節水灌溉自動控制系統的設計

摘要：針對目前農業水資源緊缺且農業用水浪費嚴重的問題，提出了一種節水灌溉自動控制方案。該方案以微控制器為核心器件，采用無線通信的方式，通過遠程控制系統實時采集參數，并以此為依據實時調整閥門開合程度，從而達到節水灌溉的目的。該設計具備較好的實用性，有效地實現了節水灌溉。

關鍵詞：無線通信；節水灌溉；實時；微控制器

中圖分類號：S24；S275 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）19-4795-05

中國農業發展目前面臨著兩大主要問題：一方面國民經濟、生態建設的迅猛發展導致對水資源的需求量越來越大，但是，中國目前的水資源嚴重不足；另一方面中國農業用水量約占總用水量的80%左右，但有效利用率僅在45%左右，而歐美發達國家一般在70%～80%，這導致中國農業用水浪費現象非常嚴重[1]。

因此，在水資源嚴重不足的情況下，如何有效解決農業用水短缺問題顯得迫在眉睫。方法大致有兩種：開發新的水資源，但是，此方法投資大、見效慢，受地理環境影響異常明顯；另一種方法是發展節水灌溉。節水灌溉是遵循作物不同生長發育階段的需求規律而進行的適時灌溉，利用盡可能少的水獲得盡可能多的農作物產出的一種灌溉模式[2]。此方法投資相對較小，既有可能實現農業灌溉的自動化，又可能極大提高水資源的利用率。

基于此，提出一種節水灌溉自動控制系統設計方案，設計了一個基于單片機的節水灌溉自動控制系統，具有實時顯示檢測數據和實時上傳檢測數據的功能，并能根據采集到的有關作物生長的環境參數及所需水量來控制給水的時間和流量。

1 系統總體設計方案

目前，國外普遍采用大型分布式微機測控技術實現節水灌溉自動控制。該技術方案擺脫了傳統的全憑經驗灌溉的灌溉模式，為多種技術的融合，根據采集到的土壤參數、溫濕度等環境參數來決定灌溉量與灌溉時間。因此，系統分中央控制系統和遠程測控系統兩部分進行設計，其系統結構圖如圖1。其中N為遠程測控系統的個數[3]。由圖1可見，中央控制系統（主站）主要由微控制器與主PC機構成。遠程控制系統（子站）主要實現參數的選定與測量、信息數據傳輸與處理、控制執行機構的動作等功能。系統選擇無線通信方式實現主站與子站之間的信息傳輸，其系統框圖如圖2[3]。

系統主要分為信號采集模塊、數據處理模塊、數據無線處理模塊、控制模塊、軟件模塊這5大功能模塊。因此，選擇土壤水分、空氣的濕度、空氣的溫度3個參數作為灌溉的因素，測量元件就是測量這3個參數。具體器件選擇如下：①空氣溫濕度測量元件選用CHT-WV02溫濕度變送器；②A/D轉換器選用ADC0808；③電磁閥選用分布式電磁閥；④無線通信模塊選用2FSK解調方式的 PTR8000；⑤核心控制器選用常見的AT89系列單片機；⑥土壤水分測量元件采用TDR3型水分傳感器。

2 系統硬件設計

2.1 主站硬件設計

如前所述，主站的功能主要體現如下：通過無線通信方式實現與子站之間的信息傳輸，即遠程控制系統通過相應器件采集土壤水分、溫度、濕度等參數后，經過信號調理、模數轉換后，通過無線方式傳輸給主站，主站以此為依據控制閥門水量的大小，也就是確定開關開合的程度。其間，主站中微控制器與主PC機之間采用有線通信方式。

2.1.1 微控制器與PC機的接口電路 微控制器與PC機之間采用常用的RS-232標準進行數據傳輸，但是，由于RS-232電平標準與單片機TTL邏輯的電平標準不兼容，因此，必須使用電平轉換芯片實現二者之間的電平匹配。在本設計中，選用最常用的MAX232芯片來實現電平匹配，其接口電路圖如圖3所示[4]。

如圖3所示，TXD與MAX232的T2in相連，經過MAX232轉換后，T2out輸出的信號進入RXD。同理，TXD與MAX232的R2in相連，經過MAX232轉換后，R2out輸出的信號進入RXD。如此，便可實現TTL與RS-232之間的邏輯電平轉換，使單片機與PC機之間的通信鏈路接口完成。

2.1.2 無線射頻收發接口電路 由于本單片機不具備SPI接口，所以要利用軟件模擬SPI接口來實現單片機與PTR8000之間的通信[5]。由PTR8000構成的無線收發電路如圖4所示。

在圖4中，PTR8000的3個狀態輸出信號DR、AM、CD分別與單片機的P3.2、P3.4和P3.5管腳相連，以此實現無線模塊與單片機的通信控制。其中，AMS1117是低壓差三端電壓調節器，旨在為PTR8000提供合適的電壓。

2.2 子站硬件設計

子站主要完成對傳感器信號的采集及處理并控制電磁閥動作，達到自動灌溉的目的，由控制單片機、A/D轉換模塊、土壤水分傳感器、溫濕度變送器和電磁閥組成。

2.2.1 土壤水分檢測電路 設計采用運算放大器UA741來實現減法電路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。電路如圖5所示。注意在采集數據之前，對于運算放大器UA741一定要調零。

2.2.2 A/D轉換接口電路 ADC0808沒有內部時鐘，所以時鐘信號端CLK通過兩個D鎖存器的分頻與單片機的時鐘相連。如圖6所示，由于ADC0808的轉換速度所限制，系統使用2 MHz的晶振，通過兩個D鎖存器的分頻后，ADC0808 CLK端的時鐘頻率為2 MHz/4=500 kHz。

2.2.3 顯示接口電路 顯示接口電路如圖7所示。其中，四個晶體管的作用是使得共陽極的LED正常工作，在LED每個光二極管前加了一個限流電阻，是避免LED發光二極管因電流太大而燒壞或壽命減少。

2.2.4 輔助控制單元設計 ①電磁閥控制單元。由于單片機的輸出電流比較小，不能驅動電磁閥工作，所以需接一晶體管進行電流放大從而驅動電磁閥工作，在繼電器兩端反并一個二極管的作用是防止繼電器因過大的電流燒壞或壽命減少。電磁閥控制電路如圖8a所示。②報警電路設計。大部分都是使用蜂鳴器來提示或報警，具體如圖8b所示。

3 系統軟件設計

3.1 主站軟件設計

設計中單片機的主要功能是實現土壤水分、溫濕度等參數的實時接收、發射以及數據的串口發送，因此，功能相對較少，在實際設計中只需要合理地初始化外圍芯片以及特殊功能寄存器，便可實現數據的實時傳輸，其主程序流程圖如圖9所示。此外，在系統設計中，PTR8000為無線收發模塊，功能是接收數據并發送數據，其流程圖如圖10a與10b所示。

3.2 系統子站軟件設計

3.2.1 數據采集程序設計 數據采集主要是指經傳感器采集過來的電壓信號，經A/D轉換后送到單片機，再通過單片機的軟件處理為此電壓信號對應的濕度、溫度和土壤水分信號，其流程圖如圖11所示[6]。

3.2.2 數據處理程序設計 數據處理主要是將從A/D采集來的數據經過一定的軟件算法處理后，得到與實際情況最相符的數據，即誤差最小，其程序流程圖如圖12所示[6]。

3.2.3 數據顯示程序設計 顯示數據經過譯碼器74LS138和驅動74LS47將數據送至LED顯示。數據顯示子程序主要完成將待顯示的數據移出單片機，送至譯碼器74LS138和驅動器74LS47，其程序流圖如圖13[7]。

此外，電磁閥程序設計流程圖如圖14所示。

4 小結

設計通過遠程控制實施節水灌溉，實現了實時顯示檢測數據和實時上傳檢測數據的功能，并能根據采集到的有關作物生長的環境參數及所需水量來控制給水的時間和流量。通過無線遙控節水灌溉技術可節省人力物力，解決當前水資源短缺卻又浪費的緊張局勢。主站和子站之間采用無線傳輸，克服了傳統有線傳輸的地域限制，實現了站點之間的數據傳送。此外，通過溫濕度和水分傳感器采集作物土壤及周圍環境的信息，可較全面地體現農作物的需水狀況，且節約成本，有效地實現了節水灌溉。

參考文獻：

[1] 唐思航，韓曉琴.轉變農業發展方式是發展現代農業的關鍵[J].北京社會科學，2010（2）：76-81.

[2] 李秀娟.現代化農業設施節水灌溉控制系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2007.

[3] 孫 燕，曹成茂，馬德貴.基于無線數據傳輸的節水灌溉控制系統研究[J].安徽農業科學，2010，38（3）：1444-1445.

[4] 任園園，劉建平.基于CMX7143的高速數傳模塊的硬件設計[J].今日科苑，2009（2）：175.

[5] 張 武.無線通信模塊PTR8000在溫室環境監測中的應用[J].農業網絡信息，2007（2）：29-32.

[6] 繆鵬程.作物生長需水信息采集系統的設計與研究[D].合肥：安徽農業大學，2009.

[7] 章禮亮.稻谷進倉濕度自動檢測報警控制系統的研究與設計[D].合肥：安徽農業大學，2009.