李 儉， 陳 行， 樊學(xué)良， 郭地偉， 吳 亮， 劉曉文

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，土壤濕度對(duì)于植物的生長(zhǎng)起著重要的作用.隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種灌溉機(jī)械層出不窮，但多數(shù)灌溉機(jī)械應(yīng)用在農(nóng)業(yè)或園林領(lǐng)域，針對(duì)盆栽的灌溉系統(tǒng)卻相對(duì)缺乏.本研究設(shè)計(jì)了由PLC、C52單片機(jī)、GSM、土壤濕度傳感器、遠(yuǎn)程WiFi控制模塊組成的土壤濕度檢測(cè)與提示及遠(yuǎn)程控制盆栽灌溉的系統(tǒng).因多數(shù)植物在不同階段里適宜生長(zhǎng)的水分含量不同，灌溉系統(tǒng)將濕度提醒給客戶(hù)后，客戶(hù)隨時(shí)可以根據(jù)需求決定是否灌溉.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要由傳感器模塊、轉(zhuǎn)換器模塊、處理器模塊、GSM模塊、 LCD顯示模塊、遠(yuǎn)程WiFi模塊、PLC模塊及電源供電模塊組成，硬件系統(tǒng)如圖1所示.

圖1硬件系統(tǒng)示意圖

1.1 濕度檢測(cè)電路

土壤濕度檢測(cè)電路主要用來(lái)測(cè)量盆栽土壤的相對(duì)含水量，針對(duì)盆栽土壤的墑情進(jìn)行檢測(cè).濕度傳感器基片上覆蓋了一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)盆栽土壤中的水分子吸附在感濕膜上時(shí)，感應(yīng)原件的電阻率和電阻值都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，傳感器通過(guò)線路元件電阻值的差異來(lái)反映土壤不同濕度值[1].本研究選用Risym公司的土壤濕度傳感器為傳感器模塊，其表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤容易生銹的問(wèn)題，延長(zhǎng)使用壽命，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，滿足設(shè)計(jì)要求.測(cè)試模擬量輸出AO和A/D模塊相連，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值.濕度檢測(cè)電路原理圖如圖2所示.

圖2濕度檢測(cè)電路原理圖

1.2 光耦合器模塊

系統(tǒng)中遠(yuǎn)程WiFi和PLC元件的工作電壓不同，因而本研究引入了光電耦合器.光電耦合器通過(guò)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換形式將輸入端信號(hào)耦合到輸出端，一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大.輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再進(jìn)一步放大后輸出.本研究選用Telesky公司的EL817C型光耦，其輸入輸出之間高隔離電壓值Viso=5 000 Vrms.

1.3 處理器模塊

處理器模塊[2]計(jì)算土壤濕度傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并生成數(shù)值，連接SIM發(fā)射模塊，在LCD1602顯示屏上將數(shù)值顯示出來(lái)，相應(yīng)的指示燈亮，并將計(jì)算所得數(shù)值發(fā)射到客戶(hù)手機(jī)上，客戶(hù)可通過(guò)手機(jī)APP查看土壤濕度值.本研究選用型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)作為系統(tǒng)主體，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，性?xún)r(jià)比高.A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)字信號(hào)的元件.濕度傳感器輸出的就是電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為可供識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，選擇植物生長(zhǎng)的最小土壤濕度作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小.本研究選用Telesky公司生產(chǎn)的ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC0832為8-bit分辨率的雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有體積小、兼容性強(qiáng)且性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn).處理器原理圖如圖3所示.

圖3處理器原理圖

1.4 WiFi模塊

客戶(hù)可以使用手機(jī)端APP或PC端上位機(jī)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)連接到系統(tǒng)搭載的WiFi模塊[3]，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端或PC端對(duì)PLC的控制.本研究選用型號(hào)ESP8266-12E作為系統(tǒng)的WiFi模塊，ESP8266-12E有完善的外圍電路和較強(qiáng)的阻抗匹配，有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力.

1.5 PLC模塊

PLC又稱(chēng)為可編程邏輯控制器，主要控制系統(tǒng)中水管閥門(mén)的閉合狀態(tài).針對(duì)不同的土壤墑情和植物類(lèi)型，土壤所需的灌溉量不同，PLC自帶的計(jì)時(shí)器會(huì)通過(guò)控制延時(shí)來(lái)控制不同土壤的灌溉量.本研究選用型號(hào)為S7-200的國(guó)產(chǎn)PLC,其具有西門(mén)子CPU相同的主線設(shè)計(jì)，有獨(dú)立的電源板和CPU板，抗干擾能力更強(qiáng).PLC接線圖如圖4所示.

圖4 PLC接線圖

1.6 GSM模塊

GSM模塊[4]具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器及功放器件等集成在一塊線路板上且能進(jìn)行GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊.本研究采用SIM800C芯片，利用其低功耗、短信服務(wù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芡瓿深A(yù)設(shè)的工作.該模塊支持TTL電平控制，工作電壓為3.3～5 V，模塊上的RXD和TXD可直接與單片機(jī)串口連接(P3.0 RXD和P3.1 TXD)，單片機(jī)可直接通過(guò)串行口與GSM模塊通信、發(fā)送AT控制指令和接收數(shù)據(jù).GSM工作原理圖如圖5所示.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要由單片機(jī)模塊[5-6]和PLC模塊組成.單片機(jī)模塊和PLC模塊在系統(tǒng)中分別起計(jì)算和控制的作用，兩個(gè)模塊均以獨(dú)立的形式存在于系統(tǒng)中，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)保證了系統(tǒng)的兼容性.

2.1 單片機(jī)模塊

濕度傳感器采集的土壤濕度模擬信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，單片機(jī)對(duì)濕度傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，并在LCD顯示器顯示檢測(cè)信息的同時(shí)通過(guò)GSM模塊將檢測(cè)信息傳輸?shù)紸ndroid智能手機(jī)上.手機(jī)端接收到的信號(hào)形式為：濕度值+土壤濕度(干燥、濕度適中或高濕度).當(dāng)傳感器檢測(cè)的濕度值低于設(shè)定的最低濕度值或高于設(shè)定的最高設(shè)定值時(shí)，GSM模塊向手機(jī)發(fā)送信息；若濕度處于適中階段，則可先設(shè)定1個(gè)中值，當(dāng)濕度值為此中值時(shí)，模塊就向手機(jī)發(fā)送信息.本單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案如圖6所示.

圖5 GSM工作原理圖

圖6單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)方案圖

2.2 PLC模塊

手機(jī)在收到不同程度的土壤濕度值時(shí)可根據(jù)不同土壤濕度向遠(yuǎn)程WiFi模塊發(fā)出信息，WiFi模塊通過(guò)光耦合器將信號(hào)傳遞給PLC模塊，PLC模塊將會(huì)控制水管閥門(mén)的開(kāi)合狀態(tài).本PLC控制系統(tǒng)方案如圖7所示.

圖7 PLC控制系統(tǒng)方案圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示

本研究使用USB為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7-8]供電.實(shí)驗(yàn)中，首先將土壤濕度傳感器插入干燥土壤，接著LCD顯示器正常顯示土壤濕度，土壤濕度干燥指示燈亮，手機(jī)收到土壤濕度低的信息提示.此時(shí)，手機(jī)向遠(yuǎn)程WiFi模塊發(fā)送灌溉信息，水管閥門(mén)正常打開(kāi)，開(kāi)始灌溉盆栽.經(jīng)過(guò)灌溉后，土壤濕度達(dá)到適中值，完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的演示.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的演示調(diào)試圖如圖8所示.

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究制定了一種基于GSM的盆栽土壤濕度檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)盆栽土壤中的水分變化特征采用電阻式濕度傳感器實(shí)時(shí)采集濕度數(shù)據(jù)，搭建了基于GSM模塊的信息傳遞系統(tǒng)和基于PLC的遠(yuǎn)程WiFi盆栽灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了盆栽土壤水分的檢測(cè)和控制.大量的實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)土壤水分含量，并通過(guò)LCD顯示屏和指示燈顯示盆栽土壤的含水量，且GSM模塊能將盆栽土壤水分信息及時(shí)傳遞到手機(jī)，手機(jī)可通過(guò)遠(yuǎn)程WiFi模塊對(duì)盆栽進(jìn)行灌溉控制.本研究的系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、成本低且穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)遠(yuǎn)程土壤檢測(cè)控制的研究奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

圖8實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的演示調(diào)試圖