智能澆灌裝置設計在大棚種植中的應用

張 濤，李自成，官永琪，陳洪希，王文濤，程 超

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

隨著國家科技水平的逐步提高，加快步入智能化時代的進程，人們平時的生活勞作方式逐漸趨向于簡便、智能化。越來越多的智能化產品投入到了種植業、栽培業之中。中國是一個農業大國，作為國民生活命脈，國家花費了大量財力發展科學、快捷、高效的農業模式。大棚蔬菜、無土栽培等技術的廣泛應用，極大地提高了收益率。但是存在農業種植一般規模比較大，少則幾畝，多則上百畝，由于人力和設備的限制，根本無暇及時照料的問題。這會導致農作物長時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備澆水，掌握不了農作物的土壤溫度和濕度情況，而盲目進行澆水。澆水過度，造成農作物澇死、病變；澆水量不足，不能滿足植物生長需求。為解決這些問題，本文設計了利用溫濕度、光照強度傳感器采集信息，用單片機控制驅動器，實現澆水、遮陽的智能澆灌裝置[1]，實現智慧農業的要求。

1 工作原理及系統框架設計

農作物澆灌并不是任何時候都可以，溫度太高和光照強度太強情況下都不適合澆水。本文設計的澆灌裝置，利用兩個傳感器來采集環境的光照強度、土壤溫度、土壤濕度信息[2]。將所采集的模擬信號，經A/D轉換模塊處理成數字信號傳給單片機[3]，單片機將信號與預設定的溫度、濕度、光照強度值相比較[4]。如果濕度適宜，溫度過高和光照強度太高，單片機則控制遮陽篷布電機工作，驅動遮陽篷布對植物進行遮陽處理，電機控制的水泵則停止工作。如果濕度低于預設值，溫度和光照強度都在適宜范圍內，單片機則控制水泵電機工作，進行灌溉。濕度低于預設值，溫度和光照強度都不適宜，水泵電機不工作。溫度、濕度、光照強度信息共同來決定裝置澆水、控光功能[5]，實現智能控制。裝置總體框架結構如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 時鐘電路和復位電路

單片機時鐘電路是由外部晶振來實現振蕩的電路，為單片機提供運行時間，由兩個電容和一個晶振組成[6]。晶振來決定單片機的運行速度，在本文中選用12MHz晶振。復位電路就是在復位引腳產生復位信號，使單片機程序從頭開始執行，保證單片機程序不會出現跑飛和死機情況，本文采用高電平復位電路。電路如圖2所示。

圖2 時鐘和復位電路

2.2 光照強度傳感電路

一些農作物不能長時間暴曬在陽光之下，容易被曬傷，植物一般喜陽強度在5klx左右，根據農作物自己的喜光程度進行適當調節。在Proteus軟件中沒有BH1750光照強度傳感元件模塊，在設計中利用滑動電位器分壓來代替BH1750光照強度傳感器采集的電壓信號。利用8位、單通道、價格便宜的A/D轉換器ADC0804芯片，將采集到的光照強度模擬信號轉換為單片機能識別的數字信號，單片機將采集的信號，與處理后的溫濕度傳感器采集的信息相比較，再判斷是否發出澆水遮陽指令。設計出用滑動電位器模擬光照強度傳感器的圖3電路。

圖3 滑動變阻模擬光照強度傳感器電路圖

2.3 溫濕度傳感電路

在該設計中選用已經校準數字信號后輸出的DHT11溫度濕度相結合的傳感器，該傳感器主要由電阻型感濕元件和NTC測溫元件組成。它可以直接與AT89C51單片機相連，不需要用外設A/D轉換模塊處理檢測的信號，使用方便。溫度量程在0-50℃，誤差范圍±2℃。根據實際需要，在本設計中土壤溫度上限設置為35℃，下限設置為28℃，最理想溫度30℃。土壤濕度在60%-80%左右，根據不同的植物耐濕性自由調節，一般在75%最佳。當溫度值超過或低于設置的值時，單片機控制的水泵電機不工作，防止凍傷和燒傷植物。等待溫度、光照強度在適宜范圍內，缺水時水泵電機才驅動進行澆水。溫度、濕度當超過設定的值時，繼電器控制的相應LED報警燈會亮[7]，裝置不會進行澆水動作[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 驅動電路

在本裝置設計中，驅動電機功能需要能實現正反轉，并且轉動角度可控，按照設定的數值進行轉動。這樣才能保證遮陽篷和水泵的正常運行，如果轉動角度過大或轉動不可停，那么可能就會導致扭斷轉軸或裝置。根據模擬需要，選用兩個步進電機來模擬遮陽篷驅動電機和水泵驅動電機，根據輸入的脈沖數量，來控制轉子轉動的角度或前進步數[9]。但單片機輸出的電流很小，無法直接驅動步進電機，所以在電路設計中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片將單片機輸出的電流放大后驅動步進電機[10]。第一個步進電機驅動遮陽篷工作，當光照強度過高時，步進電機轉動一定的角度即可實現遮陽功能，光照不足時，步進電機反轉關閉遮陽篷。第二個步進電機控制水泵的運作，當接收到澆水命令時，步進電機驅動水泵抽水進行灌溉，土壤濕度處在75%時，水泵關閉。步進電機驅動電路及連接方式如圖5所示[11]。

圖5 步進電機驅動電路

2.5 顯示電路

在整個電路的設計中，顯示溫度、濕度信息的顯示屏選用字符型液晶顯示模塊LCD1602。它是一個集成了驅動主電路HD44780、擴展驅動電路HD44100以及一些電阻電容元件的功能性模塊。該模塊能顯示32個字符，整個芯片的工作電壓在4.5-5.5V，工作電流在0.002A。整個顯示屏最佳的工作電壓是維持在5.0V。在本設計中選用標準的無背光14引腳的LCD1602。它的連接方式有直接控制和間接控制兩種，為了簡化電路，選用直接控制方式。

LCD1602顯示屏的14個引腳，重點在于幾個使能端的接法。它的基本操作有讀狀態、讀數據、寫命令、寫數據四種，四種操作的核心在于RS端和RW端的電平變化。RS端是命令/數據切換引腳，該端口為邏輯0時，選擇命令，為邏輯1時，選擇數據。RW端口是讀/寫選擇引腳，當該接口電平為邏輯0時，向顯示屏寫入命令和數據，當該端口電平為邏輯1時，顯示屏讀取狀態和數據。第三引腳VEE端是液晶顯示屏顯示的偏壓信號，在這里為了避免對比度過高時產生“鬼影”現象，在使用時接入一個10K的電位器，來調整其對比度，減小誤差。

在澆灌裝置電路的設計中，需要將系統采集的溫度TEM、濕度HUM和光照強度LIG的信息以數字和百分比的形式顯示在顯示屏上。LCD1602在該裝置系統中的電路設計及連接方法如圖6所示。

圖6 顯示電路

3 系統軟件設計

設計的裝置工作必須要按照一定的順序進行，澆水動作指令的第一步先判斷環境光照強度情況。光照是能量的來源，如果光照強度太高，輻射的能量會引起農作物所處土壤溫度升高，光照強度太低，會導致土壤溫度過低。在這兩種情況下，都是不適宜進行下一步溫濕度信息采集指令的[12]。單片機會發出相關指令，控制遮陽篷布工作。當光照強度為0時，整個裝置處于待機不工作狀態。光照強度在適宜范圍內并將溫度控制在適宜的范圍內，再進行土壤濕度監測，進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期的時候，且土壤溫度、環境光照強度適宜時進行澆水，保證植物生長環境物理狀態在最佳。根據工作流程的構思制作出圖7的軟件運行流程圖。

圖7 軟件流程圖

編程軟件用微控制器軟件開發工具Keil，因其擁有豐富的庫函數和非常強大的集成開發調試工具，在中國的軟硬件領域利用率高達80%。裝置設計的功能要實現，重點在于程序的編寫，Keil μVision 4軟件編程使用的流程為新建Project→選擇單片機型號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，雙擊單片機，將.hex文件加載到單片機即可進行仿真。程序編寫的重點在于溫度、濕度、光照強度數字信息相比較的程序編寫，會多次用到if函數和for循環函數的嵌套。在延時函數程序中會多次用到。軟件編寫部分程序如圖8所示。

圖8 部分程序窗口

4 智能澆灌裝置發展的未來展望

整個裝置的設計由控制電路、譯碼電路、傳感電路、顯示電路、驅動電路等組成，結構小巧簡單，設計的功能能與農作物生長所需環境信息相匹配。“智慧農業”模式是大勢所趨，我國是一個農業大國，在農業智能澆灌方面還沒有成形的硬件系統和技術，在后續不斷地設計與優化中，智能澆灌裝置將會出現在各種大型灌溉場合。為了更好地解決現代技術智能發展與傳統方法之間矛盾，常規的灌溉模式已不可取。智慧農業灌溉將是解決此矛盾的重要措施之一，對智能化灌溉系統的大面積推廣使用不但可以節約農業種植人力資源，也能降低灌溉產業投入成本。探索適合農業的智能化灌溉系統模式是搶占未來農業灌溉系統的重要核心技術，本設計雖然還有諸多地方需要完善優化，但在后續的設計中能起到基石的作用。

5 結論

本文設計了一種基于“大棚種植”模式的智慧農業澆灌裝置，其電路結構簡單，易操作。利用傳感器來獲得環境信息參數，單片機將信息經過接收、判斷、處理，進而控制水泵電機和遮陽篷電機工作[13]。使電機在土壤溫度、濕度、環境光照強度共同監測下進行智能運行，確保澆灌裝置在最理想的狀態下進行灌溉遮陽作業。保證裝置在農作物處于最佳狀態下進行澆水動作，既減少了人們的工作量，又保證植物不受損傷。設計的系統裝置能完成信息采集功能、數據處理功能、控制驅動功能，達到了設計的基本要求，可以對農作物進行智慧灌溉。