作物自動灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

唐娟　黃利強　姜新宇

摘要 針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中智能灌溉和遠程自動化的需求，設(shè)計并研發(fā)了一套基于單片機控制的自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對土壤墑情進行監(jiān)測，對作物進行適時適量自動灌溉。并可利用GSM模塊以手機短信等形式將需求信息發(fā)送給管理人員，管理人員可遠程向單片機發(fā)送指令，實現(xiàn)灌溉。初步試驗表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確采集土壤墑情信息，實現(xiàn)遠程自動灌溉控制。

關(guān)鍵詞 灌溉系統(tǒng)；遠程自動化；GSM

中圖分類號 S277.9+9 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0157-02

在作物生長過程中，不同作物及同種作物在不同生長時期對水的需求量都會不同，不合理的灌溉時間和灌水量不僅會影響作物的產(chǎn)量，而且還會不同程度地影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，合理灌溉是作物生長的重要環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和改善，合理采用自動化程度較高、經(jīng)濟、高效的灌溉系統(tǒng)，不僅可以提高水資源利用率，達到節(jié)約用水的目的，而且還可以提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，從而對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)也起到一定的促進作用。本文設(shè)計了一種基于單片機及GSM一體的自動灌溉控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對作物的遠程定時、定量灌溉，具有重要的社會意義及應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由信息采集模塊、單片機控制模塊及無線通訊模塊構(gòu)成，如圖1所示。由土壤濕度傳感器實時采集該地塊的土壤墑情，單片機將此數(shù)據(jù)進行分解、處理和分析后實現(xiàn)定時、定量灌溉；并對泵房內(nèi)的設(shè)備進行自動控制，同時關(guān)閉布置在農(nóng)田中的電磁閥。通過無線數(shù)傳模塊可實現(xiàn)用戶與現(xiàn)場設(shè)備的遠程人機交互，用戶可通過 GSM 網(wǎng)絡(luò)向控制器下發(fā)控制命令，控制水泵[1-2]。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 信息采集模塊

采用帶有靈敏度調(diào)節(jié)電位器四線制FC-28土壤濕度傳感器作為信息采集模塊的核心，其內(nèi)部集成有電位器，可通過電位器對土壤濕度的閾值進行調(diào)節(jié)，也可以通過軟件補償?shù)姆绞綄υ摴δ苓M行控制。表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能，防止接觸土壤導(dǎo)致生銹，從而延長使用壽命。具有數(shù)字量與模擬量雙輸出模式，內(nèi)置具有強穩(wěn)定性的LM393比較器，集成有電源指示燈和數(shù)字量開關(guān)指示燈，工作電壓3.3～5.0 V。其內(nèi)部模塊電路如圖2所示[3]。

2.2 單片機控制模塊

該模塊可設(shè)定自動模式及手動模式。土壤濕度信息通過ADC0832進行A/D轉(zhuǎn)換，將信號送入STC89C52單片機進行分析。在自動模式設(shè)置情況下，則該值與設(shè)定值上、下限值相比較，若低于下限值，則單片機發(fā)出控制信號，啟動電機，進行灌溉；若高于上限值時，關(guān)閉電機，停止灌溉，實現(xiàn)灌溉設(shè)備的自動運行。在手動模式設(shè)置情況下，則按照設(shè)定好的程序?qū)崿F(xiàn)定時定量灌溉，并實時將土壤濕度值顯示，以達到對土壤墑情實時監(jiān)測的目的[4]。

傳感器、A/D轉(zhuǎn)換與單片機的連接如圖3所示。單片機采用STC89C52，自帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，可以反復(fù)擦除100次，4個8位并行I/O接口，2個16位的定時器、計數(shù)器，中斷控制系統(tǒng)以及片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路。A/D轉(zhuǎn)換使用ADC0832，是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有1個8通道多路開關(guān)，可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的1個進行A/D轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。

2.3 無線通訊模塊

GSM模塊選用Siemens公司的TC35i，可以很好地完成短消息收發(fā)、數(shù)據(jù)和語音通信。TC35i與GSM 2/2+兼容、雙頻（GSM900/GSMl800）、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，可提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口。

GSM與單片機之間采用串口通信的方式，與單片機的 TX、RX連接，如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

按用戶設(shè)定的自動或手動的工作模式，系統(tǒng)進入相應(yīng)程序。在自動模式下，定時檢測土壤濕度，實時顯示，按用戶提前設(shè)定的時間啟動水泵進行定量灌溉；在手動模式下，用戶可隨時用手機發(fā)送短信給 GSM模塊，查詢實時濕度，發(fā)送指令啟動灌溉設(shè)備，當(dāng)濕度超過限定值時，GSM模塊自動發(fā)送報警短信，提醒用戶及時灌溉。系統(tǒng)主程序如圖5所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，使用濕度傳感器實時檢測土壤墑情，實現(xiàn)定時定量灌溉的自動控制。通過GSM模塊，及時發(fā)送墑情報警信息，用戶可以通過手機短信實現(xiàn)遠程灌溉控制。本系統(tǒng)完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、軟件程序編寫。本系統(tǒng)可以用于家庭花卉種植、溫室作物墑情控制等方面，成本低、實用性和可操作性強，有一定的應(yīng)用價值[5-6]。

5 參考文獻

[1] 蔡義華，劉剛，李莉，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集節(jié)點設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009（4）：176-178.

[2] 唐海弢，陳天華，鄭文剛.土壤墑情監(jiān)測預(yù)報技術(shù)研究進展[J].灌溉排水學(xué)報，2011（29）：140-142.

[3] 聶晶，岑紅蕾.精準(zhǔn)滴灌施肥自動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].節(jié)水灌溉，2011（1）：57-61.

[4] 陳磊，許燕，李建軍，等.基于WSN和GSM的智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)機化研究，2017（3）：175-180.

[5] 王語園，孔育琴.基于單片機的大棚智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（12）：50-51.

[6] 廖 雄，羅正華，唐毅謙，等.基于GSM短消息的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].成都大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（3）：70-72.endprint