基于Arduino和Qt的農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型的設計

李攀攀　辛艷粉　劉秀珍　蒿鵬飛

摘要：為了給農(nóng)作物營造更好的生長環(huán)境，精確的掌握農(nóng)作物生長情況以及環(huán)境的情況很有必要。本文設計了基于Arduino UNO微控制器的農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型，且上位機使用Qt軟件設計人機交互界面。本設計不僅可以實時顯示和掌握農(nóng)作物的土壤濕度、環(huán)境溫度、光照強度等信息，還可以通過相關信息對實時環(huán)境做出相應的改善或保持，具有一定的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：Arduino UNO；農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)；Qt軟件

隨著社會的發(fā)展進步，各個產(chǎn)業(yè)面向自動化。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化，有利于較少人力物力，且通過自動化裝置精確的掌握農(nóng)作物生長情況以及環(huán)境的情況，可為農(nóng)作物營造更好的生長環(huán)境，促進農(nóng)作物的增產(chǎn)[1]。另外水資源日益緊缺已經(jīng)成為全球性的問題，大力發(fā)展節(jié)約用水不僅是革命措施，也是我國基本策略之一。農(nóng)業(yè)用水占據(jù)我國總用水的70%，農(nóng)業(yè)灌溉效率低下和用水浪費的問題普遍存在。因此本設計研究農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型有一定的必要性。

本設計以Arduino UNO微控制器為核心，采用流行的模塊化設計方法進行系統(tǒng)軟件的設計。在軟件程序設計中，根據(jù)系統(tǒng)功能，采用Qt語言[2]進行編寫。軟件根據(jù)功能劃分為若干獨立易解決的模塊，主要有如下程序模塊組成：Arduino UNO溫度采集、步進電機控制、繼電器控制等。主要完成對土壤濕度控制，監(jiān)控溫度、環(huán)境濕度、光照強度以及土壤濕度等參數(shù)，并控制水泵進行滴灌補水作業(yè)，控制通風機進行通風操作，控制天窗的開啟等。

1 系統(tǒng)總體框圖設計

如圖1為系統(tǒng)總框圖，系統(tǒng)由5個模塊與1個微控制器組成，分別是：溫濕度傳感器模塊、實時監(jiān)控模塊、光照控制模塊、水泵模塊、藍牙HC05模塊、Arduino UNO微控制器。微處理器是Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，通過對外部環(huán)境的探測和記錄測量，控制照明和電機以及其他的裝置來反饋、起到影響環(huán)境改善環(huán)境的作用。通過土壤濕度傳感器，室內(nèi)溫度傳感器，光照傳感器實時測量各種數(shù)據(jù)[3]，利用步進電機，水泵，燈泡來改善相應的環(huán)境溫度。

1.1 溫濕傳感器模塊

溫濕度傳感模塊采用的是奧松公司的DHT11傳感器[4]。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，將數(shù)據(jù)處理后輸出。具備溫度050℃（±2℃），濕度2090%RH（±5%RH）的測量范圍，參數(shù)滿足本設計要求，質(zhì)量可靠，價格低廉，易于購買，具備極高的性價比。

土壤濕度檢測采用常用的電阻探針法，因其穩(wěn)定可靠，成本低廉，易于布置。

1.2 實時監(jiān)控模塊

實時監(jiān)控模塊采用的是WLAN無線帶錄像式，因其性能穩(wěn)定，便于組網(wǎng)且自帶存儲介質(zhì)，可進行遠程實時錄像。

1.3 光照控制模塊

本次設計采用德國海曼公司的VT90N1型光敏電阻作為傳感器，因其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠且安裝簡單方便。

1.4 水泵模塊

本設計采用DC直流無刷水泵，因其采用無刷電機進行驅(qū)動，且陶瓷軸承壽命長，噪音小，自帶過濾器，可預先過濾水池中雜質(zhì)。

1.5 藍牙模塊

本設計采用匯承公司的HC05藍牙串行模塊，該模塊基于UART通訊，可快速與移動設備建立連接，使從機與主機進行無線通訊，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

1.6 微控制器

Arduino作為新興的硬件核心平臺，擁有更快的運行速度，更低的功耗，以及豐富的片上外設資源，更可以方便地進行近乎無縫對接的跨平臺代碼移植，價格稍高于51單片機但并不昂貴，性價比很高，完全滿足本次設計需求。因此本設計采用的Arduino UNO，處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕[5]。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。

2 系統(tǒng)的硬件設計

（1）電源管理電路，主電源向單片機控制核心與周邊傳感器提供工作電源，同時接收單片機的控制信號，控制通風風扇、灌溉水泵、加溫設施與天窗。

（2）WLAN攝像頭，采集控制區(qū)域內(nèi)實時圖像，并可多臺組網(wǎng)，支持遠程實時錄像與播放，方便值班人員進行遠程檢查。

（3）傳感器模塊，包括DHT11溫濕度傳感器，VT90N1光敏電阻、土壤濕度探針。

（4）HC05模塊，負責與上位機進行無線UART通訊。

（5）天窗控制模塊，由STC單片機與控制核心通訊，并驅(qū)動步進電機，帶動天窗進行開關操作。

3 系統(tǒng)的軟件設計

如圖3位系統(tǒng)軟件流程圖。先對傳感器是否正常進行判斷，若傳感器數(shù)據(jù)采集傳遞正常，則將讀取的數(shù)據(jù)，回傳至PC機或手機客戶端，并進行數(shù)據(jù)交換，通過數(shù)據(jù)的處理和調(diào)整，PC機或手機客戶端發(fā)出控制指令，從而控制下位機通風機，水泵，天窗及照明加熱等裝置，來影響改變下位機之前的環(huán)境，最后數(shù)據(jù)進行再次檢測并將實時數(shù)據(jù)傳回PC機。

4 系統(tǒng)的調(diào)試

如圖4所示為系統(tǒng)的整體實物模型圖，是對現(xiàn)實情況的種植環(huán)境進行模擬，圖5為Qt編寫的上位機界面圖。圖6為相關參數(shù)的設置。兩者之間根據(jù)預先設定好的協(xié)議通過藍牙HC05模塊和電腦進行通訊。在PC端插上藍牙接收器，打開上位機界面，在其中設置好端口并連接，即可與圖3所示下位機Arduino UNO微控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。利用溫濕度傳感器模塊、實時監(jiān)控模塊、光照控制模塊對環(huán)境內(nèi)每隔1.5s采集一下環(huán)境溫度，光照，土壤濕度，光照強度并回傳至上位機，在相應位置顯示數(shù)據(jù)。并可以根據(jù)圖6中預先設定的參數(shù)值對環(huán)境作出相應的干預，也可以根據(jù)實際情況直接在自己的手機上通過藍牙串口與下位機通訊，對相應的技術參數(shù)進行修改或直接對環(huán)境進行人為干預。

5 結論

本設計利用Arduino UNO微控制器作為主控系統(tǒng)，并結合Qt應用程序設計了一套農(nóng)作物自動灌溉系統(tǒng)模型。通過人機交互界面，對環(huán)境溫度、濕度、光照強度以及土壤濕度等參數(shù)進行相關設置和控制。通過本套系統(tǒng)，可以為智慧農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展提供新的思路和解決方案，具有一定的價值。

參考文獻：

[1]蔣益峰.基于物聯(lián)網(wǎng)探討智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)民致富之友，2016， （8）.

[2]王存健.嵌入式Linux下Qt/Embedded的應用[J].計算機技術與發(fā)展，2006，16（11）.

[3]趙國良.基于Zigbee智能農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設計[J].科技展望，2016，26（31）.

[4]任玲等.基于STC 單片機的種苗催芽室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2015，（3）.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J]電子設計工程，2012，20（16）.