李致瑩 陳潔儀 鄺賀賢 羅湘仁 邊新宇 曹惠茹

摘要：針對長期外出無法及時照看作物的情況，借鑒現(xiàn)有的智能澆灌系統(tǒng)的優(yōu)勢，以 STM322F103C8T6單片機為主控制器設計并實現(xiàn)了一種可以自動定時澆灌的家用智能澆灌系統(tǒng)。系統(tǒng)同時搭載水壓系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度和土壤濕度傳感器進行參數(shù)的采集和感知，采用WiFi方式進行通信。另外，基于 Android智能平臺設計并實現(xiàn)了 App移動用戶端，具有操作界面簡單、使用方便的特點，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測、顯示與記錄植物和種子狀態(tài)，并可以進行溫度、濕度、天氣和風向的實時獲取，還可以在無人照看或長期外出的情況下實現(xiàn)自動定時澆灌功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)硬件結構簡單、安裝便捷、運行成本低且易于實現(xiàn)，軟件安全便捷、操作簡單。

關鍵詞：自動澆灌裝置;定時;單片機;Android;傳感器

中圖分類號：TP29文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0208-04

Design and Implementation of Intelligent Irrigation System

Li Zhiying，Chen Jieyi，KuangHexian，Luo Xiangren，BianXinyu，Cao Huiru※

（Guangzhou Institute of Technology， Guangzhou 510900， China）

Abstract： In view of not being able to take care of crops in time when going out for a long time， drawing on the advantages of the existing intelligent irrigation system， STM322F103C8T6 single-chip microcomputer was used as the main controller to design and implement a household intelligent irrigation device system which could automatically and regularly irrigate. The system was equipped with water pressure system， timing system， environmental temperature and humidity sensor and soil humidity sensor for parameter acquisition and sensing. In addition， an App mobile client based on Android platform was designed and implemented， which had the characteristics of simple interface and convenient use， and could realize the real-time monitoring， displaying and recording of the status of plants and seeds， and could be temperature， humidity， weather and wind direction of real-time access， but also in the absence of care or long-term out of the case of automatic timing irrigation function. Testing shows that the system has the advantages of simple hardware structure， convenient installation， low running cost and easy realization， convenient software security， simple operation and so on.

Key words： automatic pouring device; timing; MCU; Android; sensors

0 引言

隨著生活水平的提高，人們的居住和生活環(huán)境得到了很大的改善，對于生活質量的追求也越來越高。因此，越來越多的人選擇在家里、花園種植各種蔬菜花果。然而，大多數(shù)人工作比較繁忙，有時需要長時間出差，導致蔬菜花果無法得到及時的澆灌和照看，影響其正常生長、枯萎。此外，隨著人們環(huán)保意識的增強和水資源的日益匱乏，自動澆灌系統(tǒng)便受到廣大科研者的青睞。王有春，陳威等[1-2]針對農(nóng)田的畦壟澆灌控制問題，水稻不同生長發(fā)育周期的水需求量生物學知識，合理運用自動化控制水泵，進而讓處于不同生長周期的水稻需水量得到滿足，提出了一種新型智能自動澆灌控制系統(tǒng)的設計方案;康云川[3]主要針對目前家庭花卉傳統(tǒng)栽培存在智能程度不高、穩(wěn)定性不強、性能差、安全性低、成本高等弊端，無法遠程澆灌的問題，研制了一種基于 Raspberry Pi （樹莓派）開發(fā)板與阿里云 IoT （Internet of Things）平臺的家庭花卉智能澆灌系統(tǒng);侯偉等[4-5]以單片機為主控芯片，結合傳感器和計算機，搭建了一套智能化的澆灌系統(tǒng)，實現(xiàn)了友好的用戶交互界面，實時測量、顯示與記錄等功能，并由主控芯片進行澆灌;廖希杰，王承林等[6-7]以節(jié)約用水為目的，使用單片機、 DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、電磁閥控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、按鍵和光電報警系統(tǒng)等電路組成智能澆灌系統(tǒng);盧超等[8]基于 STM32和 STC89C52單片機設計一種分布式無線自動澆灌系統(tǒng)，用以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化，系統(tǒng)包括一個主機和多個從機，土壤溫濕度檢測模塊和電磁閥澆灌模塊與從機相連，完成數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送及處理功能，以繼電器控制電磁閥工作，通過開關水泵實現(xiàn)自動澆灌，從機個數(shù)可根據(jù)測量點的需求進行擴展，顯示模塊和報警模塊與主機相連，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示及報警功能。主從之間采用 NRF905模塊進行無線通信，構成“一對多”的通信網(wǎng)絡;張展赫翔，邱意敏等[9-10]針對家中栽養(yǎng)的花草由于人們出遠門無人照顧而枯萎的現(xiàn)狀，以及目前灌溉系統(tǒng)存在的灌溉用水利用率低、浪費人力和易灌溉過量等缺點，采用分布式無線自動澆灌系統(tǒng)，基于 UWB 定位技術和模糊控制理論，有效地解決傳統(tǒng)灌溉體系中低效率，用水量的智能控制的智能灌溉系統(tǒng);曾澤良等[11]基于 ZigBee 無線通信技術，結合自動化控制技術、網(wǎng)絡技術，可實現(xiàn)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強度信息，由管理決策系統(tǒng)自動控制或人為控制，進而實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術由靜態(tài)向動態(tài)的人工智能轉變;郭紫照[12]設計了一種基于WiFi的智能節(jié)水澆灌控制器系統(tǒng)，可以對土壤的濕度進行檢測分析和處理，該系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于系統(tǒng)體積小，靈活性強，易于操作，抗干擾性強，性價比高，具有較好的推廣價值。

以上研究盡管從不同角度進行分析，解決了部分智能化澆灌的問題，也解決了人們長期外出的困擾，但是存在運行成本高、用戶端操作不便等缺點。因此，本文基于單片機系統(tǒng)，采用WiFi通信方式，設計并實現(xiàn)了基于 Android系統(tǒng)的用戶端軟件，硬件成本低、操作簡單。

1 自動澆灌系統(tǒng)原理

澆灌系統(tǒng)主要由儲水盒、抽水管、作物種植 PVC裝置、水泵和定時裝置幾部分組成，定時裝置中有電源、控制系統(tǒng)以及水位傳感器，水位傳感器設在儲水盒的蓋子內(nèi)部，儲水盒的一個側面設置著出水口，另一個側面設置著與澆灌軟管連接的出水端。澆灌軟管的出水端口是密封的，利用水泵壓力將營養(yǎng)液上壓至種植管中，當營養(yǎng)液經(jīng)過每根種植管，就會再次流入到水箱中，如此循環(huán)，如圖1所示。在種植裝置中的植物根部，既可以吸收空氣中的氧氣，也可以吸收管中的營養(yǎng)成分，以茁壯成長。

水泵由馬達和旋轉葉片構成，抽水時把進水管安裝在水箱，并打開電源，控制系統(tǒng)讓水泵開始運行并將水抽進種植管中;當儲蓄盒中的水達到一定高度時，蓋子內(nèi)側的水位傳感器就會把信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再反饋停止運輸信號給水泵，水泵就會立即停止送水工作。

給植物澆灌時，要提前把澆灌軟管插入到泵口入水處，使用軟管夾固定澆灌軟管。由于不同植物所需的溫度和濕度不一樣，因此根據(jù)植物的特性將相關參數(shù)存儲在系統(tǒng)中，通過安裝在植物旁的溫度傳感器、濕度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)收到信號后，根據(jù)實際需求打開出水控制閥門，水就從出水端口進入澆灌軟管，澆灌軟管的端口是密封的，因此水會在壓力作用下而向上引流，在第一層的分流端口中，流入兩端的澆灌白管中，然后植物的根部會觸及營養(yǎng)液，同時在陽光的照射下正常生長。若需要長時間外出時，只需要把澆灌軟管的入水口放置在水中，并保證儲水盒中水是滿的，在控制端將植物所需的數(shù)據(jù)設置好，就可以依據(jù)傳感器檢測的結果給植物進行澆灌，水流會自動流向下一層，后將多余的水分通過最低的出水口流出，保證水的新鮮和水分的合理化。其工作原理如圖2所示。自動灌溉系統(tǒng)根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)決定是否開啟自動灌溉，若開啟，則接著判斷當前是否開啟夜間模式，若是，則接著判斷當前時間是否處于夜間模式，若在夜間模式則結束自動灌溉;當前若不在夜間，則檢查當前時間與上次澆灌時間的間隔是否大于等于預設間隔，若是，則將當前時間寫入數(shù)據(jù)庫中，并開啟水泵，然后將澆灌結束的時間計入數(shù)據(jù)庫中，澆灌結束。

2 自動澆灌硬件系統(tǒng)

本硬件系統(tǒng)由主控制板、水泵、繼電器、溫濕度傳感器、PVC管、輸送的透明塑料軟管和若干導線組成，主控制板與水泵分別通過電源適配器接入到家用220 V 線路中，繼電器則與主控制板5 V 引腳相連。土壤溫濕度檢測與控制系統(tǒng)以 STM322F103C8T6單片機為核心板，通過軟件設置達到具體控制效果的實現(xiàn)。土壤的溫濕度檢測由 DS18B2傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，并通過單片機的 I/O 端口將檢測到的土壤溫濕度參數(shù)實時采集到的數(shù)據(jù)顯示在2.4寸 TFT 彩屏上。同時，如果系統(tǒng)在智能澆灌設置模式下，則該值與設定的澆灌上下閾值進行比較，若低于下閾值，則單片機通過各個采集信號量對應的閾值來控制相應的關鍵開關打開，開始提高水壓限度。若高于上閾值時，單片機再發(fā)出一個信號控制開關關閉，打開對應閾值閥門，并減小水壓。若該系統(tǒng)設置在手動澆灌情況下，則按照設定好的定時澆灌時間以及澆水量進行澆灌，DS18B2將檢測到的土壤溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)?TFT 彩屏上顯示，以達到對土壤溫濕度實時監(jiān)測的目的。具體系統(tǒng)設計框圖如圖3所示。

與其他智能澆灌方法相比，本系統(tǒng)可以通過設置鍵選擇開啟模式。手動澆灌是由主控制器來實時讀取芯片 DS1302的狀態(tài)值，再與設置的閾值進行比較，若小于閾值，則蜂鳴器報警通知用戶進行澆灌;智能澆灌則是將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳耍鶕?jù)植物含水量的狀態(tài)來控制水泵的開啟與關閉。硬件連接實物如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的開發(fā)是基于 Android平臺的智能設備，采用 MVC （Model 數(shù)據(jù)層、View 界面層、Control 控制層）架構來進行設計的。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層主要為界面層和控制層提供數(shù)據(jù)，處理控制層傳遞過來的參數(shù)，對參數(shù)進行計算后再寫入到數(shù)據(jù)庫，并將處理結果返回給控制層。同時還與 View 存在一定的耦合，通過事件機制通知顯示狀態(tài)的改變來更新顯示界面;界面層負責視圖上數(shù)據(jù)的采集和用戶請求的處理，將用戶界面的請求和輸入傳遞給數(shù)據(jù)層和控制層;控制層由View根據(jù)用戶行為觸發(fā)并響應來自顯示層的用戶交互，然后根據(jù)具體事件邏輯來修改對應的數(shù)據(jù)。

軟件系統(tǒng)由3部分組成：種子列表、植物列表和環(huán)境設置。當用戶打開軟件時，直接跳轉到種子列表中的當前植物頁面，如圖5所示。

種子管理：用戶可以在該模塊中添加、刪除、修改、查看當前種植中的種子信息，包括植物名稱、種植時間、是否成熟等。在確保植物能夠正常生長的前提下，提示用戶要在成熟期內(nèi)采摘植物或果實。對于已收獲的植物也可以以列表的形式進行查看。

植物管理：在該模塊中，用戶可以根據(jù)實際情況添加新的植物，并設置好該植物的生長周期，以便于進行及時的收割;也可以對現(xiàn)有植物的各項信息進行查看、修改、刪除，如圖6所示。

環(huán)境設置：用戶在安裝本系統(tǒng)的 App后，通過手機打開WiFi熱點與本系統(tǒng)中的主控制板進行連接，再設置是否開啟、關閉自動澆灌和清空澆灌記錄，修改澆灌間隔時間和持續(xù)時間等參數(shù)。同時也可以獲取當?shù)氐奶鞖庑畔?，包括：溫度、濕度、風向、天氣等相關信息，如圖7所示。

4 結束語

目前，農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)大多是大面積的適用范圍，而本文所設計的系統(tǒng)則是適用于家庭的裝置，不需要過大的占地面積，也不需要復雜的操作，用戶可以輕松上手、簡單操作，從而使得人們的生活水平越來越高。進而，本系統(tǒng)可采用自動化的澆灌設置，省去每日手動操作的煩惱，只需要第一次將裝置安插在需要澆灌的植物中心，不管是出水量，還是出水時間，出水方式，都采用自動可控的方式進行設置讓植物得到充足的水分。用戶只需在手機上安裝簡易的 App就可以實現(xiàn)遠程操控，便可以維護好一小片屬于自己的后花園，更不會因出差或繁忙工作無法及時照管，導致植物枯萎。這樣不但節(jié)省人力和時間，還便于根據(jù)自己的喜好和工作安排進行智能化的澆灌。

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第一作者簡介：李致瑩（2001-），女，研究領域為計算機應用技術。

※通訊作者簡介：曹惠茹（1981-），女，陜西渭南人，碩士研究生，副教授，研究領域為計算機應用技術、大數(shù)據(jù)、無線網(wǎng)絡等，已發(fā)表論文50篇。

（編輯：王智圣）