肖 麗

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，河南 鄭州 450002）

隨著科技的進(jìn)步、人們對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)重視度及人們生活水平的提高，越來越多的反季節(jié)水果蔬菜出現(xiàn)在人們的生活中。大棚的數(shù)量也越來越多，因此，溫室大棚內(nèi)環(huán)境的控制便成為一個(gè)非常重要的研究課題［1］。傳統(tǒng)的溫室大棚控制措施存在一些問題，已經(jīng)難以滿足人們的要求，如溫室灌溉技術(shù)落后、智能化程度低和農(nóng)作物生長吸水效率低等。近年來，我國許多學(xué)者開展了溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究，取得了一些成果。例如，潘榮敏等［2］綜合利用傳感器技術(shù)、MESH自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線互聯(lián)網(wǎng)等嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能灌溉系統(tǒng)。陳曉燕等［3］基于LabVIEW軟件和Zig Bee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。劉俊巖等［4］設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能供電，具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。梁月云等［5］根據(jù)溫室環(huán)境復(fù)雜且很難建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。部分灌溉管理系統(tǒng)研究成果已經(jīng)在一些規(guī)?；麍@和溫室中得以應(yīng)用，但存在傳感器節(jié)點(diǎn)多、線路復(fù)雜、成本高、環(huán)境適應(yīng)能力差等問題，導(dǎo)致自動(dòng)灌溉的研究成果沒有得到大范圍應(yīng)用。

本文將單片機(jī)引入溫室大棚控制系統(tǒng)中，選用AT89C51單片機(jī)作為溫室大棚控制系統(tǒng)的核心模塊，外接濕度信號(hào)采集模塊、人機(jī)交互模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊及通訊接口模塊，設(shè)計(jì)一種溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)溫室的實(shí)際情況及系統(tǒng)的技術(shù)要求，采用AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心，以構(gòu)成溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，系統(tǒng)通過信息采集模塊獲取土壤濕度信息，送至中央處理模塊進(jìn)行處理，由中央處理模塊給出灌溉控制信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器收到此灌溉控制信息后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為水泵的通斷來實(shí)現(xiàn)智能灌溉，以達(dá)到準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分的目的，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心［6-7］。單片機(jī)可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量通過芯片ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而控制繼電器的通斷，繼電器控制水泵的啟停，從而實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的功能需求，其硬件電路分為四大功能模塊：信號(hào)采集模塊、人機(jī)交互模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊和通訊接口模塊。各個(gè)模塊共同構(gòu)成一個(gè)具有適時(shí)適量灌溉功能的智能全自動(dòng)溫室灌溉系統(tǒng)。

2.1 信號(hào)采集模塊

濕度信號(hào)采集是溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要負(fù)責(zé)采集大棚的環(huán)境溫度和土壤濕度信息。獲取的信息越精確，越有利于提高智能灌溉系統(tǒng)的功能，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)溫室灌溉的重要前提。本設(shè)計(jì)采用土壤濕度傳感器檢測土壤的含水率，并將此信息傳送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算和處理來進(jìn)行判斷是否需要灌溉，從而達(dá)到智能灌溉的目的。

本系統(tǒng)選用YL-69濕度傳感器，選用LM393作為電壓比較器，ADC0832作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。濕度采集模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

模擬信號(hào)的輸出通道1直接與芯片ADC0832的CH1端子相連接，通過AD轉(zhuǎn)換模塊得到土壤濕度的數(shù)字量。并傳送給芯片ADC0832進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換進(jìn)而得出濕度值，然后再送給單片機(jī)的P2.1口進(jìn)行運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)智能灌溉。

圖2 濕度采集模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)主要是便于操作溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，主要由三部分組成，即鍵盤、LCD顯示和報(bào)警電路。設(shè)計(jì)鍵盤是為了設(shè)置溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的重要參數(shù)，如土壤濕度的閾值、灌溉時(shí)間等。設(shè)計(jì)LCD顯示可以讓用戶直觀地觀察到當(dāng)前的土壤濕度以及用戶所設(shè)置的土壤濕度閾值，還可以用來顯示灌溉時(shí)間和灌溉流量。報(bào)警電路用來報(bào)警，當(dāng)土壤濕度低于閾值時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出響聲，提醒用戶即將進(jìn)行灌溉。

液晶顯示器選用1602-LCD型號(hào)。顯示器的RS、RW、E管腳連接單片機(jī)的P2.7、P2.6、P2.5端口。第2引腳連接一個(gè)10 K的電位器，用來調(diào)節(jié)屏幕的對(duì)比度。D0～D7引腳連接單片機(jī)的P0.0～P0.7口，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與顯示器的數(shù)據(jù)線之間接著上拉電阻，阻值為10 K。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P0口沒有自帶上拉電阻，需要外接。上拉電阻可以將輸出電平拉高，以拉高輸出信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾能力。另外，還能起到限流的作用，防止液晶顯示器被燒壞。LCD顯示模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 LCD顯示模塊電路設(shè)計(jì)

為了安全起見，本系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警電路，選用聲光報(bào)警電路。當(dāng)溫室內(nèi)土壤濕度低于用戶預(yù)設(shè)值的下限時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出響聲同時(shí)繼電器通電線圈吸合，開啟水泵進(jìn)行灌溉。當(dāng)土壤濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值的上限時(shí)，繼電器斷電，關(guān)閉水泵停止灌溉，報(bào)警器同樣會(huì)發(fā)出響聲。當(dāng)溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如果需要灌溉時(shí)水泵并沒有處于工作狀態(tài)或者土壤濕度達(dá)到要求時(shí)仍在灌溉等，報(bào)警器將會(huì)一直發(fā)出警報(bào)，這時(shí)需要人工手動(dòng)關(guān)閉。報(bào)警器的作用是用來引起人們的注意，避免事故的發(fā)生。報(bào)警電路的蜂鳴器選用的是無源蜂鳴器。

2.3 控制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

水泵是溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，通過控制水泵的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)水果、蔬菜的自動(dòng)澆灌。當(dāng)土壤傳感器測量的土壤濕度低于濕度預(yù)設(shè)值的下限時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給控制驅(qū)動(dòng)模塊，使電磁繼電器帶電吸合線圈，進(jìn)而開啟水泵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉任務(wù)。

當(dāng)土壤濕度傳感器測到的土壤濕度值低于預(yù)設(shè)值的最低值時(shí)，單片機(jī)的P2.3口會(huì)變?yōu)榈碗娖?，三極管導(dǎo)通，使得電磁繼電器帶電吸合線圈開啟水泵進(jìn)行澆灌。由單片機(jī)輸出的信號(hào)都很微弱，所以選用三極管進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，通過繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管是為了保護(hù)三極管，防止三極管被擊穿。發(fā)光二極管是用來顯示水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)水泵工作時(shí)，他就會(huì)發(fā)光，是用戶直觀看出水泵當(dāng)前的工作狀態(tài)?？刂乞?qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

圖4 控制驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2.4 通訊接口模塊設(shè)計(jì)

溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的通訊接口模塊采用的是典型的USB接口，在PC機(jī)上編寫程序，下位機(jī)可以通過USB接口從上位機(jī)中下載程序，也可以通過USB接口數(shù)據(jù)線將上位機(jī)與下位機(jī)相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)與下位機(jī)之間的通訊。用戶可以通過人機(jī)交互模塊按照實(shí)際情況設(shè)定土壤濕度的預(yù)設(shè)值范圍，并將此范圍傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)也可以及時(shí)將采集的環(huán)境信息和溫室自動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給上位機(jī)顯示。

通訊接口電路原理圖如圖5所示，該模塊是用來實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)之間的通訊，采用的是典型的程序下載電路USB轉(zhuǎn)串口電路，其主要控制芯片為PL2303。該芯片可以轉(zhuǎn)換USB信號(hào)與RS232信號(hào)。上位PC機(jī)和單片機(jī)存儲(chǔ)的都是USB數(shù)據(jù)，通過芯片PL2303可以將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS23信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)二者之間的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是通過程序來完成的，軟件的設(shè)計(jì)直接決定系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。本系統(tǒng)采用C語言編程，首先要設(shè)計(jì)好主程序，然后將子程序設(shè)計(jì)好封裝起來，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。初始化程序包括液晶顯示初始化和定時(shí)器中斷系統(tǒng)初始化兩部分。子程序包括土壤濕度采集子程序、顯示子程序、按鍵處理子程序和數(shù)據(jù)處理子程序。

圖5 通訊接口電路設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真

在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，Proteus軟件搭建了溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)仿真系統(tǒng)。采用的是Proteus軟件繪制電路圖，用一個(gè)電位器來模擬土壤濕度信號(hào)，用KeilC51來編譯調(diào)試程序，然后把程序?qū)雴纹瑱C(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行電路仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。通過調(diào)整濕度閾值信息，水泵可以根據(jù)濕度信息自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)斷，達(dá)到定時(shí)、定量地給作物自動(dòng)灌溉的目的。模擬水泵故障信息，報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。設(shè)定土壤濕度報(bào)警值，滿足不同植物的灌溉需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖7 灌溉系統(tǒng)電路仿真圖

5 結(jié)語

本文以AT89C51單片機(jī)為核心控制器設(shè)計(jì)了一種溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，可通過按鍵