基于單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計

孟 珩

（泰山科技學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

溫室作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其在蔬菜作物培育、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮了重要作用。據(jù)統(tǒng)計，截止到2020年我國溫室總面積達(dá)到187.3萬hm2，在我國水資源匱乏且分布不均的背景下，傳統(tǒng)的溫室灌溉方式還在采用人工監(jiān)測旱情，并以“大水漫灌”的方式進(jìn)行，主要缺陷：（1）水資源利用不充分，作物培育方式不合理；（2）多以人工方式進(jìn)行，增加了生產(chǎn)成本。因此，研發(fā)溫室自動灌溉系統(tǒng)就顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)專家學(xué)者對溫室灌溉系統(tǒng)的研究取得了較多成果。李雅靜等[1]以西門子S7-200PLC作為控制器，采用水位節(jié)點控制的方法，對溫室作物進(jìn)行智能化灌溉。劉斌等[2]設(shè)計了基于Smith預(yù)估器的溫室灌溉模糊控制策略，有效提高了灌溉系統(tǒng)的控制精度和實用性。盛強(qiáng)針對溫室花卉對生長環(huán)境的需求，設(shè)計基于Modbus-RTU通信的灌溉控制系統(tǒng)，以輪詢方式對溫室環(huán)境因子進(jìn)行采集，并上傳至MCGS觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控，通過變頻器實現(xiàn)對花卉的按需灌溉，以達(dá)到精細(xì)化管理的目的[3]。王蕾等采用STM32單片機(jī)作為控制器，通過WIFI無線傳輸?shù)姆绞?，對溫室?nèi)部信息進(jìn)行全方位監(jiān)測，實現(xiàn)對其的合理化灌溉[4]。薛巖等以溫室黃瓜種植為例，分析該作物在不同氣象條件、不同生長階段下的需水模型，設(shè)計了精細(xì)化灌溉控制的策略[5]。杜佳豪等針對溫室節(jié)水灌溉需求，設(shè)計了基于ZigBee的溫室灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制過程中數(shù)據(jù)的無線采集、發(fā)送，有效對溫室作物進(jìn)行了灌溉[6]。主要設(shè)計基于51單片機(jī)的溫室自動灌溉系統(tǒng)，其主要研究內(nèi)容如下：

（1）對溫室灌溉系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和整體系統(tǒng)設(shè)計，確定每個功能子模塊。

（2）對元器件進(jìn)行選型，完成該控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，并采用模塊化編程，對各個模塊子程序進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)土壤墑情監(jiān)測及自動灌溉。

（3）設(shè)計基于Labview的上位機(jī)界面，實現(xiàn)溫室土壤濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測及灌溉控制。

1 溫室灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

（1）溫室環(huán)境存在時空差異性，溫室不同區(qū)域的土壤濕度存在差異，中部土壤濕度較小，靠近棚架兩側(cè)的區(qū)域，因受棚外水分滲透及棚膜上水滴的流淌，濕度較大，要求對溫室分區(qū)域進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測。

（2）對該溫室作物的灌溉，可實現(xiàn)棚外遠(yuǎn)距離操作，設(shè)計上位機(jī)界面，可遠(yuǎn)端監(jiān)控土壤墑情，及手動和自動控制溫室灌溉。

1.2 溫室灌溉系統(tǒng)整體設(shè)計框架

根據(jù)設(shè)計過程中溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、應(yīng)用的需求，在符合可擴(kuò)展、可靠實用及科學(xué)性等多項原則下，將溫室灌溉控制系統(tǒng)分為物理感知層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用管理層，其中在物理感知層針對棚架左側(cè)、中央、右側(cè)3個點布設(shè)了3個傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 溫室灌溉系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 溫室灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)溫室灌溉系統(tǒng)的需求和設(shè)計原則，采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，連接多個四線制土壤濕度計監(jiān)測模塊完成分區(qū)域數(shù)據(jù)采集，通過串口與PC端進(jìn)行通信，整個硬件電路分為了單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器采集模塊電路、串口通信模塊電路、電源模塊電路、繼電器控制電路、報警電路及按鍵電路等，整體硬件電路框架如圖2所示。

圖2 溫室灌溉系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位電路及時鐘電路組成，設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，該型號單片機(jī)采用5 V直流電進(jìn)行供電，時鐘電路在XTAL1和XTAL2兩個引腳間跨接了一個11.0592 MHz的晶振，連接兩個22pF電容，使振蕩器起振并對其頻率進(jìn)行微調(diào)。復(fù)位電路采用手動及上電自動復(fù)位結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計，電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.2 電源模塊電路

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求設(shè)計可靠的電源模塊電路對系統(tǒng)進(jìn)行供電。該溫室灌溉系統(tǒng)控制器、四線制土壤濕度計監(jiān)測模塊所需供電電源均為5 V，該電路采用7805DC-DC穩(wěn)壓芯片對12 V電源進(jìn)行降壓，設(shè)計電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

2.3 土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊電路

本設(shè)計選用四線制土壤濕度傳感器模塊，該模塊采用3.3～5 V供電，將該模塊埋入土壤后，土壤濕度越大，其AO端輸出電壓越大，模擬量AO端與ADC0832引腳相連，通過AD轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)可以控制AD模塊，并結(jié)合輸出電壓與實際濕度值存在的一次函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終得到被測的土壤濕度值。系統(tǒng)設(shè)計中依據(jù)數(shù)值采集需求布設(shè)了三個濕度傳感器，其單個傳感器的電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊電路

2.4 報警及繼電器控制電路

該控制系統(tǒng)設(shè)置土壤濕度監(jiān)測報警裝置，當(dāng)溫室內(nèi)土壤濕度低于設(shè)定限值時，該報警電路動作，同時進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控，設(shè)計電路如圖6所示。該溫室土壤灌溉系統(tǒng)的設(shè)備有噴灌、滴管等裝置，單片機(jī)不能對其進(jìn)行直接驅(qū)動，需要設(shè)計驅(qū)動電路間接進(jìn)行調(diào)控，以噴灌裝置為例，單片機(jī)通過控制繼電器間接實現(xiàn)對噴灌裝置的控制，設(shè)計電路如圖7所示。

圖6 報警模塊電路

圖7 繼電器控制模塊電路

2.5 串口通信模塊電路

該控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的可靠通信，設(shè)計采用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。電腦端的串行接口9芯串口線與單片機(jī)電路中設(shè)計的9針插座相連，如圖8所示。

圖8 串口通信模塊電路

3 溫室灌溉系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

在該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制特點及需求分析，采用模塊化編程的思路對軟件程序進(jìn)行了設(shè)計。系統(tǒng)上電后，設(shè)備完成初始化，3路土壤濕度傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并完成A/D轉(zhuǎn)換。程序執(zhí)行過程中，設(shè)備還要進(jìn)行按鍵檢測，判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入設(shè)置模式，進(jìn)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)定時進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，且3路傳感器所采集數(shù)據(jù)會與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，弱不符合作物生長要求，上位機(jī)下達(dá)自動控制指令，下位機(jī)在收到指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，完成相應(yīng)調(diào)控動作，其主程序流程圖，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

本裝置上位機(jī)界面的設(shè)計選用了NI公司開發(fā)的Labview軟件，該軟件采用圖形化語言進(jìn)行程序設(shè)計，所用指令清晰且更容易理解，整個開發(fā)周期較短。上位機(jī)和下位機(jī)通過串口進(jìn)行通信，通過運(yùn)行界面設(shè)置串口號、波特率，當(dāng)上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送字符C時，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，上位機(jī)不斷讀取采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)土壤濕度控制提供判斷依據(jù)，如圖10所示。

圖10 串口讀取程序設(shè)計

4 系統(tǒng)調(diào)試

在完成硬件和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，下位機(jī)硬件電路工作正常，可以進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集，并通過Labview上位機(jī)界面進(jìn)行顯示，根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷是否進(jìn)行土壤灌溉。

首先將串口號和波特率分別設(shè)置成COM3串口和9600 bps，點擊系統(tǒng)運(yùn)行按鍵后，裝置啟動。按照程序設(shè)置的上傳周期進(jìn)行土壤的濕度值上傳，并與系統(tǒng)功能驗證中設(shè)置的土壤適宜濕度值50%進(jìn)行比較，若不符合設(shè)置值，系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)構(gòu)可觸發(fā)相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。該裝置分別在棚架兩側(cè)和溫室中央設(shè)置了三個土壤濕度傳感器，當(dāng)前運(yùn)行界面3個監(jiān)測點分別顯示的濕度值為56.1%、52.3%、31.7%，可以看出3#濕度傳感器采集到的溫室中部土壤濕度值小于作物需要的適宜濕度值，滴灌設(shè)備啟動進(jìn)行適度調(diào)節(jié)，可以觀察到當(dāng)前滴灌設(shè)備運(yùn)行指示燈點亮，表明調(diào)控設(shè)備處于工作狀態(tài)。如圖11所示。

圖11 監(jiān)控畫面

5 結(jié)語

設(shè)計的基于51單片機(jī)的溫室土壤灌溉系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計需求分析，從棚架左側(cè)、右側(cè)、中央三部分各選擇了一個采集點，并進(jìn)行土壤溫濕度傳感器的埋設(shè)，進(jìn)行分區(qū)域數(shù)據(jù)采集，將采集值與程序設(shè)計中的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，通過Labview上位機(jī)來自動判斷是否啟動噴灌或滴灌設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，對溫室土壤濕度的自動控制起到了一定作用。