基于物聯網的自動灌溉系統設計與實現

夏思凡，伍軍友

（西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400）

0 引 言

現在我們國家正在迅速發展蔬菜產業，并且我們國家的蔬菜園面積在世界排在前列，但我們國家的蔬菜園智能管理技術遠遠跟不上蔬菜園數量的增長，使蔬菜的產量受到了影響。溫度、濕度和光照是蔬菜生長環境的重要參數，大多數的蔬菜要求環境溫度保持在15 ℃至25 ℃之間，濕度保持在60%至80%之間，光照和PH 值也因蔬菜種類不同而異。采用人工方式進行環境調節和控制，手動去澆水或施肥，這樣不但效率低下，而且缺乏科學性。因此，本文設計一套能夠24 小時檢測蔬菜園狀態，根據預定值進行工作的系統，養殖人員花費少量的時間和精力下提高了生產效率。同時，還配有專門的手機APP，讓用戶隨時監測溫濕度，靈活智能的實現遠程控制，本設計在農業領域具有廣闊的應用前景。

國外針對這領域的研究起步較早，美國的Bissonnett M W 等人研發了智能花園裝置，通過采集生長狀態數據，實現監測。美國的Click and Grow 公司推出了由鋰電池，蓄水箱及檢測控制模塊組成的智能花盆，使用者可以通過智能花盆檢測作物的生長信息，進而對作物進行澆水和施肥等操作。法國的Parrot 公司設計的FlowerPower 產品可以對作物的生長狀態進行監測，用戶可以通過手機對作物進行管理操作。我國的趙金濤也設計了一種基于Wi-Fi 的農田自動灌溉系統，可以通過遠程進行灌溉控制。袁聞杰、宋朝偉、劉源等則針對花卉設計了一種基于單片機的自動澆花裝置。

1 系統設計原則

本系統設計了一套自動灌溉系統，此系統完成對溫濕度的監測及手機端對灌溉的控制。以單片機為核心的嵌入式系統是軟件與硬件的結合，軟硬一體化專用的設備常常用在專業的場合。因此必須遵循可靠性，易維護性，可擴展性的設計原則才能滿足實用的需求。這里提出幾個重要原則指導開發的進行。

1.1 以應用為導向以系統集成為核心

任何系統的開發必須以實用性為向導，樸素的思想就是帶著實際的應用任務來開發，嚴格遵守目標導向。系統的處理能力，開發成本，實用成本，設備功耗，體積，魯棒性都要考慮在內，以便開發者更好的使用相關資源完成系統集成。

1.2 節省開發成本

優先使用成熟技術，借鑒成熟設計，最大化的減少對硬件的電路設計，軟件底層代碼的編寫。這樣會大大減少調試時間；成熟的產品，成熟的設計在應用方面有眾多的資料可以使用，眾多廠家良好的支持，減少不必要的工作量。

1.3 軟件硬件開發相輔相成互相促進

自動灌溉系統對使用者來說是一體化的設備，從使用者的角度來說，硬件軟件是一體的，所以在開發階段需要軟件硬件聯調聯試，綜合分析從軟件的角度最大化發揮硬件的功能，從硬件的增強系統的可靠性和易維護性，提高執行速度和增加可擴展性。當硬件連接完成，需要對軟件程序的編寫，在編寫數據采集和交互的時候，需要考慮到系統會因為程序的異常或者某個錯誤而有可能導致整個系統癱瘓，所以在編寫程序的時候就需要考慮這些情況并進行相應的方式去彌補，從而才能提升整個系統的性能。

2 系統硬件選擇

2.1 單片機選擇

本系統選用STC89C52 進行數據處理和控制，STC89C52 單片機在原有的51 內核芯片的基礎上進行了大量的技術改進，功能較普通51 芯片強大數倍。無論是抗干擾能力還是芯片接口資源豐富，都有了超強的技術優勢。STC98C52系列單片機的供應是當下芯片市場占比相當大的，是由國內宏晶科技一手研發的國產芯片，具有非凡的價值。其性能與性價比在當今芯片市場是占據著不可或缺的地位。

2.2 溫度傳感器的選擇

本設計中采用數字式溫度傳感器DS18B20 對溫度進行檢測，DS18B20 是美國DALLAS 半導體公司在模擬的基礎上改進開發的數字溫度傳感器，為單總線的通信方式簡單，芯片體積小，成本低，范圍廣，精度高。

2.3 濕度傳感器的選擇

本設計采用FC-28 土壤濕度傳感器負責檢測土壤的濕度。該產品的傳感元件及信號處理并進行集成，輸入預先標定的數字信號，使產品具有了很高的可靠性和長期穩定性，并具有響應速度快，抗干擾能力強和性價比高，體積小和低功耗的優點，采用了更人性化的連接方式，更有利于更換。

2.4 通信模塊的選擇

下位機與手機APP 之間的無線通信選擇ESP8266 Wi-Fi通信模塊實現。ESP8266 為Soc 芯片，并且可以獨立運行的32 位微控制器，承擔其聯接互聯網的功能。

2.5 顯示模塊的選擇

采用LCD1602 液晶屏。它是一種字符型的液晶模塊，能夠顯示2 行，每行16 個字符，其內部存儲了若干個不同的點陣字符位，采用并行和串行兩種方式傳輸。

2.6 按鍵的選擇

采用獨立按鍵，獨立按鍵所占的空間很少，也可以節省PCB 板的空間，用戶使用也更容易上手。本設計只需要通過按鍵設置溫濕度的閾值，獨立按鍵即可實現目的，電路的焊接也更容易，系統的形象也更簡潔。

3 系統總體方案

3.1 總體設計框圖

系統總體設計框圖如圖1所示。手機APP 通過Wi-Fi模塊與下位機進行通信，監測蔬菜園的溫濕度數據，并可通過手機APP 開啟水泵進行灌溉；系統以STC89C52 單片機為核心，通過溫度和濕度傳感器檢測溫濕度，并將輸出信號傳輸給單片機，單片機對傳感器數據進行實時處理，當溫度高于設定閾值或者濕度低于設定的閾值時，單片機驅動蜂鳴器報警，且控制繼電器動作，驅動水泵抽水，進行灌溉。同時單片機通過Wi-Fi 模塊將檢測到的溫濕度數據傳輸到手機APP，手機APP 軟件界面實時顯示溫濕度數據，并可靈活控制水泵，進行灌溉。液晶實時顯示溫濕度數據，按鍵對溫濕度的閾值進行設置，實現良好的人機交互功能。

圖1 自動灌溉系統總體設計框圖

3.2 總體硬件電路

自動灌溉系統的總體硬件設計以STC89C52 單片機作為關鍵控制芯片展開，通過繼電器控制電路、電源電路等協同完成自動灌溉系統設計的功能需求。系統總體硬件電路設計包括以下11 個部分：

（1）STC89C52 最小系統電路，STC89C52 芯片具有3 個16 位的定時器/計數器，512 字節的RAM，4 個外部中斷，8 KB字節的FLASH，4 KB 的EEPROM，1 個7 向量4 級中斷結構。

（2）晶振電路，本系統在單片機外部加了一個晶振電路作為時鐘振蕩器，選用的是12 MHz 的低頻晶振，既提高了計時的準確性，又滿足了低功耗的要求。

（3）復位電路，負責整個系統的硬件復位。當程序執行到與預想的結果不一樣時，或者整個系統出現紊亂，異常情況，則強制將程序復位至初始狀態，單片機內部時序得到清零。

（4）供電電路，STC89C52 單片機的正常工作電壓為5 V 左右，因此需要將12 V/2 A 的備用電源經過LM7805芯片進行降壓，轉換為5 V 后為系統工作。

（5）溫度采集電路，DS18B20 溫度傳感器是可編程分辨率的單總線新型數字式溫度傳感器，可直接得到出溫度值，工作的誤差是0.5 ℃，它可形成總線結構，即一個I/O 口可以讀很多個溫度傳感器數據。

（6）濕度采集電路，模擬量輸出A0 與PCF8591 芯片的模擬輸入引腳直接相連，通過I2C 總線來與STC89C52 單片機進行通信，將土壤濕度值傳輸給STC89C52 單片機。

（7）Wi-Fi 傳輸電路，ESP8266 Wi-Fi 模塊內置TCP/IP協議，支持AT+控制指令集，只要將模塊當做無線傳輸模塊使用即可，無需進行任何操作，使用方便。

（8）按鍵電路，按鍵電路功能主要是為了設置溫濕度的閾值。在本次系統設計中，當有按鍵按下去的時候，單片機I/O 會被拉成低電平，通過運行程序按鍵檢測子程序，從而可得知哪個按鍵按下。

（9）液晶顯示電路，LCD1602 液晶，主要可以用來顯示字符、數字、字母等，其分為串行與并行控制方式，顯示字符變化多樣，可基本滿足該系統設計目的。它包含幾個5×7 或5×11 點矩陣字符位，其字符位控制方式一一對應，主要預先分配字庫控制方式，LCD1602 背面內置芯片，可存儲字庫，采用單片機控制方式可大大減少煩瑣步驟。

（10）蜂鳴器報警電路，實現溫濕度超過閾值時的報警功能，蜂鳴器采用較為普遍的5 V 有源蜂鳴器，通過S8550三極管的導通和截止來驅動蜂鳴器。

（11）繼電器控制電路，用于驅動水泵的電機運轉，當濕度低于設定值時，則發出指令讓繼電器工作，讓小水泵實現自動澆水。

自動灌溉系統總體硬件電路設計如圖2所示。

圖2 自動灌溉系統的總體硬件設計原理圖

3.3 系統控制流程圖

當系統上電后，STC89C52 單片機開始運行，首先完成系統初始化，傳感器的初始化；接下來采集溫濕度；單片機將檢測到的溫濕度數據和相應的設定值進行對比，超出設定值則進行相應的處理，然后進行串口通信和，將數據傳輸給手機APP，最后進行液晶顯示。系統控制流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖

4 系統調試

完成系統設計與開發之后，就需要進行硬件電路的調試，首先確認電源和GND 引腳是否連接成功，有無遺漏。第二步確認待焊接芯片是否與原理圖完全一致，主要檢查芯片的型號和封裝，檢查完成后開始焊接工作。接著需要借助萬能表來測試焊接電路是否能夠正確導通，用萬能表測試過程中如果萬能表的蜂鳴器正常響起那就說明是可以導通，反之就是不導通，有可能就是存在虛焊、焊接錯誤等問題，這時就需要仔細去排查，虛焊問題可以通過電烙鐵來重新焊接，焊接完成再用萬能表測試，蜂鳴器正常響起那就說明是正常狀態，最后檢查無誤后系統上電，完成系統調試。系統硬件調試如圖4所示。

圖4 系統硬件調試圖

5 結 論

本文在反復的調研和求證下，通過對現有的自動灌溉系統進行詳細分析的基礎上，構建了自動灌溉系統的方案。本方案實現了低功耗、智能控制、抗干擾性強的自動灌溉系統。本系統主要研究成果如下：

（1）根據現階段國內外的自動灌溉系統的發展現狀以及現階段能夠實現的技術條件，設計并構建了總體設計方案；

（2）軟硬件都采用了模塊化設計，方便在設計過程中理清思路，為之后的軟硬件測試以及故障維修過程提供了便利。

（3）自動灌溉系統以STC89C52 單片機為核心，通過溫濕度傳感器實時檢測溫濕度，最后通過Wi-Fi 傳輸方式將數據傳輸給手機APP 進行監測和控制，完成自動灌溉功能。