智能灌溉系統利用物聯網技術實現自動化澆水，通過土壤傳感器監測濕度，結合 ESP8266 模塊進行數據處理和無線通信，從而提高農業效率、減少水資源浪費。本系統開發基於常見硬件（如 NodeMCU 開發板）和軟件（Arduino IDE），部署簡單，適用於小型農田或温室。下面我將逐步解釋開發與部署過程，確保內容真實可靠。

1. 系統概述

智能灌溉系統的核心是實時監測土壤濕度，並根據預設閾值自動控制水泵。系統工作流程如下：

  • 土壤傳感器採集濕度數據。
  • ESP8266 讀取數據，通過 Wi-Fi 上傳或本地處理。
  • 如果濕度低於閾值 $T$（例如 $T = 30%$），則觸發繼電器啓動水泵灌溉。
  • 系統可擴展遠程監控（如通過手機APP）。

關鍵公式：

  • 土壤濕度計算：傳感器輸出為模擬電壓值，需轉換為百分比濕度。假設傳感器輸出範圍對應 ADC 值（0-1023），濕度 $h$ 可表示為：
    $$ h = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 100% $$
    其中 $ADC_{value}$ 是模擬到數字轉換值，需校準（如通過實測調整係數）。
  • 控制決策：當 $h < T$ 時，系統激活水泵；否則關閉。閾值 $T$ 可基於作物類型設置。
2. 硬件準備

所需組件（常見且低成本）：

  • ESP8266 開發板：如 NodeMCU，提供 Wi-Fi 連接和微控制器功能。
  • 土壤濕度傳感器：如 FC-28 或類似模塊，輸出模擬信號。
  • 繼電器模塊：用於控制水泵電源（高電壓隔離）。
  • 水泵：小型直流潛水泵（12V）。
  • 電源：適配器或電池（為 ESP8266 和水泵供電）。
  • 其他：杜邦線、麪包板（用於測試）、防水外殼（部署用）。

連接方式：

  • 土壤傳感器：VCC 接 3.3V，GND 接 GND，信號線接 ESP8266 的模擬輸入引腳（如 A0）。
  • 繼電器：IN 引腳接 ESP8266 數字輸出引腳（如 D1），COM 和 NO 接水泵電源。
  • ESP8266：通過 USB 連接電腦編程，部署時用外部電源。
3. 軟件開發（使用 Arduino IDE）

開發環境設置：

  1. 安裝 Arduino IDE（從官網下載）。
  2. 添加 ESP8266 支持：在 IDE 中，通過“文件”>“首選項”添加開發板管理器 URL，然後安裝“esp8266”包。
  3. 選擇開發板：工具 > 開發板 > NodeMCU 1.0。

代碼編寫：實現讀取傳感器、計算濕度、控制決策。以下是一個基礎示例代碼（基於 C++），包括註釋説明。

#include <ESP8266WiFi.h> // 引入 ESP8266 Wi-Fi 庫

// 定義引腳
const int sensorPin = A0;    // 土壤傳感器接 A0
const int relayPin = D1;     // 繼電器接 D1
const float threshold = 30.0; // 濕度閾值 T = 30%

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // 初始化串口通信
  pinMode(relayPin, OUTPUT); // 設置繼電器引腳為輸出
  digitalWrite(relayPin, LOW); // 初始關閉水泵
  WiFi.begin("your_SSID", "your_password"); // 連接 Wi-Fi（可選，用於遠程監控）
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.println("Connecting to WiFi...");
  }
  Serial.println("Connected!");
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(sensorPin); // 讀取傳感器 ADC 值
  float humidity = (sensorValue / 1023.0) * 100.0; // 計算濕度 h，公式： h = (ADC_value / 1023) * 100%
  
  Serial.print("Humidity: ");
  Serial.print(humidity);
  Serial.println("%");

  // 控制邏輯：如果 h < T，啓動水泵；否則關閉
  if (humidity < threshold) {
    digitalWrite(relayPin, HIGH); // 打開繼電器，水泵啓動
    Serial.println("Pump ON - Irrigating");
  } else {
    digitalWrite(relayPin, LOW); // 關閉繼電器，水泵停止
    Serial.println("Pump OFF");
  }
  
  delay(5000); // 每 5 秒檢測一次
}

代碼解釋：

  • setup() 函數初始化引腳和 Wi-Fi（如果添加遠程功能）。
  • loop() 函數循環讀取傳感器值，計算濕度 $h$，並與閾值 $T$ 比較。
  • 公式 $h = \frac{ADC_{value}}{1023} \times 100%$ 直接嵌入代碼，實際中需校準：例如，如果傳感器輸出非線性，可添加校準方程如 $h = m \times ADC_{value} + c$，其中 $m$ 和 $c$ 通過實驗確定。
  • 控制決策使用簡單 if 語句：當 $h < T$ 時，輸出高電平觸發繼電器。
4. 系統部署

部署步驟：

  1. 測試階段：
  • 在室內連接所有組件，上傳代碼到 ESP8266。
  • 使用串口監視器（Arduino IDE 中）查看濕度值和泵狀態。
  • 校準傳感器：將傳感器插入乾燥和濕潤土壤，記錄 ADC 值，調整公式係數。例如，如果實測濕度 0% 對應 ADC=200，100% 對應 ADC=800，則公式改為 $$ h = \frac{ADC_{value} - 200}{800 - 200} \times 100% $$。
  1. 田間安裝：
  • 將傳感器埋入土壤（深度約 5-10cm，根據作物根部）。
  • ESP8266 和繼電器放入防水盒，固定在支架上。
  • 水泵連接水源（如水桶或管道），確保電源穩定。
  • 測試 Wi-Fi 信號：如果添加遠程監控，使用 ESP8266 的 Wi-Fi 客户端發送數據到雲平台（如 ThingSpeak 或 Blynk）。
  1. 優化與維護：
  • 電源管理：添加太陽能板或電池延長工作時間。
  • 遠程監控：擴展代碼，使用 MQTT 協議上傳數據到手機 APP，實時查看濕度和控制狀態。
  • 安全保護：在代碼中添加超時邏輯（如水泵最多運行 10 分鐘），防止過灌溉。
  • 維護：定期檢查傳感器清潔和校準，避免泥土堵塞。
5. 注意事項
  • 成本與可靠性：總成本約 100-200 元，組件易購於電商平台。確保使用防水傳感器和外殼，提高户外耐久性。
  • 擴展性：可集成更多傳感器（如温度、光照），或添加機器學習算法優化閾值 $T$（例如，基於歷史數據動態調整）。
  • 常見問題：
  • 傳感器誤差：定期校準，使用平均值濾波（在代碼中取多次讀數平均）。
  • Wi-Fi 斷連：添加重連邏輯，或使用本地存儲（如 SD 卡）緩存數據。
  • 功耗：ESP8266 進入深度睡眠模式（添加 ESP.deepSleep() 函數），減少能耗。