彭漢瑩+王宇++韓改寧++張潔++李穎

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)得以突破。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為處理器，采用AT89S52芯片，使用步進(jìn)電機(jī)控制水流量，利用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行檢測(cè)并控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)，并對(duì)非正常情況做出報(bào)警提示。

關(guān)鍵詞：灌溉系統(tǒng)；單片機(jī)；溫濕度傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

世界各國(guó)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到水已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。中國(guó)水資源已處于相當(dāng)匱乏的狀態(tài)，并且全國(guó)大量的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)就直接排放造成了嚴(yán)重的水污染，少量的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標(biāo)準(zhǔn)。水是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時(shí)又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源。為了實(shí)現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，采用智能灌溉系統(tǒng)抽取地下水灌溉農(nóng)田，是我國(guó)目前物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

利用智能灌溉系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的灌溉模式得以突破和發(fā)展，是當(dāng)今世界供水、節(jié)水技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。智能灌溉系統(tǒng)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的比較廣泛，技術(shù)發(fā)展也相對(duì)成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國(guó)和加拿大等國(guó)家，先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)灌溉中，有效地提高了用水效率和生產(chǎn)。

2 智能灌溉系統(tǒng)的組成（Composition of intelligent

irrigation system）

本系統(tǒng)將分為四大模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊（SHT10溫濕度傳感器）

本系統(tǒng)所采用的溫濕度傳感器是由瑞士Sensirion公司推出的SHT10單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。該傳感器具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和極高的可靠性，是由于該公司采用CMOS過(guò)程微加工專(zhuān)利技術(shù)（CMOSenstechnology）[1]。該傳感器是由一個(gè)能隙式測(cè)溫元件和一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件，同時(shí)與一個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)2-wire數(shù)字接口在單芯片中無(wú)縫結(jié)合，使得該產(chǎn)品具有抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)快、功耗較低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）電機(jī)控制模塊（控制水閥及營(yíng)養(yǎng)液輸送）

當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度不在規(guī)定到的范圍中時(shí)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)來(lái)調(diào)控溫濕度。用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制濕度，通常情況下，步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3%到5%，同時(shí)不累積。根據(jù)電機(jī)負(fù)載及大小情況而定，大電機(jī)的起步速度一般對(duì)應(yīng)較低。用直流電機(jī)來(lái)控制溫度，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)，只有數(shù)字輸入脈沖可以確定電機(jī)的響應(yīng)。直流電機(jī)有很好的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，所以可靠性比較高，從而電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命[2]，由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊（LCD顯示溫度和濕度）

將采集到的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶屏幕上，該1602液晶顯示屏也叫1602字符型液晶顯示屏，這是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示符號(hào)、數(shù)字、字母等的點(diǎn)陣型液晶模塊。該液晶屏是由多個(gè)5×7或5×11的點(diǎn)陣字符位組成，一個(gè)點(diǎn)陣字符位可以顯示一個(gè)字符，每位之間都有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，行與行之間也有間隔，起到了行間距及字符間距的作用，但是它顯示圖形的效果不佳。

（4）LED燈和報(bào)警喇叭

當(dāng)溫度和濕度超過(guò)管理員設(shè)置的溫度與濕度，LED燈會(huì)亮，同時(shí)報(bào)警器也會(huì)報(bào)警。當(dāng)溫度低于所設(shè)范圍時(shí)，D1亮并喇叭報(bào)警；當(dāng)溫度高于所設(shè)范圍時(shí)，D2亮并喇叭報(bào)警；當(dāng)濕度低于所設(shè)范圍時(shí)，D3亮并喇叭報(bào)警；當(dāng)濕度高于所設(shè)范圍時(shí)，D4亮并喇叭報(bào)警。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) （Hardware system design）

基于單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)的電路包含幾類(lèi)：傳感器數(shù)據(jù)采集電路、報(bào)警電路。硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1 元器件的選擇

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，考慮性價(jià)比的前提下，在本次設(shè)計(jì)中選擇的元件型號(hào)為：

（1）核心芯片：AT89S52單片機(jī)

AT89S52單片機(jī)是一種功耗低高性能的CMOS8位微控制器，內(nèi)置8kB可在線編程閃存。工作電源范圍：4.0—5.5V，有三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32條可編程I/O線，8個(gè)中斷源，以及靈活的在線編程[3]。如圖2所示。

（2）直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)

直流點(diǎn)電機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小就可以調(diào)速，比較方便；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)脈沖數(shù)來(lái)控制其前進(jìn)的步數(shù)，步進(jìn)電機(jī)控制更加穩(wěn)定。如圖3所示。

（3）LCD液晶：LCD1602

該液晶屏主要是用于顯示溫度和濕度的數(shù)值，因此從性價(jià)比上考慮，選擇了LCD1602字符式顯示器，該顯示器的顯示容量是16×2個(gè)字符，帶I2C模塊LCD1602連接到核心芯片AT89S52單片機(jī)[3]。顯示電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

（4）溫濕度傳感器：SHT10傳感器為測(cè)量模塊，如圖5所示。

（5）報(bào)警系統(tǒng)：LED燈和報(bào)警喇叭，如圖6所示。

當(dāng)溫度和濕度超過(guò)管理員設(shè)置的溫度與濕度，LED燈會(huì)亮，同時(shí)報(bào)警器也會(huì)報(bào)警。

3.2 硬件電路原理圖

采用AT89S52單片機(jī)作為核心芯片，運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)控制溫濕度傳感器，通過(guò)LED燈和報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，溫濕度是由管理人員根據(jù)植物的生長(zhǎng)環(huán)境手動(dòng)設(shè)置，在LCD顯示屏上顯示當(dāng)前環(huán)境下的溫度和濕度。如圖7所示。

4 智能灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（Intelligent irrigation

system software design）

本系統(tǒng)的控制元件較多，程序代碼較多，所以對(duì)SHT10和LCD1602的控制程序使用封裝好的庫(kù)文件。因此，采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，以C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的控制程序，按模塊儲(chǔ)存在AT89S52芯片內(nèi)，無(wú)需單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，減低了成本，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

該軟件系統(tǒng)流程，如圖8所示。

測(cè)量溫濕度函數(shù)

chars_measure（unsigned char *p_value， unsigned char *p_checksum， unsigned char mode）

{

unsignedfalse=0；

unsignedintx；

s_transstart（）； //啟動(dòng)傳輸函數(shù)

switch（mode）

{ //發(fā)送命令到傳感器

case0：false+=s_write_byte（MEASURE_TEMP）； break；

case1：false+=s_write_byte（MEASURE_HUMI）； break；

default ： break；

}

for （x=0；x<65535；x++） if（DATA==0） break； //直到測(cè)量溫度濕度完畢

if（DATA） false+=1； //判斷是否在測(cè)量過(guò)程中發(fā)送錯(cuò)誤

*（p_value）=s_read_byte（ACK）；

*（p_value+1）=s_read_byte（ACK）；

*p_checksum=s_read_byte（noACK）； //讀取校驗(yàn)碼

return false； //返回錯(cuò)誤標(biāo)志

}

定時(shí)器中斷函數(shù)：控制馬達(dá)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

void timer1（void） interrupt 3 //T1溢出中斷

{

static unsigned char count2； //

if（flag2==1）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMZ2=1；

else

PWMZ2=0；

}

if（flag2==0）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMF2=1；

else

PWMF2=0；

}

count2++；

if（count2==CYCLE2）

{

count2=0；

}}

5 軟硬件測(cè)試（Hardware and software testing）

將軟件應(yīng)用程序下載到硬件電路中，在proteus和keilc聯(lián)合測(cè)試如圖9所示。

x6 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)目前世界各國(guó)越水資源相當(dāng)緊缺的問(wèn)題，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)，采用AT89S52芯片作為該系統(tǒng)的核心芯片，使用步進(jìn)電機(jī)控制水流量，利用溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，與理想數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行檢測(cè)并控制。設(shè)計(jì)了面向農(nóng)業(yè)應(yīng)用的智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其他需要灌溉的服務(wù)行業(yè)。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 林惠貞.分布式機(jī)房溫濕度集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].汕頭大學(xué)，2011.

[2] 黃俊，翁惠輝.基于單片機(jī)技術(shù)的汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2012，09（1）：124-126.

[3] 韓改寧，韓麗娜，張清文.基于Arduino開(kāi)發(fā)平臺(tái)的學(xué)生宿舍門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（9）：64-68.

[4] 婁國(guó)強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)研制[D].山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.

[5] 畢慶生，等.面向智能灌溉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014（5）：40-43.

作者簡(jiǎn)介：

彭漢瑩（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

王 宇（1996-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

韓改寧（1977-），博士生，副教授.研究領(lǐng)域：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式

系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā).本文通訊作者.

張 潔（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

李 穎（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.