基于大棚作物的多路遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛濤++王一涯++陳曙光

摘要 在利用大棚進(jìn)行農(nóng)作物培育時(shí)，土壤濕度是影響其生長(zhǎng)、發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，因此對(duì)大棚進(jìn)行多點(diǎn)土壤濕度檢測(cè)，根據(jù)各點(diǎn)土壤濕度對(duì)農(nóng)作物實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的土壤多點(diǎn)灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中選用SM2801B土壤水分傳感器作為測(cè)量土壤濕度元件，以STM32F429單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行多點(diǎn)土壤濕度檢測(cè)并以電磁閥為執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的定點(diǎn)灌溉。同時(shí)，通過串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，并以VB編寫的上位機(jī)界面將各點(diǎn)土壤濕度以曲線的形式顯示出來，通過上位機(jī)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程定點(diǎn)灌溉操作。

關(guān)鍵詞 SM2801b；灌溉控制系統(tǒng)；土壤濕度；VB；單片機(jī)

中圖分類號(hào) TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）02-0147-02

Design of Multiple Remote Irrigation Control System Used in Greenhouse Crop

NIU Tao 1 WANG Yi-ya 2 CHEN Shu-guang 3 WANG Xian-ju 3 *

（1 Fuyang Xinniu Agricultural Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uyang Anhui 236000； 2 Fuyang Chunjiang Agricultural Technology Co.，Ltd.；

3 Fuyang Normal University）

Abstract In the use of greenhouses for crop cultivation，soil moisture is one of the key factors affecting its growth.Therefore，through multi-point soil moisture detection of greenhouses，it is particularly important for crops to implement precision irrigation according to soil moisture of each point.This paper designed a kind of soil multi-point irrigation control system based on single chip microcomputer.SM2801B soil moisture sensor was chosen as the measured soil moisture components.STM32F429 was used as control core.Multi-point soil moisture detection and electromagnetic valve as executive element were used to realize fixed irrigation of crops.At the same time，communication was achieved through a serial port and PC.Soil humidity was displayed in the form of curve at various points in the PC interface of VB.Remote fixed-point irrigation operation was realized through the upper machine interface.

Key words SM2801b；irrigation control system；soil moisture；VB；MCU

環(huán)境因素的適宜與否對(duì)于大棚作物來說是首要考慮的問題，也是其需克服的關(guān)鍵技術(shù)之一，如果僅靠人工管理的方法是無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的，必須要以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)作為輔助。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，來控制環(huán)境條件，從而使作物能達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的[1]。

土壤濕度是影響作物生長(zhǎng)的重要因素之一，保證作物長(zhǎng)期在一種適宜的土壤濕度環(huán)境下生長(zhǎng)是設(shè)施農(nóng)業(yè)亟需解決的問題。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中采用統(tǒng)一灌溉方式，極易造成過量灌溉、不均勻灌溉，不但浪費(fèi)了水資源，而且當(dāng)灌溉量超過一定值時(shí)，還會(huì)影響作物生長(zhǎng)[2-3]。本設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)和節(jié)水需求，設(shè)計(jì)了一套多路遠(yuǎn)程可控灌溉系統(tǒng)，土壤濕度傳感器采集多點(diǎn)土壤濕度信息，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，參照專家系統(tǒng)得出各點(diǎn)灌溉量的準(zhǔn)確值，PC機(jī)將各點(diǎn)灌溉量發(fā)送下位機(jī)，下位機(jī)控制繼電器進(jìn)行定點(diǎn)定量灌溉，既節(jié)水，又可為農(nóng)作物提供了穩(wěn)定的土壤濕度環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F429單片機(jī)為控制中心，以多個(gè)SM-2801B土壤水分傳感器作為測(cè)濕元件對(duì)大棚內(nèi)多點(diǎn)土壤濕度進(jìn)行測(cè)量，單片機(jī)對(duì)其土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分處理，并通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)以供遠(yuǎn)程觀測(cè)。單片機(jī)將各點(diǎn)測(cè)量值與土壤濕度設(shè)定下限值進(jìn)行比較，若實(shí)際土壤濕度值低于設(shè)定濕度的下限值，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，控制繼電器打開電磁閥開始灌溉，直到土壤濕度達(dá)到預(yù)設(shè)濕度的上限值，停止灌溉[4-5]。單片機(jī)作為下位機(jī)，將處理過的土壤濕度數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機(jī)，并通過VB編寫的上位機(jī)界面以數(shù)值和曲線2種形式進(jìn)行顯示，便于遠(yuǎn)程土壤濕度觀察與分析。通過VB上位機(jī)界面能夠靈活地設(shè)置土壤濕度的上下限值，可應(yīng)用于各種農(nóng)作物灌溉需求，還可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程灌溉操作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)STM32F429、多路土壤水分傳感器SM2801B、繼電器、多路選擇開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換模塊和電磁閥等組成。在大棚里布置多個(gè)土壤水分傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的土壤濕度測(cè)量，單片機(jī)通過控制多路選擇開關(guān)分時(shí)采集多個(gè)土壤濕度傳感器的測(cè)量值，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，一方面將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸給上位機(jī)，另一方面將處理過的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)設(shè)定的土壤濕度上下限值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否觸發(fā)相應(yīng)繼電器動(dòng)作[6-7]。

1.2.1 土壤濕度測(cè)量電路。系統(tǒng)采用8個(gè)土壤水分傳感器SM2801B測(cè)量土壤濕度，傳感器輸出為RS485標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，因單片機(jī)為TTL電平，因此兩者要實(shí)現(xiàn)通信，中間要通過RS232/RS485/TTL轉(zhuǎn)換模塊[8-9]。由于單片機(jī)STM32F429串口資源有限，而各個(gè)傳感器通過電平轉(zhuǎn)換器都需要與單片機(jī)串口通信，所以為解決此問題，并減少轉(zhuǎn)換器使用數(shù)量，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，在傳感器和轉(zhuǎn)換器之間接入多路選擇開關(guān)。單片機(jī)與單個(gè)土壤濕度傳感器的電路連接圖如圖2所示。

1.2.2 繼電器模塊。本系統(tǒng)中的繼電器采用固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導(dǎo)體和電子元件的電、磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能，與傳統(tǒng)繼電器相比，無機(jī)械觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)。

本系統(tǒng)繼電器控制電路如圖3所示，固態(tài)繼電器3、4端為直流輸入端，1、2端為交流輸出端，單片機(jī)引腳輸出高電平，NPN三極管便導(dǎo)通，12V直流電源加入到固態(tài)繼電器的輸入端，輸出端的開關(guān)閉合，電磁閥通電，開始工作。當(dāng)PA0引腳輸出低電平時(shí)，輸入端電壓過低，輸出端的開關(guān)斷開，電磁閥停止工作。由此可見，通過單片機(jī)引腳輸出高低電平即可控制電磁閥通斷。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F429為下位機(jī)，軟件開發(fā)環(huán)境為IAR，編程語言為C語言，采用模塊化編程思想。下位機(jī)程序主要有主程序、土壤濕度采集子程序、串口通信程序和繼電器控制子程序。當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，主程序開始運(yùn)行，首先調(diào)用土壤濕度采集子程序，分時(shí)采集8路土壤濕度傳感器測(cè)量值，并對(duì)其進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)調(diào)用串口通信子程序?qū)?路土壤濕度值傳輸給PC機(jī)，在繼電器控制子程序里，單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)各點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)點(diǎn)的設(shè)定土壤濕度上下限值進(jìn)行比較，若測(cè)量值低于預(yù)設(shè)的土壤濕度下限值，單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳輸出高電平，驅(qū)動(dòng)繼電器執(zhí)行動(dòng)作，打開電磁閥，開始灌溉，直到濕度達(dá)到設(shè)定的上限值，單片機(jī)引腳輸出低電平，關(guān)閉電磁閥，停止灌溉。單片機(jī)主程序流程如圖4所示。

2 結(jié)論

經(jīng)過硬件和軟件調(diào)試，通過上位機(jī)可完成對(duì)各點(diǎn)土壤濕度上下限值靈活設(shè)置，單片機(jī)分時(shí)采集8路土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將實(shí)際測(cè)量值與與設(shè)定值進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量和定量測(cè)量，達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的目的，對(duì)促進(jìn)大棚作物高效、優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)具有重要意義。

3 參考文獻(xiàn)

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