基于STC15W單片機(jī)農(nóng)田智能灌溉無線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人與自然發(fā)展的不均衡，環(huán)境的污染和自然資源的枯竭，使我國水資源不斷貧乏，對于節(jié)約用水和環(huán)境的保護(hù)就顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國水資源人均占有量僅有2300立方米，不足世界人均占有水量的四分之一，列世界第110位，已被聯(lián)合國列為13個(gè)貧水國家之一。其中水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，利用效率較低是主要原因。目前，我國農(nóng)業(yè)用水利用率僅為40%～50%，灌溉用水有效利用系數(shù)只有約0.4。工業(yè)方面，工業(yè)用水重復(fù)利用率低，僅為20%～40%。可見，節(jié)水灌溉很重要，設(shè)計(jì)一種智能無線的灌溉系統(tǒng)能夠促進(jìn)水資源的有效利用和開發(fā)。

1 系統(tǒng)工作原理概述

農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)將土壤溫濕度、光照及天氣情況信息輸入控制器進(jìn)行分析處理，對輸入的信息進(jìn)行決策，根據(jù)模糊推理值決定是否進(jìn)行灌溉及灌溉量。且數(shù)據(jù)信息通過NB-IoT模塊接入物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺，在WEB平臺或設(shè)備終端能夠監(jiān)測數(shù)據(jù)信息和控制系統(tǒng)。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)連接

智能灌溉系統(tǒng)硬件由NB-IoT模塊通過物聯(lián)網(wǎng)卡與云平臺進(jìn)行連接，模塊的串口與STC15W單片機(jī)控制器的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞，驅(qū)動(dòng)隔離部分采用光耦進(jìn)行數(shù)據(jù)信息輸出與執(zhí)行性的隔離，傳感器采用I2C接口協(xié)議和單線值數(shù)字接口與單片機(jī)進(jìn)行連接。

土壤的溫濕度信息在不同的地理位置出現(xiàn)的數(shù)據(jù)有誤差，為防止采集數(shù)據(jù)信息的單一化，使用3路傳感器來采集溫濕度的信息。輸出通過驅(qū)動(dòng)隔離來控制3路電磁閥和水泵電機(jī)。NB-IoT模塊具備遠(yuǎn)程通信的能力，采用型號為M5310模塊連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺，把數(shù)據(jù)信息匯聚到WEB平臺或終端進(jìn)行監(jiān)控。

2.1 傳感器的選擇

土壤濕度傳感器采用IST瑞士SHT75數(shù)字濕度模塊,它采用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件,這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。因此,該傳感器具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等特點(diǎn)，廣泛用于農(nóng)業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中。溫度傳感器采用DS18B20，該傳感器是一種單總線數(shù)字溫度傳感器，測試溫度范圍（-55℃～+125℃），具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。光照傳感器采用BH1750，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化。Water Sensor水位傳感器不僅可以測量水位，還可以測量是否有水，當(dāng)測量是否有水時(shí)，直接檢測輸出端引腳，若檢測為0，則顯示沒有水，若檢測到1，則有水；當(dāng)檢測水位變化時(shí)，需要進(jìn)行ADC采集，利用函數(shù)進(jìn)行模擬電壓值到水位的轉(zhuǎn)換。

2.2 信息的輸入

在農(nóng)田灌溉區(qū)土壤深度約15cm的位置，不同的區(qū)域設(shè)置3路濕度傳感器，1路溫度傳感器，1路光照傳感器，1路水位傳感器。通過雙絞線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)接收物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)絡(luò)天氣數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的模糊控制規(guī)則進(jìn)行分析處理，對灌溉區(qū)的電磁閥和水泵進(jìn)行灌溉，對農(nóng)田的液位進(jìn)行控制。

2.3 信息的顯示及控制

采用液晶顯示控制及OneNET平臺遠(yuǎn)程顯示控制方式，其中OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺是中國移動(dòng)開放的云平臺，平臺能幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，提供綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)展現(xiàn)。

系統(tǒng)通過NB-IoT連接OneNET的物聯(lián)網(wǎng)平臺，以M5310-A作為無線傳輸模塊，一款工作在頻段Band3/Band5/Band8的工業(yè)級NB-IoT模組，支持eSIM和OneNET云平臺協(xié)議，最新Release14標(biāo)準(zhǔn)，支持更高通信速率，支持基站定位，超低的功耗、超寬的溫度范圍，可廣泛適用于智能抄表、智慧城市、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)等行業(yè)應(yīng)用場景，用以提供完善的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。且設(shè)備模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接采用AT指令集，使得系統(tǒng)的開發(fā)周期縮短，信息網(wǎng)聯(lián)化的實(shí)現(xiàn)更為簡單可靠。NB-IoT硬件原理圖如圖2所示。

圖2 NB-IoT硬件原理圖

3 模糊規(guī)則的制定

農(nóng)作物的生長受溫濕度、光照、水分等因素的影響，合理的灌溉對于農(nóng)作物的生長非常重要，不同的季節(jié)，氣候都影響著灌溉，建立一個(gè)精準(zhǔn)的灌溉系統(tǒng)較為困難，實(shí)際工作中大多采用經(jīng)驗(yàn)值去實(shí)施模糊灌溉。通過不斷學(xué)習(xí)和總結(jié)，對原始灌溉的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，設(shè)計(jì)一種模糊控制系統(tǒng)來達(dá)到智能灌溉的目的。以土壤濕度信息、溫度信息、光照信息、未來天氣情況作為模糊控制的主要輸入信息，得出輸出信息控制電磁閥和水泵進(jìn)行農(nóng)田灌溉。

3.1 農(nóng)田環(huán)境參數(shù)賦值表

設(shè)土壤濕度信息模糊子集為（s），溫度信息模糊子集為（t），光照信息模糊子集為（b），未來天氣雨量信息模糊子集（w）。其中模糊子集 s，t，b，w 分別為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，用英文縮寫{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}來表示，量化為7個(gè)等級{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊變量（b，w）的隸屬度值如表 1 所示，（s，t）的隸屬度值如表2所示。

表1 模糊變量（b，w）的隸屬度值

表2 模糊變量（s，t）的隸屬度值

3.2 模糊規(guī)則

根據(jù)模糊規(guī)則變量（s，t）的隸屬度值，模糊變量（b，w）的隸屬度值及長期灌溉經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)值，可以對隸屬度值進(jìn)行維護(hù)和更改，確定最優(yōu)的灌溉隸屬度值和控制值，從而實(shí)現(xiàn)良好的模糊灌溉控制。其規(guī)則控制語言用如下的形式進(jìn)行描述：

3.3 模糊灌溉推理

根據(jù)上面的模糊規(guī)則運(yùn)算結(jié)果，對模糊變量（s，t）及模糊變量（b，w）取平均值，得出控制輸出u，u的大小決定控制輸出灌溉量的大小和出水量，在結(jié)合液位傳感器液位高度，實(shí)施精準(zhǔn)的水量灌溉控制。其中模糊變量隸屬度值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來調(diào)節(jié)，來改變不同農(nóng)作物地理環(huán)境生長所需要的參數(shù)。

4 結(jié)束語

通過運(yùn)用STC15W單片機(jī)構(gòu)建農(nóng)田灌溉無線監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括NB-IoT無線傳輸、OneNET物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸和控制、傳感輸入輸出電路、顯示和驅(qū)動(dòng)控制輸出部分，軟件控制方面采用了模糊控制模型，通過光照信息、液位信息、天氣溫度信息和土壤濕度信息來綜合分析，決策控制輸出農(nóng)作物的灌溉水量。還能夠通過OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲，為農(nóng)作物的生長提供基礎(chǔ)的研究數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值，產(chǎn)生了工程意義。