節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前農(nóng)業(yè)水資源緊缺且農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，提出了一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制方案。該方案以微控制器為核心器件，采用無線通信的方式，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集參數(shù)，并以此為依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整閥門開合程度，從而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。該設(shè)計(jì)具備較好的實(shí)用性，有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。

關(guān)鍵詞：無線通信；節(jié)水灌溉；實(shí)時(shí)；微控制器

中圖分類號(hào)：S24；S275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）19-4795-05

中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展目前面臨著兩大主要問題：一方面國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)建設(shè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致對(duì)水資源的需求量越來越大，但是，中國(guó)目前的水資源嚴(yán)重不足；另一方面中國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，但有效利用率僅在45%左右，而歐美發(fā)達(dá)國(guó)家一般在70%～80%，這導(dǎo)致中國(guó)農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重[1]。

因此，在水資源嚴(yán)重不足的情況下，如何有效解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題顯得迫在眉睫。方法大致有兩種：開發(fā)新的水資源，但是，此方法投資大、見效慢，受地理環(huán)境影響異常明顯；另一種方法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的需求規(guī)律而進(jìn)行的適時(shí)灌溉，利用盡可能少的水獲得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式[2]。此方法投資相對(duì)較小，既有可能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化，又可能極大提高水資源的利用率。

基于此，提出一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能，并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)及所需水量來控制給水的時(shí)間和流量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

目前，國(guó)外普遍采用大型分布式微機(jī)測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制。該技術(shù)方案擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式，為多種技術(shù)的融合，根據(jù)采集到的土壤參數(shù)、溫濕度等環(huán)境參數(shù)來決定灌溉量與灌溉時(shí)間。因此，系統(tǒng)分中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中N為遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的個(gè)數(shù)[3]。由圖1可見，中央控制系統(tǒng)（主站）主要由微控制器與主PC機(jī)構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（子站）主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選定與測(cè)量、信息數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作等功能。系統(tǒng)選擇無線通信方式實(shí)現(xiàn)主站與子站之間的信息傳輸，其系統(tǒng)框圖如圖2[3]。

系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)無線處理模塊、控制模塊、軟件模塊這5大功能模塊。因此，選擇土壤水分、空氣的濕度、空氣的溫度3個(gè)參數(shù)作為灌溉的因素，測(cè)量元件就是測(cè)量這3個(gè)參數(shù)。具體器件選擇如下：①空氣溫濕度測(cè)量元件選用CHT-WV02溫濕度變送器；②A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0808；③電磁閥選用分布式電磁閥；④無線通信模塊選用2FSK解調(diào)方式的 PTR8000；⑤核心控制器選用常見的AT89系列單片機(jī)；⑥土壤水分測(cè)量元件采用TDR3型水分傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主站硬件設(shè)計(jì)

如前所述，主站的功能主要體現(xiàn)如下：通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)與子站之間的信息傳輸，即遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過相應(yīng)器件采集土壤水分、溫度、濕度等參數(shù)后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過無線方式傳輸給主站，主站以此為依據(jù)控制閥門水量的大小，也就是確定開關(guān)開合的程度。其間，主站中微控制器與主PC機(jī)之間采用有線通信方式。

2.1.1 微控制器與PC機(jī)的接口電路 微控制器與PC機(jī)之間采用常用的RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是，由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)與單片機(jī)TTL邏輯的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容，因此，必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)二者之間的電平匹配。在本設(shè)計(jì)中，選用最常用的MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)電平匹配，其接口電路圖如圖3所示[4]。

如圖3所示，TXD與MAX232的T2in相連，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后，T2out輸出的信號(hào)進(jìn)入RXD。同理，TXD與MAX232的R2in相連，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后，R2out輸出的信號(hào)進(jìn)入RXD。如此，便可實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換，使單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信鏈路接口完成。

2.1.2 無線射頻收發(fā)接口電路 由于本單片機(jī)不具備SPI接口，所以要利用軟件模擬SPI接口來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PTR8000之間的通信[5]。由PTR8000構(gòu)成的無線收發(fā)電路如圖4所示。

在圖4中，PTR8000的3個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)DR、AM、CD分別與單片機(jī)的P3.2、P3.4和P3.5管腳相連，以此實(shí)現(xiàn)無線模塊與單片機(jī)的通信控制。其中，AMS1117是低壓差三端電壓調(diào)節(jié)器，旨在為PTR8000提供合適的電壓。

2.2 子站硬件設(shè)計(jì)

子站主要完成對(duì)傳感器信號(hào)的采集及處理并控制電磁閥動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)灌溉的目的，由控制單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、土壤水分傳感器、溫濕度變送器和電磁閥組成。

2.2.1 土壤水分檢測(cè)電路 設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器UA741來實(shí)現(xiàn)減法電路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。電路如圖5所示。注意在采集數(shù)據(jù)之前，對(duì)于運(yùn)算放大器UA741一定要調(diào)零。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換接口電路 ADC0808沒有內(nèi)部時(shí)鐘，所以時(shí)鐘信號(hào)端CLK通過兩個(gè)D鎖存器的分頻與單片機(jī)的時(shí)鐘相連。如圖6所示，由于ADC0808的轉(zhuǎn)換速度所限制，系統(tǒng)使用2 MHz的晶振，通過兩個(gè)D鎖存器的分頻后，ADC0808 CLK端的時(shí)鐘頻率為2 MHz/4=500 kHz。

2.2.3 顯示接口電路 顯示接口電路如圖7所示。其中，四個(gè)晶體管的作用是使得共陽極的LED正常工作，在LED每個(gè)光二極管前加了一個(gè)限流電阻，是避免LED發(fā)光二極管因電流太大而燒壞或壽命減少。

2.2.4 輔助控制單元設(shè)計(jì) ①電磁閥控制單元。由于單片機(jī)的輸出電流比較小，不能驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，所以需接一晶體管進(jìn)行電流放大從而驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，在繼電器兩端反并一個(gè)二極管的作用是防止繼電器因過大的電流燒壞或壽命減少。電磁閥控制電路如圖8a所示。②報(bào)警電路設(shè)計(jì)。大部分都是使用蜂鳴器來提示或報(bào)警，具體如圖8b所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主站軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)土壤水分、溫濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)接收、發(fā)射以及數(shù)據(jù)的串口發(fā)送，因此，功能相對(duì)較少，在實(shí)際設(shè)計(jì)中只需要合理地初始化外圍芯片以及特殊功能寄存器，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，其主程序流程圖如圖9所示。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PTR8000為無線收發(fā)模塊，功能是接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，其流程圖如圖10a與10b所示。

3.2 系統(tǒng)子站軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集主要是指經(jīng)傳感器采集過來的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)，再通過單片機(jī)的軟件處理為此電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的濕度、溫度和土壤水分信號(hào)，其流程圖如圖11所示[6]。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理主要是將從A/D采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的軟件算法處理后，得到與實(shí)際情況最相符的數(shù)據(jù)，即誤差最小，其程序流程圖如圖12所示[6]。

3.2.3 數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì) 顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器74LS138和驅(qū)動(dòng)74LS47將數(shù)據(jù)送至LED顯示。數(shù)據(jù)顯示子程序主要完成將待顯示的數(shù)據(jù)移出單片機(jī)，送至譯碼器74LS138和驅(qū)動(dòng)器74LS47，其程序流圖如圖13[7]。

此外，電磁閥程序設(shè)計(jì)流程圖如圖14所示。

4 小結(jié)

設(shè)計(jì)通過遠(yuǎn)程控制實(shí)施節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能，并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)及所需水量來控制給水的時(shí)間和流量。通過無線遙控節(jié)水灌溉技術(shù)可節(jié)省人力物力，解決當(dāng)前水資源短缺卻又浪費(fèi)的緊張局勢(shì)。主站和子站之間采用無線傳輸，克服了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)牡赜蛳拗?，?shí)現(xiàn)了站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送。此外，通過溫濕度和水分傳感器采集作物土壤及周圍環(huán)境的信息，可較全面地體現(xiàn)農(nóng)作物的需水狀況，且節(jié)約成本，有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。

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