基于STC15W單片機農田智能灌溉無線監控系統的實現

張吉圭

（貴州城市職業學院，貴州 貴陽 550025）

隨著經濟社會的發展，人與自然發展的不均衡，環境的污染和自然資源的枯竭，使我國水資源不斷貧乏，對于節約用水和環境的保護就顯得尤為重要。據統計，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，已被聯合國列為13個貧水國家之一。其中水資源浪費嚴重，利用效率較低是主要原因。目前，我國農業用水利用率僅為40%～50%，灌溉用水有效利用系數只有約0.4。工業方面，工業用水重復利用率低，僅為20%～40%。可見，節水灌溉很重要，設計一種智能無線的灌溉系統能夠促進水資源的有效利用和開發。

1 系統工作原理概述

農田智能灌溉系統將土壤溫濕度、光照及天氣情況信息輸入控制器進行分析處理，對輸入的信息進行決策，根據模糊推理值決定是否進行灌溉及灌溉量。且數據信息通過NB-IoT模塊接入物聯網OneNET平臺，在WEB平臺或設備終端能夠監測數據信息和控制系統。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理框圖

2 系統硬件結構連接

智能灌溉系統硬件由NB-IoT模塊通過物聯網卡與云平臺進行連接，模塊的串口與STC15W單片機控制器的串口進行數據信息傳遞，驅動隔離部分采用光耦進行數據信息輸出與執行性的隔離，傳感器采用I2C接口協議和單線值數字接口與單片機進行連接。

土壤的溫濕度信息在不同的地理位置出現的數據有誤差，為防止采集數據信息的單一化，使用3路傳感器來采集溫濕度的信息。輸出通過驅動隔離來控制3路電磁閥和水泵電機。NB-IoT模塊具備遠程通信的能力，采用型號為M5310模塊連接到物聯網平臺，把數據信息匯聚到WEB平臺或終端進行監控。

2.1 傳感器的選擇

土壤濕度傳感器采用IST瑞士SHT75數字濕度模塊,它采用專利的工業COMS過程微加工技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件,這兩個敏感元件與一個14位的A/D轉換器以及一個串行接口電路設計在同一個芯片上面。因此,該傳感器具有品質卓越、響應超快、抗干擾能力強、極高的性價比等特點，廣泛用于農業工業生產中。溫度傳感器采用DS18B20，該傳感器是一種單總線數字溫度傳感器，測試溫度范圍（-55℃～+125℃），具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。光照傳感器采用BH1750，是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路，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，當測量是否有水時，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；當檢測水位變化時，需要進行ADC采集，利用函數進行模擬電壓值到水位的轉換。

2.2 信息的輸入

在農田灌溉區土壤深度約15cm的位置，不同的區域設置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。通過雙絞線傳輸到單片機控制系統，同時接收物聯網平臺的網絡天氣數據，根據設置的模糊控制規則進行分析處理，對灌溉區的電磁閥和水泵進行灌溉，對農田的液位進行控制。

2.3 信息的顯示及控制

采用液晶顯示控制及OneNET平臺遠程顯示控制方式，其中OneNET物聯網平臺是中國移動開放的云平臺，平臺能幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，提供綜合性的物聯網解決方案，實現物聯網設備的數據獲取，數據存儲，數據展現。

系統通過NB-IoT連接OneNET的物聯網平臺，以M5310-A作為無線傳輸模塊，一款工作在頻段Band3/Band5/Band8的工業級NB-IoT模組，支持eSIM和OneNET云平臺協議，最新Release14標準，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、智慧農業等行業應用場景，用以提供完善的數據傳輸服務。且設備模塊與物聯網平臺連接采用AT指令集，使得系統的開發周期縮短，信息網聯化的實現更為簡單可靠。NB-IoT硬件原理圖如圖2所示。

圖2 NB-IoT硬件原理圖

3 模糊規則的制定

農作物的生長受溫濕度、光照、水分等因素的影響，合理的灌溉對于農作物的生長非常重要，不同的季節，氣候都影響著灌溉，建立一個精準的灌溉系統較為困難，實際工作中大多采用經驗值去實施模糊灌溉。通過不斷學習和總結，對原始灌溉的數據進行分析處理，設計一種模糊控制系統來達到智能灌溉的目的。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行農田灌溉。

3.1 農田環境參數賦值表

設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{負大，負中，負小，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 模糊規則

根據模糊規則變量（s，t）的隸屬度值，模糊變量（b，w）的隸屬度值及長期灌溉經驗及經驗值，可以對隸屬度值進行維護和更改，確定最優的灌溉隸屬度值和控制值，從而實現良好的模糊灌溉控制。其規則控制語言用如下的形式進行描述：

3.3 模糊灌溉推理

根據上面的模糊規則運算結果，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，在結合液位傳感器液位高度，實施精準的水量灌溉控制。其中模糊變量隸屬度值根據經驗值來調節，來改變不同農作物地理環境生長所需要的參數。

4 結束語

通過運用STC15W單片機構建農田灌溉無線監控系統，系統包括NB-IoT無線傳輸、OneNET物聯網信息傳輸和控制、傳感輸入輸出電路、顯示和驅動控制輸出部分，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，決策控制輸出農作物的灌溉水量。還能夠通過OneNET物聯網平臺遠程監測和數據存儲，為農作物的生長提供基礎的研究數據和經驗值，產生了工程意義。