泵与基于物联网的远程光伏水泵系统进行切换是必要的。需要这样的物联网系统来说服农民,具有自动化功能和实时监控的太阳能水泵是降低生产成本、提高灌溉效率、改善规划质量并保持植物安全和健康的正确选择。 这种转变对于以农业为主要活动的发展中国家是必要的,全年太阳辐照度充足。总的来说,许多研究促使太阳能水泵的应用,在灌溉系统中。然而,据我们所知,有限的研究集中在使用太阳能抽水系统开发基于物联网的智能灌溉。此外,以前的研究都没有集中在使用便携式光伏水泵作为农业活动中的独立系统。大多数提出的系统没有在自然环境中进行验证,即使它们在实验室使用模拟模型或原型进行了测试。因此,我们在本研究中开发了一种带有物联网控制器的便携式太阳能水泵,作为创新的灌溉系统。NodeMCU ESP8266微控制器使用户能够根据从传感器收集的读数向泵发送命令。已经创建了一个用于监控泵和控制系统的移动应用程序,并且可以通过使用互联网连接从一定距离使用因此,当互联网连接可用时,可以随时随地访问它。 这将减轻用户的负担并提高水泵的效率。例如,农民可以通过电话启动和停止水泵,而无需靠近水泵。 移动应用程序用于通过智能手机远程控制水泵的开关操作,并通过Blynk物联网平台监控周围环境。3. 方法和材料本节定义了本研究中采用的方法和研究活动,包括各个研究阶段的有条不紊的组织,以及拟议的太阳能水泵与基于物联网的智能灌溉系统的详细设计和实施。此外,详细说明了组件的选择及其集成,以实现设计目标。制造了用于基于物联网的灌溉系统的便携式太阳能泵。基于物联网的系统的硬件开发是通过使用NodeMCU ESP8266 Wi-Fi模块作为微控制器来进行的,并且选择传感器来测量所考虑的参数。中继R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212215--控制板已决定控制泵的切换过程之后,使用Arduino IDE作为NodeMCU和编程设备之间的接口,通过集成所需的传感器库来开发软件。代码的排列/顺序必须根据整个水泵系统的思想进行改进,无论哪个传感器首先运行,然后是下一个传感器,一旦传感器被触发,每个动作都是如此。Blynk物联网平台被选为物联网云,以将通过Wi-Fi更新的收集数据设计了一个移动GUI来显示传感器的更新读数,并使用智能手机远程控制水泵。详细的研究活动如图10的流程图所示。1.一、3.1. 系统建模所提出的IoT-SIS-SPWP的系统架构在图1中描述。 二、在所开发的系统中,太阳光线被施加在两个太阳能电池板(每个50W)上,以产生用于驱动高压自动隔膜水泵与直流电机组的电力额外的能量将通过太阳能充电器控制器存储在12 V电池使用的电池是松下铅酸12 V,7.5 Ah电池,可与微型隔膜水泵配合使用在夜间灌溉活动中,只要需要,电池容量就可以为电机供电长达3小时。微控制器从所使用的传感器收集数据,并通过NodeMCU的Wi-Fi接口将其发送到Blynk IoT云服务器,同时将农民的切换命令转发到SPWP。NodeMCU通过最近的Wi-Fi接入点连接到互联网。农民将能够通过互联网连接的智能手机使用基于Blynk移动应用程序的GUI远程监控农场的周围条件(土壤湿度,温度和湿度)。传感器连接到NodeMCU的输入GPIO,四通道继电器模块连接到输出GPIO。当超过某些阈值时,农民还可以因此,农民可以在需要时打开/关闭用于灌溉目的的太阳能水泵直流泵为12 V、8 A、100 W的水压隔膜泵.最大出水压力为0.8 MPa,最大流速为6.5 L/min。该泵连接到带有多个喷嘴的软管上,以在灌溉过程中以不同的压力和流速喷射水。此外,水泵与滤水器相连,以改善灌溉水质,保持植物健康及良好状况。该系统的流动性支持允许其根据需求进行移动和重新分配。3.2. 系统设计IoT-SIS-SPWP系统布局是使用NX 10设计的SPWP的部件或组件是聚丙烯行李箱工具箱(整体主体)、两个50 W的太阳能电池板、软管钩、可延伸保持器和用于存储IoT-SIS的电气组件的盖箱、金属支撑件、电池和水泵。它还显示了IoT-SIS-SPWP的整体部分的尺寸。我们的目标是建立一个符合人体工程学设计的太阳能水泵,以适应使用这种水泵的人 正确的人体工程学设计是必要的,以防止重复性劳损和其他肌肉骨骼疾病。它与设计安全的家具和易于使用的界面有关。太阳能水泵更轻便。行李箱设计使这款水泵便于携带,尺寸符合人体工程学,适合小农灌溉。 这种便携式太阳能水泵的设计灵感来自轮式旅行行李。所设计太阳能发电的实施将降低燃料和电力等能源成本太阳能的使用有利于长期节约,但它也促进了可再生能源的使用。能源和减少污染。然而,太阳能的使用有一个主要的挑战,那就是盗窃。使系统便携是有益的,因为它可以被运输到任何地方,并安全地存储在存储中。水泵体采用聚丙烯材料制成聚丙烯是一种坚固耐用的高耐化学性材料,通常用作工具箱的材料。它具有与聚乙烯相似的性能,但更耐腐蚀,更耐热。耐用且重量轻,适合在工作环境中包裹电气设备,具有额外的耐化学性,适合在海洋环境中使用。 它也是耐热的,这使得它适合在长时间的阳光下使用。聚丙烯由于其优异的热性能和机械性能、低成本以及用途的相反性,似乎注定要就软管而言,我们使用聚酯纤维增强的聚氯乙烯(PVC)花园软管。该软管具有优良的化学和物理性能,非常适合输送水,广泛用于建筑,农业,渔业,工程,家庭和工业服务。它可以处理10摄氏度到65摄氏度的温度PVC软管还具有良好的耐磨性,使其适用于崎岖的环境。由于基于耐油弹性体的软管有多种类型,每种类型有多种规格,有时会有冲突的要求,因此无法概括当前的用途或未来的趋势。当需要优异的耐磨性时,PVC混合物用于覆盖物 我们使用带有中空纤维膜(HFM)的便携式滤水器作为滤水材料。HFM最初是在20世纪60年代为反渗透应用开发的;它在水处理中已经变得普遍。HFM能确保无病原体通过,去除细菌、原虫、大肠杆菌等物质大肠杆菌、贾第虫、霍乱弧菌、伤寒沙门氏菌、钩端螺旋体病和微塑料。由太阳能电池板收集的太阳能的量是局部太阳辐射、地面反射特性以及收集电池板的倾斜和取向的函数太阳能电池板的方向和倾斜强烈影响收集的产量。因此,太阳能电池板必须以最佳角度倾斜和定向,以收集特定区域中可用的最大太阳能优化太阳能电池板的倾斜和方向的最佳方法是应用主动太阳跟踪器。主动式太阳跟踪器是机电或纯机械装置,在白天周期性地改变太阳能电池板/太阳能然而,这种系统的资本成本高,并且在跟踪期间消耗能量因此,如在我们的系统中,每月、季节或每年改变光伏(PV)面板的倾斜角度和取向可能比应用主动太阳跟踪器更可行。3.3. 系统制造在设计阶段之后,我们开始了便携式太阳能水泵的制造和安装阶段,因为它是拟议系统的核心部分。此外,结构分析是强制性的,以确保该设计可以支持所有的负载重量。接下来,从供应商处确定并获得用于构建水泵框架的材料类型。 之后,在收到材料后立即进行检查,以避免任何缺陷发生。整个制造工艺顺序如图4所示。基本的制造工艺,包括焊接、研磨、切割和许多其他工艺,都有其安全预防措施。使用任何工具时应格外小心,以防止人员受伤在机房工作时在我们的工作场所需要考虑的安全措施包括在处理工具和机器时穿戴安全靴、夹克、面罩和手套操作机器时,机械师不应佩戴手表、珠宝、其他配件或宽松的衣服,以免给他们带来麻烦机器上的每种不同类型的操作都必须按照正确的程序和工具进行R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212216Fig. 1. 研究活动流程图。R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212217图二. 整体系统架构。避免机房发生事故 地板必须保持干燥,避免打滑,桌子必须反复清洁。对于金属支撑,首先,低碳钢棒被切成四部分。然后,使用研磨机和砂光机研磨和抛光金属棒边缘。然后将金属焊接在一起,用钻头和铆钉固定在行李箱上。对于PV板,两个PV板使用螺钉和铰链附接,并且滑块附接在太阳能板的顶部和底部然后,使用剪切机和折弯机剪切和弯曲金属板。PV板、金属板和行李箱使用螺钉、铆钉和L形截面连接然后,过滤器和泵的位置以及包含微控制器的盒子,如图所示。 五、然后,太阳能控制器和软管吊架连接到太阳能水泵侧,如图所示。 六、 对于最终调整,L形截面连接到零件上以确保耐用性。在太阳能电池板上增加了闩锁,以避免在运输时转动。 图图7描绘太阳能水泵的最终系统产品,其具有所实施的IoT-SIS控制器。3.4. 元器件选型硬 件 和 软 件 组 件 在 物 联 网 系 统 的 设 计 中 至 关 重 要 NodeMCUESP8266在我们的系统中使用,因为它是一个单板微控制器,旨在使交互式对象或环境的应用更容易访问。它是一个具有成本效益的开源物理计算平台,具有可扩展的软件开发环境,用于板编程。 它用于收集传感器读取的数据并将数据上传到MQTT服务器。此外,它还接收用户通过MQTT服务器执行特定任务的命令。NodeMCU由物理可编程电路板组成,就像任何其他开发板一样,例如Arduino和RaspberryPi。该微控制器可用于开发交互式对象,从各种开关或传感器获取输入,并控 制各种 继 电 器 , 灯 , 电 机 和 其 他 执 行 器 。 我 们 使 用 NodeMCUESP8266作为微控制器,使农民能够观察传感器读数并将命令传递给水泵。 NodeMCU附有Wi-Fi接口,可通过热点连接到互联网。NodeMCU具有17个GPIO引脚,可分配给不同的功能,如I2C, I2S,PWM,IR遥控器,LED灯和按钮以编程方式。因此,它是物联网应用的一个很好的候选者,像我们的系统一样,传感器和执行器的数量有限 NodeMCU具有即用型结构,因为它采用完整的封装形式,包括5 V稳压器、燃烧器、振荡器、微控制器、串行通信接口、LED和连接头。NodeMCU的编程可以通过使用集成开发环境(IDE)Arduino软件来完成,以编写指令代码并将其上传到微控制器。对于NodeMCU,初学者需要学习一种与Arduino不同但更容易的新编程方法。这是因为编程环境对于初学者来说很容易使用,但对于高级用户来说足够灵活。启动NodeMCU、传感器和执行器之间的连接所需的编码可以通过Arduino IDE开发并上传到NodeMCU内存。它代表了物联网系统的核心,因为它同时充当传感节点和网关我们使用Wi-Fi模块创建了一个移动应用程序,可以通过智能手机远程控制水泵的开关操作。一个移动应用程序来监视和控制系统已经创建。它可以通过互联网连接随时随地使用。实时监测和控制将减轻用户的负担并提高水泵的效率土壤湿度传感器测量土壤中的含水量。测量的属性和土壤水分之间的关系必须进行校准,并且可能因环境因素(如土壤类型、温度或电导率)而异。反射的微波辐射受土壤湿度的影响,用于水文和农业遥感。农民或园丁可以使用便携式探测仪器。土壤湿度传感器通常是指估计体积含水量的传感器。 另一类传感器测量土壤中水分的另一种性质,称为水势。FC-28土壤湿度传感器安装在系统的侧面,用于测量农场的土壤湿度。该模块还包括一个电位器,将固定的阈值,&比较器LM393可以评估的价值。LED将根据阈值打开/关闭传感器需要放置在土壤中,土壤湿度的测量将被暴露,然后数据上传到Blynk应用程序。DHT11是一款主要的超低成本数字温度和湿度传感器。它使用电容式湿度传感器和热敏电阻来测量R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212218图3.第三章。 系统设计尺寸。见图4。系统制造阶段。图五、过滤器、泵和微控制器盒的放置。R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212219þþ图六、太阳能充电控制器和软管吊架。周围的空气,并在数据引脚上吐出数字信号(不需要模拟输入引脚它使用起来相对简单,但需要仔细的时间来获取数据。这种传感器唯一真正的缺点是它只能每2秒更新一次新数据该传感器用于测量环境温度和湿度。DHT11及其跳线安装在原型的侧面,位于钻孔中的工具箱上方。因此,DHT11传感器可以暴露在环境温度下并进行测量,然后上传到Blynk应用程序。DHT 11传感器有四个引脚-VCC、GND、数据引脚和一个未连接引脚。传感器和微控制器之间的通信提供了一个5 k至10 k欧姆的上拉电阻在这项研究中,利用4通道5 V DC继电器模块来执行泵和任何其他致动器的切换(如有必要)。也可用于控制各种大电流的电器和设备根据农民的命令,继电器根据从NodeMCU接收的信号通电或重新通电。 它配备了在AC 250 V 10 A或DC 30 V 10 A下工作的大电流继电器。它有一个标准接口,可以直接由微控制器控制。Arduino IDE是一个用C编程语言编写的跨平台应用程序。它用于编写和上传程序到Arduino兼容板,但也可以在第三方内核和其他供应商开发板的帮助它连接到Arduino和Arduino硬件来上传程序并与它们通信对第三方硬件的支持可以添加到sketchbook目录的硬件目录中。安装的平台可能包括板定义(出现在板菜单中)、核心库、引导加载程序和编程器定义。该项目的编码包括所有类型的传感器,包括DHT 11传感器和土壤湿度传感器。 所有这些传感器的特定库已被应用,以确保所有传感器正常工作。接下来,ESP8266 NodeMCU的库已包含在程序中,用于用户和微控制器系统之间的通信功能。AT命令已被用作发送反馈和接收来自用户的命令的工具3.5. 电路设计与安装如前所述,拟议的太阳能水泵已经制造-这一阶段致力于描述拟议的物联网SIS系统的硬件需要连接选定的电气/电子组件以形成安装在开发的IoT-SIS-SPWP的控制器盒中的控制电路。 该控制电路将用于在互联网上对装配好的太阳能水泵进行监控。控制电路在完成测试和验证后安装到控制器盒中。在此之前,所有部件都按照图中所示的示意图连接。 8,这也说明了虚拟图7.第一次会议。完成的使用Fritzing软件连接电气元件。然后将组件安装在试验板上,以确认电路工作正常,然后确定连接并将其连接到整个系统。如图9所示,开发的太阳能直流水泵电机组物联网控制系统配备了5V电源,NodeMCU ESP 8266 Wi-Fi模块,土壤湿度传感器,温度/湿度传感器和继电器。在对每个组件进行全面测试后,所有组件都组装好并连接到NodeMCU。所需的代码已使用ArduinoIDE开发。 LED被用作实际泵的替代品,以检查传感器功能。 在这一阶段,进行了许多测试,并在必要时提出了改进建议。我们在测试R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212220见图8。 系统电路图见图9。 用直流水泵控制电路。已确定并修复程序。重复该步骤直到获得令人满意的产物。 在将所有编程代码编译到NodeMCU中之后,通过将电路实现到所提出的系统中,将致动器(继电器模块和直流电机)用于实际测试,如图所示。10个。开发了一个基于Blynk物联网平台的GUI,用于显示从传感器收集的信息,并允许农民使用智能手机控制水泵作为改进和优化过程的一个例子,最初,传感器的读数无法上传到Blynk应用程序服务器。 读数只能在ArduinoIDE软件的串行监视器上查看。继电器模块只能切换到见图10。 控制器盒中所有组件的安装。当满足一定的要求时,由传感器本身进行开/关在对编码进行一些重建之后,从传感器获得的读数可以在物联网服务器上更新。上传和获取数据的问题得到了解决,但中继的行为与用户的命令相反当用户通过移动应用程序或PC远程打开继电器时,继电器反而被关闭因此,重新修改了用于从服务器接收用于打开/关闭继电器的命令的编码。将便携式太阳能水泵放置在太阳光直接入射到太阳能电池板上的方向。通过手机上的应用程序连接和控制太阳能水泵3.6. 系统操作程序温湿度传感器和土壤湿度传感器将采集的数据通过连接的导线直接发送到微控制器NodeMCU使用Wi-Fi模块接收数据并将其上传到Blynk服务器。在NodeMCU中上传程序编码后,可以使用任何设备访问数据,在这种情况下主要是具有互联网接入的智能手机。在我们的编码中,我们已经开发了一种算法来收集来自传感器的信息,并如算法1中那样传递到该系统的运作基础上开发的编码在微-controller. 使用Blynk移动应用程序将水泵设置为打开传感器读数将被检测并设置在编码中,以测量农场的周围环境和水泵的运行时间。根据Blynk应用程序,湿度、温度和湿度的读数将根据用户决定的单位显示农民将实时观察传感器的读数,并根据预定义的阈值,他将能够决定是否打开/关闭水泵。物联网服务器将从农民的智能手机或Blynk主页上的Blynk GUI接收命令,并将命令发送到微控制器,以使用应用程序打开/关闭水泵它将被发送到微控制器,以打开继电器。因此,水泵状态和传感器读数显示在应用程序上,以检查农场的周围环境或进行测试的位置。如果继电器通电,水泵将接通。然后,水流按计划从泵开始流向过滤器和灌溉系统旁边当用户按下GUI上的关闭按钮时,水泵将关闭。算法1. 物联网SIS SPWP监控算法4. 实验结果和验证SPWP-IoT-SIS系统已经设计和制造,如前一节所在本节中,系统的功能和R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212221;¼将对业绩进行测试和评估。我们在两种不同的环境中进行了实际实验,以评估多个标准,包括水质、流速、能耗和物联网系统功能。在这种情况下,我们已经成功地测试了开发的系统在场外和现场测试 场外测试于实验室及车间进行,而现场测试则于联合医务中试发酵场进行。在开始系统开发之前,进行了现场访问,以获得有关农场的信息我们的系统原型可以部署在农场,以检查其在实际环境中的适用性和兼容性。通过实地考察,我们了解到该农场的覆盖面积、灌溉施肥方式、种植数量、抽水系统类型和系统运行时间等信息。由于我们的系统由几个主要组件组成,包括太阳能电池板、直流电机、水泵、水过滤器、灌溉喷嘴和物联网系统组件,因此进行了几次测试。4.1. 实验装置测量并记录。直流水泵是根据农业生产的基本要求而设计的泵的功率由方程(1)获得。(1):泵消耗的功率W;P<$V×I( 1)其中V是直流电压,I是电流,P是水泵的功率如前所述,我们的SPWP附有多喷嘴以控制水流速度,并附有过滤器以净化灌溉用水。这些功能使我们的系统能够方便地覆盖更广泛的区域和不同的植物使用便携式泵。该系统可以使用六个喷嘴以不同的流速泵送水:锥形,四角,扇形,喷嘴,浸泡器和喷射器。每种喷嘴类型都有不同的水流速度,需要特定的功率。排出水,并测量其体积以根据Eq.(2),其中收集6L水,并估计收集水所花费的时间在现场测试阶段,拟议的SPWP-IoT-SIS系统被放置在UMP试点灌溉施肥农场,如图所示。 十一岁的流量Q 排水量为100升所用时间(二)马来西亚彭亨大学(甘榜地区)纬度为北纬3° 43023经度是东经103 °70 1 6。系统通电并通过Wi-Fi接入点连接到互联网直流水泵连接到太阳能电池板。在将泵的入口端口与吸入管连接后,进行预充太阳能水泵的进水口连接到灌溉施肥农场灌溉系统的水泵上。另一根软管连接到水泵出口的末端。之后,使用手机通过Blynk GUI打开太阳能水泵4.2. 水电费比较在第一步,我们专注于确定和比较太阳能电池板在不同水泵流量下的辐照度所产生的电力。该系统有两个太阳能电池板,每个电池板50瓦在现场测试和非现场系统测试中,对所提出的太阳能水泵性能进行了观察、测量和评估。测量了水泵消耗的电压、电流、功率和水泵的流速,本文从理论上分析了六种喷嘴的性能速率、电压和功率。收集数据并制成表格,以比较六种不同类型喷嘴的电压、功率、辐照度和流速,如表1所列。获得的电压测量结果在11.0V和11.8 V之间,而电流在6.8和7.3 A。功率大致在74.8 W和86 W之间电压、电流和功率读数的最高值和最低值之间的差异通常基于面板在每个喷嘴类型期间接收到的不同辐照度以及每个喷嘴的流速的影响从表中可以看出,与其他五种喷嘴相比,锥形喷嘴的电压和功率最高。锥形喷嘴的电压、电流和功率为11.8 V,7.3A和86.14W。 这些数据证明,太阳能电池板吸收更多的阳光辐照度,从而提供更多的电压,电流和功率比其他五个喷嘴。而对于喷射喷嘴,与其他喷嘴相比,电参数具有最低的读数。电压、电流和功率读数分别为11.0 V、6.8 A和74.8 W.这些数据证明,与其他五种太阳能电池板相比,太阳能电池板吸收的阳光较少,提供的电压、电流和功率也较少。见图11。 现场系统设置。R.M. Ramli,WA 乔巴物联网和网络物理系统2(2022)212222表1每个喷嘴的数据。类型的喷嘴辐照度电压电流功率水排放时间流速(W/m2)(五)(一)(瓦特)(升)(分钟)(升/分)锥929.811.87.386.1461.434.20Quad926.511.87.284.9661.454.14风扇91611.77.081.9061.504.00平坦909.611.47.180.9461.553.87Soaker897.311.36.876.8461.773.39射流810.711.06.874.8062.003.00喷嘴,如图所示清楚。12个。基于辐照度读数的增长数据的趋势,随着太阳辐照度的增加,太阳能电池板产生的功率将更高,并且将更多的功率供应给具有不同喷嘴的水泵图13描绘了由太阳能电池板供应到水泵的电力与不同喷嘴类型的水流速实验在下午13:00至17:00进行,这有更多的阳光。水泵的流速以L/min为单位测量。水泵的排放量通过在容器中收集6 L水的使用秒表记录随后填充容器所需的对其他五个喷嘴重复相同的操作,并考虑所有喷嘴的平均值如图所示,由于面板产生的最高电压11.8 V,锥形喷嘴的最大流速为4.20 L/min锥形喷嘴需要1.43分钟排出6升水。该气流速率指示太阳能电池板向锥形喷嘴供应更多的功率,使得锥形喷嘴具有最高的气流速率。然而,由于存在稍微不稳定的电压,导致喷嘴使用较少的功率,因此喷嘴在六个喷嘴中具有最小的整流率喷射喷嘴需要2.00分钟排出6L水。因此,喷嘴的流速为3.00 L/min。 从图中可以得出结论,供应给每种类型的喷嘴的功率越高,用于排出水的时间越少,并且可以实现越高的流速。第二高的溢流速率发生在浸泡器喷嘴,其需要1.45分钟来排出6L的水。因此,浸泡喷嘴的回流速率为4.14 L/min。浸泡喷嘴的回流速率非常接近锥形喷嘴。这些值证明了供应给锥形喷嘴和浸泡器喷嘴的功率锥形喷嘴和均热喷嘴供电稳定。4.3. IoT物联网SIS SPWP系统允许用户使用连接互联网的Blynk物联网平台已集成到移动灌溉应用中,开发的仪表板可用于监测和控制拟议的系统。Blynk应用程序允许用户监测土壤湿度,温度和湿度。它还可以随时随
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cpongm
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