張 濤，李自成，官永琪，陳洪希，王文濤，程 超

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

隨著國家科技水平的逐步提高，加快步入智能化時代的進程，人們平時的生活勞作方式逐漸趨向于簡便、智能化。越來越多的智能化產(chǎn)品投入到了種植業(yè)、栽培業(yè)之中。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，作為國民生活命脈，國家花費了大量財力發(fā)展科學、快捷、高效的農(nóng)業(yè)模式。大棚蔬菜、無土栽培等技術的廣泛應用，極大地提高了收益率。但是存在農(nóng)業(yè)種植一般規(guī)模比較大，少則幾畝，多則上百畝，由于人力和設備的限制，根本無暇及時照料的問題。這會導致農(nóng)作物長時間缺水干旱和暴曬在陽光下，最終枯死。還有存在人為操縱設備澆水，掌握不了農(nóng)作物的土壤溫度和濕度情況，而盲目進行澆水。澆水過度，造成農(nóng)作物澇死、病變；澆水量不足，不能滿足植物生長需求。為解決這些問題，本文設計了利用溫濕度、光照強度傳感器采集信息，用單片機控制驅(qū)動器，實現(xiàn)澆水、遮陽的智能澆灌裝置[1]，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的要求。

1 工作原理及系統(tǒng)框架設計

農(nóng)作物澆灌并不是任何時候都可以，溫度太高和光照強度太強情況下都不適合澆水。本文設計的澆灌裝置，利用兩個傳感器來采集環(huán)境的光照強度、土壤溫度、土壤濕度信息[2]。將所采集的模擬信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理成數(shù)字信號傳給單片機[3]，單片機將信號與預設定的溫度、濕度、光照強度值相比較[4]。如果濕度適宜，溫度過高和光照強度太高，單片機則控制遮陽篷布電機工作，驅(qū)動遮陽篷布對植物進行遮陽處理，電機控制的水泵則停止工作。如果濕度低于預設值，溫度和光照強度都在適宜范圍內(nèi)，單片機則控制水泵電機工作，進行灌溉。濕度低于預設值，溫度和光照強度都不適宜，水泵電機不工作。溫度、濕度、光照強度信息共同來決定裝置澆水、控光功能[5]，實現(xiàn)智能控制。裝置總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 時鐘電路和復位電路

單片機時鐘電路是由外部晶振來實現(xiàn)振蕩的電路，為單片機提供運行時間，由兩個電容和一個晶振組成[6]。晶振來決定單片機的運行速度，在本文中選用12MHz晶振。復位電路就是在復位引腳產(chǎn)生復位信號，使單片機程序從頭開始執(zhí)行，保證單片機程序不會出現(xiàn)跑飛和死機情況，本文采用高電平復位電路。電路如圖2所示。

圖2 時鐘和復位電路

2.2 光照強度傳感電路

一些農(nóng)作物不能長時間暴曬在陽光之下，容易被曬傷，植物一般喜陽強度在5klx左右，根據(jù)農(nóng)作物自己的喜光程度進行適當調(diào)節(jié)。在Proteus軟件中沒有BH1750光照強度傳感元件模塊，在設計中利用滑動電位器分壓來代替BH1750光照強度傳感器采集的電壓信號。利用8位、單通道、價格便宜的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804芯片，將采集到的光照強度模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機能識別的數(shù)字信號，單片機將采集的信號，與處理后的溫濕度傳感器采集的信息相比較，再判斷是否發(fā)出澆水遮陽指令。設計出用滑動電位器模擬光照強度傳感器的圖3電路。

圖3 滑動變阻模擬光照強度傳感器電路圖

2.3 溫濕度傳感電路

在該設計中選用已經(jīng)校準數(shù)字信號后輸出的DHT11溫度濕度相結(jié)合的傳感器，該傳感器主要由電阻型感濕元件和NTC測溫元件組成。它可以直接與AT89C51單片機相連，不需要用外設A/D轉(zhuǎn)換模塊處理檢測的信號，使用方便。溫度量程在0-50℃，誤差范圍±2℃。根據(jù)實際需要，在本設計中土壤溫度上限設置為35℃，下限設置為28℃，最理想溫度30℃。土壤濕度在60%-80%左右，根據(jù)不同的植物耐濕性自由調(diào)節(jié)，一般在75%最佳。當溫度值超過或低于設置的值時，單片機控制的水泵電機不工作，防止凍傷和燒傷植物。等待溫度、光照強度在適宜范圍內(nèi)，缺水時水泵電機才驅(qū)動進行澆水。溫度、濕度當超過設定的值時，繼電器控制的相應LED報警燈會亮[7]，裝置不會進行澆水動作[8]。溫濕度傳感電路及引腳接口如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感電路

2.4 驅(qū)動電路

在本裝置設計中，驅(qū)動電機功能需要能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)動角度可控，按照設定的數(shù)值進行轉(zhuǎn)動。這樣才能保證遮陽篷和水泵的正常運行，如果轉(zhuǎn)動角度過大或轉(zhuǎn)動不可停，那么可能就會導致扭斷轉(zhuǎn)軸或裝置。根據(jù)模擬需要，選用兩個步進電機來模擬遮陽篷驅(qū)動電機和水泵驅(qū)動電機，根據(jù)輸入的脈沖數(shù)量，來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度或前進步數(shù)[9]。但單片機輸出的電流很小，無法直接驅(qū)動步進電機，所以在電路設計中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片將單片機輸出的電流放大后驅(qū)動步進電機[10]。第一個步進電機驅(qū)動遮陽篷工作，當光照強度過高時，步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度即可實現(xiàn)遮陽功能，光照不足時，步進電機反轉(zhuǎn)關閉遮陽篷。第二個步進電機控制水泵的運作，當接收到澆水命令時，步進電機驅(qū)動水泵抽水進行灌溉，土壤濕度處在75%時，水泵關閉。步進電機驅(qū)動電路及連接方式如圖5所示[11]。

圖5 步進電機驅(qū)動電路

2.5 顯示電路

在整個電路的設計中，顯示溫度、濕度信息的顯示屏選用字符型液晶顯示模塊LCD1602。它是一個集成了驅(qū)動主電路HD44780、擴展驅(qū)動電路HD44100以及一些電阻電容元件的功能性模塊。該模塊能顯示32個字符，整個芯片的工作電壓在4.5-5.5V，工作電流在0.002A。整個顯示屏最佳的工作電壓是維持在5.0V。在本設計中選用標準的無背光14引腳的LCD1602。它的連接方式有直接控制和間接控制兩種，為了簡化電路，選用直接控制方式。

LCD1602顯示屏的14個引腳，重點在于幾個使能端的接法。它的基本操作有讀狀態(tài)、讀數(shù)據(jù)、寫命令、寫數(shù)據(jù)四種，四種操作的核心在于RS端和RW端的電平變化。RS端是命令/數(shù)據(jù)切換引腳，該端口為邏輯0時，選擇命令，為邏輯1時，選擇數(shù)據(jù)。RW端口是讀/寫選擇引腳，當該接口電平為邏輯0時，向顯示屏寫入命令和數(shù)據(jù)，當該端口電平為邏輯1時，顯示屏讀取狀態(tài)和數(shù)據(jù)。第三引腳VEE端是液晶顯示屏顯示的偏壓信號，在這里為了避免對比度過高時產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，在使用時接入一個10K的電位器，來調(diào)整其對比度，減小誤差。

在澆灌裝置電路的設計中，需要將系統(tǒng)采集的溫度TEM、濕度HUM和光照強度LIG的信息以數(shù)字和百分比的形式顯示在顯示屏上。LCD1602在該裝置系統(tǒng)中的電路設計及連接方法如圖6所示。

圖6 顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設計

設計的裝置工作必須要按照一定的順序進行，澆水動作指令的第一步先判斷環(huán)境光照強度情況。光照是能量的來源，如果光照強度太高，輻射的能量會引起農(nóng)作物所處土壤溫度升高，光照強度太低，會導致土壤溫度過低。在這兩種情況下，都是不適宜進行下一步溫濕度信息采集指令的[12]。單片機會發(fā)出相關指令，控制遮陽篷布工作。當光照強度為0時，整個裝置處于待機不工作狀態(tài)。光照強度在適宜范圍內(nèi)并將溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，再進行土壤濕度監(jiān)測，進一步再控制水泵的工作。這樣才能保證裝置在植物土壤濕度低于預期的時候，且土壤溫度、環(huán)境光照強度適宜時進行澆水，保證植物生長環(huán)境物理狀態(tài)在最佳。根據(jù)工作流程的構(gòu)思制作出圖7的軟件運行流程圖。

圖7 軟件流程圖

編程軟件用微控制器軟件開發(fā)工具Keil，因其擁有豐富的庫函數(shù)和非常強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，在中國的軟硬件領域利用率高達80%。裝置設計的功能要實現(xiàn)，重點在于程序的編寫，Keil μVision 4軟件編程使用的流程為新建Project→選擇單片機型號AT89C51→新建后綴名*.C程序文本→將源文件加入到工程→在源文件輸入框中寫入程序→編譯程序→輸出.hex文件。用Proteus仿真時，雙擊單片機，將.hex文件加載到單片機即可進行仿真。程序編寫的重點在于溫度、濕度、光照強度數(shù)字信息相比較的程序編寫，會多次用到if函數(shù)和for循環(huán)函數(shù)的嵌套。在延時函數(shù)程序中會多次用到。軟件編寫部分程序如圖8所示。

圖8 部分程序窗口

4 智能澆灌裝置發(fā)展的未來展望

整個裝置的設計由控制電路、譯碼電路、傳感電路、顯示電路、驅(qū)動電路等組成，結(jié)構(gòu)小巧簡單，設計的功能能與農(nóng)作物生長所需環(huán)境信息相匹配?！爸腔坜r(nóng)業(yè)”模式是大勢所趨，我國是一個農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)智能澆灌方面還沒有成形的硬件系統(tǒng)和技術，在后續(xù)不斷地設計與優(yōu)化中，智能澆灌裝置將會出現(xiàn)在各種大型灌溉場合。為了更好地解決現(xiàn)代技術智能發(fā)展與傳統(tǒng)方法之間矛盾，常規(guī)的灌溉模式已不可取。智慧農(nóng)業(yè)灌溉將是解決此矛盾的重要措施之一，對智能化灌溉系統(tǒng)的大面積推廣使用不但可以節(jié)約農(nóng)業(yè)種植人力資源，也能降低灌溉產(chǎn)業(yè)投入成本。探索適合農(nóng)業(yè)的智能化灌溉系統(tǒng)模式是搶占未來農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的重要核心技術，本設計雖然還有諸多地方需要完善優(yōu)化，但在后續(xù)的設計中能起到基石的作用。

5 結(jié)論

本文設計了一種基于“大棚種植”模式的智慧農(nóng)業(yè)澆灌裝置，其電路結(jié)構(gòu)簡單，易操作。利用傳感器來獲得環(huán)境信息參數(shù)，單片機將信息經(jīng)過接收、判斷、處理，進而控制水泵電機和遮陽篷電機工作[13]。使電機在土壤溫度、濕度、環(huán)境光照強度共同監(jiān)測下進行智能運行，確保澆灌裝置在最理想的狀態(tài)下進行灌溉遮陽作業(yè)。保證裝置在農(nóng)作物處于最佳狀態(tài)下進行澆水動作，既減少了人們的工作量，又保證植物不受損傷。設計的系統(tǒng)裝置能完成信息采集功能、數(shù)據(jù)處理功能、控制驅(qū)動功能，達到了設計的基本要求，可以對農(nóng)作物進行智慧灌溉。