智能澆灌裝置設(shè)計(jì)在大棚種植中的應(yīng)用

張 濤，李自成，官永琪，陳洪希，王文濤，程 超

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000）

隨著國家科技水平的逐步提高，加快步入智能化時(shí)代的進(jìn)程，人們平時(shí)的生活勞作方式逐漸趨向于簡(jiǎn)便、智能化。越來越多的智能化產(chǎn)品投入到了種植業(yè)、栽培業(yè)之中。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，作為國民生活命脈，國家花費(fèi)了大量財(cái)力發(fā)展科學(xué)、快捷、高效的農(nóng)業(yè)模式。大棚蔬菜、無土栽培等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地提高了收益率。但是存在農(nóng)業(yè)種植一般規(guī)模比較大，少則幾畝，多則上百畝，由于人力和設(shè)備的限制，根本無暇及時(shí)照料的問題。這會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物長時(shí)間缺水干旱和暴曬在陽光下，最終枯死。還有存在人為操縱設(shè)備澆水，掌握不了農(nóng)作物的土壤溫度和濕度情況，而盲目進(jìn)行澆水。澆水過度，造成農(nóng)作物澇死、病變；澆水量不足，不能滿足植物生長需求。為解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了利用溫濕度、光照強(qiáng)度傳感器采集信息，用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)澆水、遮陽的智能澆灌裝置[1]，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的要求。

1 工作原理及系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

農(nóng)作物澆灌并不是任何時(shí)候都可以，溫度太高和光照強(qiáng)度太強(qiáng)情況下都不適合澆水。本文設(shè)計(jì)的澆灌裝置，利用兩個(gè)傳感器來采集環(huán)境的光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度信息[2]。將所采集的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)[3]，單片機(jī)將信號(hào)與預(yù)設(shè)定的溫度、濕度、光照強(qiáng)度值相比較[4]。如果濕度適宜，溫度過高和光照強(qiáng)度太高，單片機(jī)則控制遮陽篷布電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)遮陽篷布對(duì)植物進(jìn)行遮陽處理，電機(jī)控制的水泵則停止工作。如果濕度低于預(yù)設(shè)值，溫度和光照強(qiáng)度都在適宜范圍內(nèi)，單片機(jī)則控制水泵電機(jī)工作，進(jìn)行灌溉。濕度低于預(yù)設(shè)值，溫度和光照強(qiáng)度都不適宜，水泵電機(jī)不工作。溫度、濕度、光照強(qiáng)度信息共同來決定裝置澆水、控光功能[5]，實(shí)現(xiàn)智能控制。裝置總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路

單片機(jī)時(shí)鐘電路是由外部晶振來實(shí)現(xiàn)振蕩的電路，為單片機(jī)提供運(yùn)行時(shí)間，由兩個(gè)電容和一個(gè)晶振組成[6]。晶振來決定單片機(jī)的運(yùn)行速度，在本文中選用12MHz晶振。復(fù)位電路就是在復(fù)位引腳產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)程序從頭開始執(zhí)行，保證單片機(jī)程序不會(huì)出現(xiàn)跑飛和死機(jī)情況，本文采用高電平復(fù)位電路。電路如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘和復(fù)位電路

2.2 光照強(qiáng)度傳感電路

一些農(nóng)作物不能長時(shí)間暴曬在陽光之下，容易被曬傷，植物一般喜陽強(qiáng)度在5klx左右，根據(jù)農(nóng)作物自己的喜光程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。在Proteus軟件中沒有BH1750光照強(qiáng)度傳感元件模塊，在設(shè)計(jì)中利用滑動(dòng)電位器分壓來代替BH1750光照強(qiáng)度傳感器采集的電壓信號(hào)。利用8位、單通道、價(jià)格便宜的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804芯片，將采集到的光照強(qiáng)度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)將采集的信號(hào)，與處理后的溫濕度傳感器采集的信息相比較，再判斷是否發(fā)出澆水遮陽指令。設(shè)計(jì)出用滑動(dòng)電位器模擬光照強(qiáng)度傳感器的圖3電路。

圖3 滑動(dòng)變阻模擬光照強(qiáng)度傳感器電路圖

2.3 溫濕度傳感電路

在該設(shè)計(jì)中選用已經(jīng)校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)后輸出的DHT11溫度濕度相結(jié)合的傳感器，該傳感器主要由電阻型感濕元件和NTC測(cè)溫元件組成。它可以直接與AT89C51單片機(jī)相連，不需要用外設(shè)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理檢測(cè)的信號(hào)，使用方便。溫度量程在0-50℃，誤差范圍±2℃。根據(jù)實(shí)際需要，在本設(shè)計(jì)中土壤溫度上限設(shè)置為35℃，下限設(shè)置為28℃，最理想溫度30℃。土壤濕度在60%-80%左右，根據(jù)不同的植物耐濕性自由調(diào)節(jié)，一般在75%最佳。當(dāng)溫度值超過或低于設(shè)置的值時(shí)，單片機(jī)控制的水泵電機(jī)不工作，防止凍傷和燒傷植物。等待溫度、光照強(qiáng)度在適宜范圍內(nèi)，缺水時(shí)水泵電機(jī)才驅(qū)動(dòng)進(jìn)行澆水。溫度、濕度當(dāng)超過設(shè)定的值時(shí)，繼電器控制的相應(yīng)LED報(bào)警燈會(huì)亮[7]，裝置不會(huì)進(jìn)行澆水動(dòng)作[8]。溫濕度傳感電路及引腳接口如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感電路

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

在本裝置設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功能需要能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)角度可控，按照設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣才能保證遮陽篷和水泵的正常運(yùn)行，如果轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大或轉(zhuǎn)動(dòng)不可停，那么可能就會(huì)導(dǎo)致扭斷轉(zhuǎn)軸或裝置。根據(jù)模擬需要，選用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來模擬遮陽篷驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)輸入的脈沖數(shù)量，來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度或前進(jìn)步數(shù)[9]。但單片機(jī)輸出的電流很小，無法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以在電路設(shè)計(jì)中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片將單片機(jī)輸出的電流放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[10]。第一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮陽篷工作，當(dāng)光照強(qiáng)度過高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度即可實(shí)現(xiàn)遮陽功能，光照不足時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉遮陽篷。第二個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制水泵的運(yùn)作，當(dāng)接收到澆水命令時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵抽水進(jìn)行灌溉，土壤濕度處在75%時(shí)，水泵關(guān)閉。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及連接方式如圖5所示[11]。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.5 顯示電路

在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中，顯示溫度、濕度信息的顯示屏選用字符型液晶顯示模塊LCD1602。它是一個(gè)集成了驅(qū)動(dòng)主電路HD44780、擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100以及一些電阻電容元件的功能性模塊。該模塊能顯示32個(gè)字符，整個(gè)芯片的工作電壓在4.5-5.5V，工作電流在0.002A。整個(gè)顯示屏最佳的工作電壓是維持在5.0V。在本設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)的無背光14引腳的LCD1602。它的連接方式有直接控制和間接控制兩種，為了簡(jiǎn)化電路，選用直接控制方式。

LCD1602顯示屏的14個(gè)引腳，重點(diǎn)在于幾個(gè)使能端的接法。它的基本操作有讀狀態(tài)、讀數(shù)據(jù)、寫命令、寫數(shù)據(jù)四種，四種操作的核心在于RS端和RW端的電平變化。RS端是命令/數(shù)據(jù)切換引腳，該端口為邏輯0時(shí)，選擇命令，為邏輯1時(shí)，選擇數(shù)據(jù)。RW端口是讀/寫選擇引腳，當(dāng)該接口電平為邏輯0時(shí)，向顯示屏寫入命令和數(shù)據(jù)，當(dāng)該端口電平為邏輯1時(shí)，顯示屏讀取狀態(tài)和數(shù)據(jù)。第三引腳VEE端是液晶顯示屏顯示的偏壓信號(hào)，在這里為了避免對(duì)比度過高時(shí)產(chǎn)生“鬼影”現(xiàn)象，在使用時(shí)接入一個(gè)10K的電位器，來調(diào)整其對(duì)比度，減小誤差。

在澆灌裝置電路的設(shè)計(jì)中，需要將系統(tǒng)采集的溫度TEM、濕度HUM和光照強(qiáng)度LIG的信息以數(shù)字和百分比的形式顯示在顯示屏上。LCD1602在該裝置系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)及連接方法如圖6所示。

圖6 顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的裝置工作必須要按照一定的順序進(jìn)行，澆水動(dòng)作指令的第一步先判斷環(huán)境光照強(qiáng)度情況。光照是能量的來源，如果光照強(qiáng)度太高，輻射的能量會(huì)引起農(nóng)作物所處土壤溫度升高，光照強(qiáng)度太低，會(huì)導(dǎo)致土壤溫度過低。在這兩種情況下，都是不適宜進(jìn)行下一步溫濕度信息采集指令的[12]。單片機(jī)會(huì)發(fā)出相關(guān)指令，控制遮陽篷布工作。當(dāng)光照強(qiáng)度為0時(shí)，整個(gè)裝置處于待機(jī)不工作狀態(tài)。光照強(qiáng)度在適宜范圍內(nèi)并將溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，再進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步再控制水泵的工作。這樣才能保證裝置在植物土壤濕度低于預(yù)期的時(shí)候，且土壤溫度、環(huán)境光照強(qiáng)度適宜時(shí)進(jìn)行澆水，保證植物生長環(huán)境物理狀態(tài)在最佳。根據(jù)工作流程的構(gòu)思制作出圖7的軟件運(yùn)行流程圖。

圖7 軟件流程圖

編程軟件用微控制器軟件開發(fā)工具Keil，因其擁有豐富的庫函數(shù)和非常強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，在中國的軟硬件領(lǐng)域利用率高達(dá)80%。裝置設(shè)計(jì)的功能要實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)在于程序的編寫，Keil μVision 4軟件編程使用的流程為新建Project→選擇單片機(jī)型號(hào)AT89C51→新建后綴名*.C程序文本→將源文件加入到工程→在源文件輸入框中寫入程序→編譯程序→輸出.hex文件。用Proteus仿真時(shí)，雙擊單片機(jī)，將.hex文件加載到單片機(jī)即可進(jìn)行仿真。程序編寫的重點(diǎn)在于溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)字信息相比較的程序編寫，會(huì)多次用到if函數(shù)和for循環(huán)函數(shù)的嵌套。在延時(shí)函數(shù)程序中會(huì)多次用到。軟件編寫部分程序如圖8所示。

圖8 部分程序窗口

4 智能澆灌裝置發(fā)展的未來展望

整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)由控制電路、譯碼電路、傳感電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成，結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的功能能與農(nóng)作物生長所需環(huán)境信息相匹配。“智慧農(nóng)業(yè)”模式是大勢(shì)所趨，我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)智能澆灌方面還沒有成形的硬件系統(tǒng)和技術(shù)，在后續(xù)不斷地設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，智能澆灌裝置將會(huì)出現(xiàn)在各種大型灌溉場(chǎng)合。為了更好地解決現(xiàn)代技術(shù)智能發(fā)展與傳統(tǒng)方法之間矛盾，常規(guī)的灌溉模式已不可取。智慧農(nóng)業(yè)灌溉將是解決此矛盾的重要措施之一，對(duì)智能化灌溉系統(tǒng)的大面積推廣使用不但可以節(jié)約農(nóng)業(yè)種植人力資源，也能降低灌溉產(chǎn)業(yè)投入成本。探索適合農(nóng)業(yè)的智能化灌溉系統(tǒng)模式是搶占未來農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的重要核心技術(shù)，本設(shè)計(jì)雖然還有諸多地方需要完善優(yōu)化，但在后續(xù)的設(shè)計(jì)中能起到基石的作用。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于“大棚種植”模式的智慧農(nóng)業(yè)澆灌裝置，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作。利用傳感器來獲得環(huán)境信息參數(shù)，單片機(jī)將信息經(jīng)過接收、判斷、處理，進(jìn)而控制水泵電機(jī)和遮陽篷電機(jī)工作[13]。使電機(jī)在土壤溫度、濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度共同監(jiān)測(cè)下進(jìn)行智能運(yùn)行，確保澆灌裝置在最理想的狀態(tài)下進(jìn)行灌溉遮陽作業(yè)。保證裝置在農(nóng)作物處于最佳狀態(tài)下進(jìn)行澆水動(dòng)作，既減少了人們的工作量，又保證植物不受損傷。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置能完成信息采集功能、數(shù)據(jù)處理功能、控制驅(qū)動(dòng)功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求，可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行智慧灌溉。