溫室大棚蔬菜自動噴灌系統設計

王睿錚，曹文軍，趙意如

（1.華北理工大學人工智能學院，河北唐山，063210；2.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山，063210；3.華北理工大學以升創新教育基地，河北唐山，063210）

0 引言

溫室大棚種植蔬菜是北方冬季人們獲取新鮮蔬菜的主要方式，隨著人們生活水平的提高，大棚蔬菜種植面積也在逐年增加，由于我國淡水資源短缺，人們越來越重視農作物的節水灌溉。現階段大棚蔬菜的灌溉主要依據菜農的經驗采用大水漫灌方式實現，這種粗放的灌溉方式不僅浪費了寶貴的水資源，還耗費了大量的人力，降低了蔬菜的生產效率和品質，影響了菜農種植蔬菜的經濟效益。通過研究，本文設計了一種溫室大棚蔬菜自動噴灌系統，解決了以上問題。

1 系統設計

溫室大棚蔬菜自動噴灌系統組成如圖1所示，該系統以STC89C52單片機作為控制單元，土壤溫度含水量傳感器組、噴灌水溫傳感器將采集到的土壤含水量信號、水溫信號傳給單片機，單片機將采集到的信號與根據當前蔬菜的品種和生長周期設定的數值進行比較，對電磁閥及水泵驅動電路模塊發出控制指令，控制噴灌系統工作，保證土壤含水量在合理范圍內。該系統主要實現以下功能：

圖1 溫室大棚自動噴灌系統原理框圖

(1)能自動檢測多點土壤溫度含水量和噴灌水源水溫，能根據系統設定數值和算法，自動控制噴灌系統的開啟和關閉。

(2)按照實際要求，可通過按鍵設置調整時鐘，設定水溫、土壤含水量允許上下限值并可實現斷電存儲。

2 系統硬件設計

(1)系統控制單元選用8位STC89C52單片機。單片機內置8K字節Flash，512字節RAM,4KB EEPROM，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口,能夠滿足系統需求。EEPROM用于存儲設定土壤含水量、噴灌水源水溫數據。

(2)液晶顯示模塊選用LCD1602液晶顯示器，使用并行方式與單片機I/O連接，實現土壤溫度、含水量、噴灌水源水溫、實時時鐘顯示，單片機與LCD1602連接見圖2。

圖2 單片機與LCD1602連接原理圖

(3) 蔬菜在不同生長周期對土壤含水量和溫度的需求不同，系統中增加了實時時鐘模塊，該模塊選用DS1302時鐘芯片，DS1302 是美國DALLAS公司生產的一種實時時鐘電路, 可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，使用三線制與單片機進行通信。為保證系統斷電時DS1302正常工作，電路中增加了掉電保護電源，該電源采用CR2032鋰錳紐扣電池，使用壽命可達6年。實時時鐘用于自動標定蔬菜不同生長周期，DS1302與單片機連接見圖3。

圖3 DS1302與單片機連接圖

(4)手動輸入模塊采用3個獨立按鍵，分別為功能鍵、參數設置加1鍵和參數設置減1鍵，實現實時時鐘校準和參數設置，獨立按鍵與單片機連接見圖4。

圖4 獨立按鍵與單片機連接圖

(5)考慮到灌溉水溫過低會影響蔬菜正常生長，系統設置了噴灌水源水溫傳感器，型號為DS18B20, DS18B20是采用單總線協議的數字式溫度傳感器，它直接將溫度信號轉換成數字信號，可直接與單片機I/O口連接，測量溫度范圍在-55℃~125℃，單片機與DS18B20連接見圖5。當系統檢測到水溫低于設定溫度時，噴灌系統停止工作并報警。

圖5 單片機與DS18B20連接圖

(6)土壤溫度含水量傳感器選用山東威盟士科技有限公司生產的土壤溫度水分傳感器，型號為VMS-3000-TR-N01，該傳感器是一款校準數字信號輸出的溫度含水量復合傳感器，可以同時測量土壤溫度和含水量，工作電壓DC 4.5~30V，測量土壤水分量程為0~10 0%，測量土壤溫度量程為-40~80℃，輸出為RS485(Modbus協議)信號。由于同種蔬菜種植區域不同點的土壤含水量差別較大，為提高控制測量精度，系統采用了多點測量的方式，將傳感器組通過RS485總線、485收發器與單片機TXD、RXD口連接，實現多點土壤含水量的準確測量，傳感器組與單片機連接框圖見圖6。

圖6 傳感器組與單片機連接框圖

3 系統軟件設計

(1)系統軟件由主程序、土壤含水量采集子程序、噴灌水源溫度采集子程序、實時時鐘采集子程序、獨立按鍵掃描子程序、LCD顯示子程序組成。

(2)系統通電后首先進行初始化。初始化完成后，系統運行按鍵掃描子程序，若掃描到有按鍵按下，系統進入設置界面，并將設置的參數保存在單片機的EEPROM中。系統對噴灌水源溫度參數進行采集，若檢測到水溫低于設定溫度，系統將禁止啟動噴灌操作，同時LCD顯示水源低溫警告。若檢測到水溫高于設定溫度，系統將對實時時鐘、土壤溫度含水量進行采集，單片機計算出土壤含水量算術平均值，系統以此算術平均值作為控制依據，與蔬菜不同生長周期對應的上下限值做比較，以確定系統是否啟動噴灌作業。系統主程序流程圖見圖7。

圖7 系統主程序流程框圖

(3)由于現場布線交錯，環境復雜，電磁干擾大，系統可能會出現采樣值誤差大、波動大等不穩定問題，系統采用了軟件濾波的方法盡可能保證采樣值的準確。其工作原理是系統一次性采樣N個數據，通過對比剔除N個數據中的最大值和最小值，計算出剩余數據的算術平均值，以此作為系統分析判斷的有效數值。

4 結束語

通過實際驗證，本文設計的溫室大棚蔬菜自動噴灌系統比傳統灌溉系統節約用水約20%，蔬菜平均生長周期縮短了2天；該系統的應用不僅減輕了工作人員的勞動強度，提高了商品蔬菜的產量和品質，同時該系統結構簡單，成本低廉，便于操作，取得了良好的經濟效益。