基于Arduino平臺的農用土壤濕度控制器的設計

鐔曉剛 高國偉 張立強 趙云杰

一、引言

農業生產在我國的經濟發展中具有重要地位，其中，果園栽培、大棚蔬菜中的很多品種，對土壤濕度有著極高的要求。農用土壤濕度反應了農作物的水分供應狀況。土壤濕度不當時，不僅嚴重影響其正常生長，甚至會導致種植品死亡，造成農民嚴重的經濟損失。土壤濕度低，形成土壤干旱，農作物的光合作用不能正常進行，將會降低農作物的產量和品質，嚴重缺水會導致農作物凋萎和死亡。土壤濕度高，將會惡化農用土通氣性，影響土壤微生物的活動，使農作物根系的呼吸、生長等生命活動受到阻礙，從而影響作物地上部分的生長，造成病害滋生。土壤水分的多少還影響田間耕作措施和播種質量，并影響土壤溫度的高低。另外，我國的水資源十分有限，傳統的漫蓋澆法還會造成水資源的浪費。

為此，農民非常需要一種成本低、體積小且檢測可靠的土壤濕度控制器，用以對土壤環境的濕度進行檢測和控制，以實現數據采集濕度調節等各項功能[1]。為了解決以上問題，本文設計了高穩定性、低成本的農用土壤濕度控制器。

該控制器主要是依靠土壤濕度傳感器感知土壤濕度，單片機可對土壤濕度進行實時A/D轉換，通過開發環境自帶的串口監視器實時顯示濕度數據，并根據實際情況來驅動繼電器帶動水泵進行灌溉，起到高效灌溉、節水、節能的作用。

二、系統工作原理

農用土壤濕度控制器系統由土壤濕度傳感器、Arduino Nano開發板、一路帶光耦繼電器、水泵、電源組成。系統框圖如圖1所示 。

土壤濕度傳感器首先會檢測土壤的濕度，將采樣濕度信號傳送給Arduino Nano開發板，根據編寫的程序，Arduino開發板會判別該濕度信號，是否小于設定的閥值，若小于設定的閥值，說明土壤干燥，繼電器會使水泵開啟，水泵將向土壤進行蓄水。蓄水后，土壤濕度傳感器會再次檢測土壤濕度，當達到設定的閥值時，繼電器會關斷水泵，水泵將會停止向土壤蓄水。

三、系統硬件結構

1、Arduino模塊

Arduino是一款便捷靈活的開源電子平臺，由歐洲團隊開發完成并且由硬件部分和軟件部分組成。其中硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板，該電路板有很多種型號，包括Arduino Uno，Arduino Nano，Arduino LilyPad等等。軟件部分是ArduinoIDE程序開發環境。

由于該土壤濕度控制器具有成本低、體積小、開發周期短的特點，因此本文選用Arduino Nano開發板，該開發板能通過濕度傳感器感知農用土壤的濕度，通過控制水泵等裝置來給土壤補充水分。Arduino Nano是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是沒有電源插座以及USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano是尺寸非常小的而且可以直接插在面包板上使用。其處理器核心是ATmega168(Nano2.x)和ATmega328(Nano3.0)，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），8路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個mini-B USB口，一個ICSP header和一個復位按鈕[2]。Arduino Nano開發板基本參數如表1所示，實物圖如圖2所示。

表1 Arduino Nano開發板基本參數

表2 主控芯片ATMEGA328P基本參數

2、主控芯 片ATmega328P

本文選取主控芯片為ATmega328P，ATmega328P主要特性如下：高性能、低功耗的 8 位AVR 微處理器；先進的RISC 結構；非易失性程序和數據存儲器。其外設特點：兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器；一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器；具有獨立振蕩器的實時計數器RTC；六通道PWM；8路10 位ADC；可編程的串行USART；可工作于主機/ 從機模式的SPI串行接口 ；基于字節的2-wire串行接口；具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器；片內模擬比較器；引腳電平變化可引發中斷及喚醒MCU。

特殊的微控制器特點：上電復位(POR) 以及可編程的掉電檢測(BOD)；經過校準的片內RC 振蕩器；片內、片外中斷源；6種休眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待機模式和延長待機模式。ATMEGA328P基本參數如表2所示，電路原理圖如圖3所示。

2、土壤濕度傳感器模塊

本系統采用的傳感器為 FC-28土壤濕度傳感器，該傳感器是利用的水分不一樣時對傳感器的電阻值影響不一樣，導致傳感器的電阻值發生變化，由此可以得出土壤的水分值。為了方便使用該模塊，本文對從模塊進行了擴展，增加了一個電位器和一個比較器，這樣可以通過比較器直接輸出數字信號，這樣使得操作更為方便直觀。

比較器采用的是LM393。LM393是雙電壓比較器集成電路；工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作。消耗電流小，ICC=0.8mA；輸人失調電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓范圍寬，VIC=0～VCC-1.5V；輸出與TTL, DTL, MOS, CMOS等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門[1]。

該模塊采用了一個10kΩ的電位器接在比較器LM393的負極，增加了一個電源指示燈，電源接通時電源指示燈亮。還增加了一個工作指示燈(開關指示燈)，當土壤水分很少時，則這時電阻非常大，比較器輸出的是一個高電平，即D0(接單片機）引腳輸出高電平，工作指示燈關。當土壤水分高時，比較器的正極電壓變低，則D0輸出低電平，這時工作指示燈變亮(水分過大)。D0引腳只能得到一個濕度的范圍，要想知道確切的濕度值，則還需從濕度傳感器的兩端電壓值中檢測出來把傳感器的電壓引腳A0引出來。由于電壓信號是模擬信號，所以再用A/D轉換器把該信號轉換成數字信號，就可以把水分的具體值顯示出來。擴展后的實物圖如圖4所示。

3、繼電器模塊

光耦的作用主要是用來隔離傳輸、控制，可以防止干擾和故障擴大化。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。基于上述優點，本文選用一路帶光耦繼電器，該繼電器的特點是可以設置高低電平觸發；可以單獨供電JD-VCC；IN信號輸入電壓：0-5V。它的主要作用是用來控制水泵的開關。當采樣濕度信號小于閥值時，繼電器控制水泵運行。當采樣濕度信號大于閥值時，繼電器控制水泵停止運行。一路帶光耦繼電器如圖5所示。

4、水泵模塊

本文選用額定電壓為9V，額定電流為1A的的水泵。最大吸程可以達到2m，流量大約為1.5～2L/min。完全可以滿足實驗的要求。實物圖如圖6所示。

5、系統電路總體連接示意圖

Arduino Nano供電方式我們采用mini-B USB接口供電，工作電壓+5V，因此VCC1、VCC2都為+5V。濕度傳感器數字量輸出端D0與Arduino Nano數字I/O端D0直接相連，通過Arduino Nano來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度。光耦繼電器IN1端口與Arduino Nano數字I/O端D1直接相連，IN1端接收D1端的高低電平信號，進一步控制繼電器吸合，起到了開關的作用。繼電器、水泵和直流電源+9V串聯連接。系統電路連接示意圖如圖7所示。

四、系統軟件設計

軟件代碼采用C++語言編寫，使用arduino集成開發環境（IDE）進行開發，該軟件能夠進行程序的編輯、編譯、調試和下載等操作，簡單易用。通過IDE串口監視器可以讀取當前采集的濕度值。根據土壤灌溉的實際情況，設定濕度的上下閾值，判斷繼電器應該處于開啟還是關閉狀態，進一步控制電機驅動水泵進行灌溉。

土壤濕度控制器的軟件設計流程如圖8所示。軟件設計流程如下：首先整個系統上電并等待系統初始化，初始化完畢后，土壤濕度傳感器采集濕度信號，arduino檢測到濕度值后與設定的濕度閾值相比較，如果當前的濕度值小于系統設定的閾值時，繼電器開啟，水泵開始給土壤蓄水；如果當前的濕度值大于等于系統設定的閾值時，繼電器關閉，水泵停止蓄水。最后延時1000ms,待系統讀取當前的濕度值，并進入下一次循環中。

系統軟件部分可以實現功能：實時采集土壤濕度值，精確控制水泵蓄水；利用上位機串口調試工具在線讀取當前土壤濕度值和繪制濕度曲線。

五、系統性能及可行性測試情況

土壤濕度傳感器在軟硬件調試完成后進行性能測試。上電后即將程序下載到arduino，系統可以正常的工作，能實時顯示出當前的土壤濕度值。當檢測到的濕度值低于臨當濕度值低于所設定的濕度值（即植物需要澆水的臨界濕度值）時，傳感器指示燈滅，顯示器顯示干燥狀態，系統開始控制水泵進行自動灌溉。

濕度傳感器繼續采集數據，當灌溉過程中其采集到的數據高于所設定的另一濕度值（即植物不需要在澆水的臨界濕度值）時，指示燈變亮，顯示器顯示潮濕狀態，控制器使水泵停止灌溉，經過反復多次測試，濕度傳感器靈敏度比較高，系統的響應及時、穩定。[3]實驗測試結果表明土壤濕度控制器設計能夠滿足農用的需要。系統的測試圖如圖9所示。

六、結論

通過在Arduino IDE軟件環境中編寫程序，利用Arduino nano開發板與土壤濕度傳感器，一路帶光耦繼電器、水泵之間的相互配合，實現了對農用土壤濕度的控制，并且實現了土壤濕度控制設備成本低，體積小的目標，實際運用效果較為良好。