王 瑛，林樹德，唐上余，李派霞，韓文霆

(1.北部灣大學(xué)，廣西欽州 535000；2.武漢海王科技有限公司防城港分公司，廣西防城港 538000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們也對(duì)飲食安全健康的要求也隨之提高[1]。許多人為了給生活添加色彩，會(huì)種植花草用于觀賞，或者利用有限的空間(如陽(yáng)臺(tái)、樓頂?shù)?種植一些花草蔬菜[2-4]。許多種花草蔬菜本身對(duì)水分有較高的要求[5]。在種植過程中如果不能對(duì)花草蔬菜進(jìn)行合理有效澆灌，不僅會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，而且會(huì)造成花草蔬菜因澆灌不合理而導(dǎo)致生長(zhǎng)緩慢甚至死亡[6]。許多學(xué)者對(duì)自動(dòng)澆灌進(jìn)行了研究，比如郭非凡[7]利用52單片機(jī)進(jìn)行灌溉，周燕鷗等[8]利用可編程序控制器(PLC)進(jìn)行設(shè)計(jì)，郭紫照等[9]利用WIFI傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。筆者以STC15W408單片機(jī)為核心，采用遙控方式進(jìn)行灌溉。

該設(shè)計(jì)利用紅外遙控對(duì)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，只需要用碼提取軟件對(duì)遙控碼進(jìn)行提取，經(jīng)編程處理后，使用時(shí)遙控器要對(duì)著紅外接收頭。溫度傳感器的使用能夠有效避免因溫度過高時(shí)澆灌造成的植物根系損傷，從而造成植株代謝異常或者死亡的情況。自動(dòng)澆灌模式有實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌、定時(shí)自動(dòng)澆灌2種方式，使用時(shí)可根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異選擇合理的澆灌方式。根據(jù)花草蔬菜的土壤溫度和濕度，對(duì)植物進(jìn)行自動(dòng)澆灌。自動(dòng)灌溉不僅能節(jié)約水資源，而且能使花草蔬菜更好地生長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該方案是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)易自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，核心為單片機(jī)STC15W408。系統(tǒng)通過紅外遙控器進(jìn)行人機(jī)交互操作，可對(duì)澆灌參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過溫度傳感器、濕度傳感器對(duì)土壤溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)或者定時(shí)監(jiān)測(cè)，并傳回單片機(jī)STC15W408，再由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而控制澆灌系統(tǒng)開啟或者關(guān)閉。除了手動(dòng)澆灌外，自動(dòng)澆灌系統(tǒng)有2種模式：一種為實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌模式，另一種為定時(shí)自動(dòng)澆灌模式。根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異等條件，系統(tǒng)選擇不同的模式。澆灌參數(shù)顯示界面由LCD1602液晶顯示器顯示，參數(shù)直觀可視。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意Fig.1 The working principle of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇及電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用STC15系列的單片機(jī)，有STC15W104和STC15W408。STC15系列單片機(jī)具有成本低、能耗低、可靠度高等特點(diǎn)[10]，由于其內(nèi)置的RC振蕩器精度高、溫漂小并可多頻選擇，可滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)中主單片機(jī)STC15W408為20 腳貼片封裝，STC15W104為8腳貼片封裝。

主單片機(jī)STC15W408的1腳、2腳、13～18腳連接液晶顯示器LCD1602，主要用于控制系統(tǒng)參數(shù)的顯示。3腳、6腳連接三極管，數(shù)據(jù)處理后，給信號(hào)控制三極管的通斷，從而控制該部分電路的通斷，來控制繼電器的啟動(dòng)停止，進(jìn)而控制閥門的開啟與關(guān)閉。4腳作為連接STC15W104單片機(jī)總線，用于控制紅外遙控模塊；5腳為冗余設(shè)計(jì)；7腳、9腳連接時(shí)鐘芯片DS3231，用于斷電及初始化時(shí)自動(dòng)更新時(shí)間、日期等參數(shù)；8腳為供電腳，接5 V的VCC，為單片機(jī)的供電來源；10腳接地；11腳、12腳為程序燒錄腳；19腳為溫度傳感器總線傳輸腳，20腳為濕度傳感器傳輸腳。上述為主單片機(jī)STC15W408的引腳情況。對(duì)于紅外遙控模塊單片機(jī)STC15W104，2腳供電，4腳接地；3腳連接液晶顯示器LCD1602，用于控制顯示器的亮度；5腳、6腳為總線，其中6腳為冗余設(shè)計(jì)；7腳連接紅外遙控的接收頭，在此處設(shè)計(jì)了一個(gè)由電容、電阻等構(gòu)成的退耦電路，其主要功能是消除閥門啟動(dòng)及停止時(shí)電流波動(dòng)對(duì)紅外模塊的影響，使得設(shè)備紅外遙控模塊功能更加穩(wěn)定；8腳接按鍵，可用于屏幕的點(diǎn)亮及定時(shí)器參數(shù)的復(fù)位。澆灌系統(tǒng)總電路圖如圖2所示。

圖2 澆灌系統(tǒng)總電路圖Fig.2 General circuit of the irrigation system

2.2 溫度傳感器溫度傳感器的使用過程中，當(dāng)溫度過高時(shí)不適宜對(duì)植物進(jìn)行澆灌，以免造成植物根系損傷，從而造成植株代謝異?；蛩劳觥Ｔ撓到y(tǒng)中使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器(圖3)進(jìn)行溫度檢測(cè)。DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，其可測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，信號(hào)通過單總線即可傳輸[11]。該系統(tǒng)將該總線連接到STC15W408的P1.0口(即19腳)上進(jìn)行通信，讀取實(shí)時(shí)溫度。通信過程如下：?jiǎn)慰偩€上的所有通信都是從初始化序列開始，單片機(jī)輸出低電平時(shí)間，保持低電平時(shí)間至少480 μs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。然后，主機(jī)釋放總線，10 K 的內(nèi)部上拉電阻將單總線拉高，延時(shí)15～60 μs，并進(jìn)入接收模式(Rx)。DS18B20 拉低總線60～240 μs，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480 μs 。寫時(shí)序包括寫0 時(shí)序和寫1 時(shí)序。所有寫時(shí)序至少需要60 μs，且2 次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要 1 μs 的恢復(fù)時(shí)間。2種寫時(shí)序均起始于主機(jī)拉低總線。寫 1 時(shí)序：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)2 μs，然后釋放總線，延時(shí)60 μs 。寫0 時(shí)序：主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60 μs，然后釋放總線，延時(shí)2 μs。單總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序時(shí)，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。因此，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便從主機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少需要60 μs，且2 次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1 μs的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線 1 μs。主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且在時(shí)序起始后的15 μs內(nèi)采集總線狀態(tài)。

2.3 濕度傳感器濕度傳感器選擇電阻式濕度傳感器(圖3)，具有響應(yīng)速度快、體積小、線性度好、靈敏度高等特點(diǎn)。濕度傳感器的工作原理是在吸濕和脫濕過程中傳感器電阻值發(fā)生了改變，達(dá)到測(cè)量濕度的效果，而該傳感器也是通過單總線進(jìn)行信號(hào)傳輸。由于選取的溫度傳感器、濕度傳感器均為單一線形式傳輸信號(hào)，為了方便安裝使用，在電路上做了一個(gè)USB端簡(jiǎn)易化連接設(shè)計(jì)，其中USB端的3腳接溫度感器，傳回單片機(jī)19腳，USB端的2腳連接的是濕度傳感器，傳回單片機(jī)20腳處。由于濕度傳感器探頭為電阻式探頭，因此在USB端的2腳設(shè)計(jì)了一個(gè)電阻值可調(diào)節(jié)的上拉電路，通過ADC采樣轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，傳輸回主單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中可調(diào)電阻的作用是方便調(diào)試時(shí)取得合理的電阻值。

圖3 溫度及濕度傳感器Fig.3 Temperature and humidity sensor

2.4 遙控模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過紅外遙控器對(duì)溫度、濕度及定時(shí)器等進(jìn)行設(shè)定，舍棄在機(jī)殼開孔的按鍵式想法，做好機(jī)殼密封，能夠盡量避免因環(huán)境影響造成的設(shè)備壽命縮短。紅外遙控模塊由紅外遙控器、紅外接收頭、定時(shí)器復(fù)位按鈕等構(gòu)成。電路設(shè)計(jì)中使用STC15W104單片機(jī)。STC15W104單片機(jī)的功能是對(duì)遙控器的輸入信號(hào)進(jìn)行解碼并傳回主單片機(jī)STC15W408中，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。其中，紅外接收頭連接STC15W104單片機(jī)的7腳，復(fù)位按鍵連接8腳。STC15W104單片機(jī)的5腳、6腳作為總線傳輸信息。由于該系統(tǒng)只需要單向傳輸即可，因而目前只用STC15W104單片機(jī)的5腳作為總線信號(hào)，6腳暫時(shí)冗余。工作過程如下：當(dāng)紅外遙控器發(fā)出信號(hào)，紅外接收頭接收到遙控器發(fā)出信號(hào)的編碼頭碼并識(shí)別，點(diǎn)亮LCD1602顯示器。屏幕點(diǎn)亮后，操作遙控器上的相關(guān)按鍵，對(duì)溫度、濕度、定時(shí)澆灌等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如果不選擇定時(shí)自動(dòng)澆灌模式，在開機(jī)時(shí)通過顯示器側(cè)面的復(fù)位按鍵清空即可。此處需要獲得遙控器的編碼信號(hào)，通過一個(gè)碼提取軟件提取即可。

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)顯示模塊采用的是LCD1602液晶顯示器，而LCD1602是一款應(yīng)用廣泛的字符型液晶顯示器[12]。在此次設(shè)計(jì)中，考慮到需要顯示溫濕度、當(dāng)前日期、時(shí)間等參數(shù)，采用LCD1602顯示器，并通過程序設(shè)計(jì)了可翻頁(yè)操作，滿足了設(shè)計(jì)需求。屏幕的A腳、K腳可以控制屏幕的亮度。

參數(shù)由主單片機(jī)STC15W408通過并口通訊協(xié)議傳輸?shù)揭壕э@示器LCD1602進(jìn)行顯示，在單片機(jī)的7腳、9腳上連接DS3231時(shí)鐘芯片。該芯片是一款高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件，能夠保存秒、時(shí)、分、星期、日期等信息。當(dāng)澆灌系統(tǒng)初始化完成時(shí)，在LCD1602液晶顯示器上即可自動(dòng)更新時(shí)間、日期等參數(shù)。溫度、濕度、時(shí)間等參數(shù)通過紅外遙控器進(jìn)行設(shè)定，如圖4所示。

圖4 顯示界面示意Fig.4 The displayed interface

2.6 繼電器模塊該部分電路由三極管連接繼電器，通過單片機(jī)控制三極管的開關(guān)量來控制電路中繼電器的開關(guān)，從而控制閥門的開啟與關(guān)閉，從而達(dá)到控制澆灌的目的。閥門的輸入口接在水龍頭上，水龍頭為開啟狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括土壤溫度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)、土壤濕度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)、紅外遙控程序設(shè)計(jì)、顯示器程序設(shè)計(jì)等。自動(dòng)模式下有2種澆灌方式：一種為實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌方式，另一種為定時(shí)自動(dòng)澆灌方式。這2種澆灌方式在初始化完成后進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)即可選擇。實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌方式會(huì)一直保持對(duì)土壤溫度、濕度的檢測(cè)，當(dāng)參數(shù)滿足要求時(shí)即啟動(dòng)閥門進(jìn)行澆灌。如果選擇定時(shí)自動(dòng)澆灌方式，澆灌系統(tǒng)會(huì)在達(dá)到澆灌時(shí)設(shè)定的時(shí)間段后才對(duì)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行采集處理，滿足條件時(shí)進(jìn)行澆灌。該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2種可選方式，主要考慮季節(jié)差異、地域差異、植物種類差異等因素的影響，用于選擇更合適的澆灌方式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5～6所示。

4 澆灌系統(tǒng)安裝與應(yīng)用

4.1 澆灌系統(tǒng)的安裝該系統(tǒng)中各個(gè)單元基本已經(jīng)模塊化，所以安裝起來也十分簡(jiǎn)單方便。電路板件與顯示器安裝在機(jī)箱盒內(nèi)，留出供電口、USB接口、DC頭。閥門管輸入安裝在水龍頭上，水龍頭開啟，而閥門管輸出布置在澆灌系統(tǒng)上方。溫度、濕度傳感器埋于土壤內(nèi)即可。部分澆灌系統(tǒng)的安裝如圖7所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果在澆灌系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，準(zhǔn)備了紅外測(cè)溫儀、濕度測(cè)量?jī)x、熱風(fēng)槍等工具，并準(zhǔn)備了試驗(yàn)土樣。該試驗(yàn)采用實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌模式，對(duì)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，多次試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果均一致，可見設(shè)計(jì)能滿足要求。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

筆者對(duì)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器進(jìn)行USB端簡(jiǎn)易化連接設(shè)計(jì)，通過設(shè)定溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行處理。澆灌系統(tǒng)通過紅外遙控進(jìn)行溫度、濕度等參數(shù)的設(shè)定，設(shè)定實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌模式或定時(shí)自動(dòng)澆灌模式，從而能夠根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異作出合理選擇。根據(jù)試驗(yàn)要求，進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)澆灌試驗(yàn)。

圖5 實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌模式流程Fig.5 The flow of real-time automatic irrigation

圖6 定時(shí)自動(dòng)澆灌模式流程Fig.6 The flow of timed automatic irrigation

圖7 灌溉系統(tǒng)安裝與應(yīng)用Fig.7 The installation and application of the irrigation system

(1)利用紅外遙控器對(duì)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，此過程涉及對(duì)遙控碼的提取，并對(duì)提取的遙控碼頭進(jìn)行信號(hào)標(biāo)記，提供可行的設(shè)計(jì)方法。使用時(shí)只需要將遙控器對(duì)著紅外接收頭，即可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。

(2)溫度傳感器的使用能夠有效避免因溫度過高時(shí)澆灌造成的植物根系損傷，造成植株代謝異?；蛩劳?，有效保障了植物的正常生長(zhǎng)。

表1 澆灌系統(tǒng)部分測(cè)試結(jié)果Table 1 Some testing results of the irrigation system

(3)自動(dòng)澆灌模式有實(shí)時(shí)自動(dòng)澆灌、定時(shí)自動(dòng)澆灌2種方式。使用時(shí)可根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異選擇合理的澆灌方式。

該設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰，安裝簡(jiǎn)單，成本較低，便于推廣。系統(tǒng)可根據(jù)土壤的干燥條件進(jìn)行合理澆灌管理，能夠有效節(jié)約水資源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展。