基于Arduino和Qt的農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)

李攀攀　辛艷粉　劉秀珍　蒿鵬飛

摘要：為了給農(nóng)作物營造更好的生長環(huán)境，精確的掌握農(nóng)作物生長情況以及環(huán)境的情況很有必要。本文設(shè)計(jì)了基于Arduino UNO微控制器的農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型，且上位機(jī)使用Qt軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。本設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)時(shí)顯示和掌握農(nóng)作物的土壤濕度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等信息，還可以通過相關(guān)信息對實(shí)時(shí)環(huán)境做出相應(yīng)的改善或保持，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：Arduino UNO；農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)；Qt軟件

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，各個(gè)產(chǎn)業(yè)面向自動化。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化，有利于較少人力物力，且通過自動化裝置精確的掌握農(nóng)作物生長情況以及環(huán)境的情況，可為農(nóng)作物營造更好的生長環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)[1]。另外水資源日益緊缺已經(jīng)成為全球性的問題，大力發(fā)展節(jié)約用水不僅是革命措施，也是我國基本策略之一。農(nóng)業(yè)用水占據(jù)我國總用水的70%，農(nóng)業(yè)灌溉效率低下和用水浪費(fèi)的問題普遍存在。因此本設(shè)計(jì)研究農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型有一定的必要性。

本設(shè)計(jì)以Arduino UNO微控制器為核心，采用流行的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。在軟件程序設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)功能，采用Qt語言[2]進(jìn)行編寫。軟件根據(jù)功能劃分為若干獨(dú)立易解決的模塊，主要有如下程序模塊組成：Arduino UNO溫度采集、步進(jìn)電機(jī)控制、繼電器控制等。主要完成對土壤濕度控制，監(jiān)控溫度、環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等參數(shù)，并控制水泵進(jìn)行滴灌補(bǔ)水作業(yè)，控制通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)操作，控制天窗的開啟等。

1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

如圖1為系統(tǒng)總框圖，系統(tǒng)由5個(gè)模塊與1個(gè)微控制器組成，分別是：溫濕度傳感器模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、光照控制模塊、水泵模塊、藍(lán)牙HC05模塊、Arduino UNO微控制器。微處理器是Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，通過對外部環(huán)境的探測和記錄測量，控制照明和電機(jī)以及其他的裝置來反饋、起到影響環(huán)境改善環(huán)境的作用。通過土壤濕度傳感器，室內(nèi)溫度傳感器，光照傳感器實(shí)時(shí)測量各種數(shù)據(jù)[3]，利用步進(jìn)電機(jī)，水泵，燈泡來改善相應(yīng)的環(huán)境溫度。

1.1 溫濕傳感器模塊

溫濕度傳感模塊采用的是奧松公司的DHT11傳感器[4]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，將數(shù)據(jù)處理后輸出。具備溫度050℃（±2℃），濕度2090%RH（±5%RH）的測量范圍，參數(shù)滿足本設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量可靠，價(jià)格低廉，易于購買，具備極高的性價(jià)比。

土壤濕度檢測采用常用的電阻探針法，因其穩(wěn)定可靠，成本低廉，易于布置。

1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊采用的是WLAN無線帶錄像式，因其性能穩(wěn)定，便于組網(wǎng)且自帶存儲介質(zhì)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)錄像。

1.3 光照控制模塊

本次設(shè)計(jì)采用德國海曼公司的VT90N1型光敏電阻作為傳感器，因其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠且安裝簡單方便。

1.4 水泵模塊

本設(shè)計(jì)采用DC直流無刷水泵，因其采用無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，且陶瓷軸承壽命長，噪音小，自帶過濾器，可預(yù)先過濾水池中雜質(zhì)。

1.5 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用匯承公司的HC05藍(lán)牙串行模塊，該模塊基于UART通訊，可快速與移動設(shè)備建立連接，使從機(jī)與主機(jī)進(jìn)行無線通訊，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

1.6 微控制器

Arduino作為新興的硬件核心平臺，擁有更快的運(yùn)行速度，更低的功耗，以及豐富的片上外設(shè)資源，更可以方便地進(jìn)行近乎無縫對接的跨平臺代碼移植，價(jià)格稍高于51單片機(jī)但并不昂貴，性價(jià)比很高，完全滿足本次設(shè)計(jì)需求。因此本設(shè)計(jì)采用的Arduino UNO，處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕[5]。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）電源管理電路，主電源向單片機(jī)控制核心與周邊傳感器提供工作電源，同時(shí)接收單片機(jī)的控制信號，控制通風(fēng)風(fēng)扇、灌溉水泵、加溫設(shè)施與天窗。

（2）WLAN攝像頭，采集控制區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)圖像，并可多臺組網(wǎng)，支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)錄像與播放，方便值班人員進(jìn)行遠(yuǎn)程檢查。

（3）傳感器模塊，包括DHT11溫濕度傳感器，VT90N1光敏電阻、土壤濕度探針。

（4）HC05模塊，負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行無線UART通訊。

（5）天窗控制模塊，由STC單片機(jī)與控制核心通訊，并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，帶動天窗進(jìn)行開關(guān)操作。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

如圖3位系統(tǒng)軟件流程圖。先對傳感器是否正常進(jìn)行判斷，若傳感器數(shù)據(jù)采集傳遞正常，則將讀取的數(shù)據(jù)，回傳至PC機(jī)或手機(jī)客戶端，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過數(shù)據(jù)的處理和調(diào)整，PC機(jī)或手機(jī)客戶端發(fā)出控制指令，從而控制下位機(jī)通風(fēng)機(jī)，水泵，天窗及照明加熱等裝置，來影響改變下位機(jī)之前的環(huán)境，最后數(shù)據(jù)進(jìn)行再次檢測并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳回PC機(jī)。

4 系統(tǒng)的調(diào)試

如圖4所示為系統(tǒng)的整體實(shí)物模型圖，是對現(xiàn)實(shí)情況的種植環(huán)境進(jìn)行模擬，圖5為Qt編寫的上位機(jī)界面圖。圖6為相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。兩者之間根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的協(xié)議通過藍(lán)牙HC05模塊和電腦進(jìn)行通訊。在PC端插上藍(lán)牙接收器，打開上位機(jī)界面，在其中設(shè)置好端口并連接，即可與圖3所示下位機(jī)Arduino UNO微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。利用溫濕度傳感器模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、光照控制模塊對環(huán)境內(nèi)每隔1.5s采集一下環(huán)境溫度，光照，土壤濕度，光照強(qiáng)度并回傳至上位機(jī)，在相應(yīng)位置顯示數(shù)據(jù)。并可以根據(jù)圖6中預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值對環(huán)境作出相應(yīng)的干預(yù)，也可以根據(jù)實(shí)際情況直接在自己的手機(jī)上通過藍(lán)牙串口與下位機(jī)通訊，對相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修改或直接對環(huán)境進(jìn)行人為干預(yù)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用Arduino UNO微控制器作為主控系統(tǒng)，并結(jié)合Qt應(yīng)用程序設(shè)計(jì)了一套農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型。通過人機(jī)交互界面，對環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和控制。通過本套系統(tǒng)，可以為智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和解決方案，具有一定的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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