ARDUINO智能澆灌系統(tǒng)應(yīng)用研究

【摘要】本文描述的苗圃智能澆水系統(tǒng)包括土壤溫濕度的檢測(cè)與控制和蓄水箱智能上水及水位報(bào)警兩大部分。智能澆灌控制器是一款基于Arduino的控制器，用土壤濕度傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)一定算法控制水泵或電池閥進(jìn)行澆水，從而達(dá)到智能澆灌的目的。擴(kuò)展功能還增加了串口數(shù)據(jù)監(jiān)聽功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前控制器串口返回的土壤濕度和室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)的讀取。

【關(guān)鍵詞】Arduino；串口數(shù)據(jù)；傳感器；C51程序；數(shù)字電路

1、概述

隨著社會(huì)消費(fèi)水平和生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)居家園藝的需求也越來也大，但快節(jié)奏的生活使得種花容易養(yǎng)花難的問題顯現(xiàn)出來，而養(yǎng)花最重要的問題就是澆水問題，研究表明花草80%以上的死亡由于澆水不及時(shí)引起，因此使用智能控制器帶來很多便利。本次設(shè)計(jì)的苗圃智能澆水系統(tǒng)包括土壤溫濕度的檢測(cè)與控制和蓄水箱智能上水及水位報(bào)警兩大部分。智能澆灌控制器是一款基于Arduino的控制器，獲取土層濕度數(shù)據(jù)，通過溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)一定算法控制水泵或電池閥進(jìn)行澆水，從而達(dá)到智能澆水的目的。擴(kuò)展功能還增加了串口數(shù)據(jù)監(jiān)聽功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前控制器串口返回的土壤濕度和室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)的讀取。其讀取時(shí)間不定，該軟件會(huì)智能監(jiān)測(cè)串口數(shù)據(jù)的接收并智能讀取，不會(huì)在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候隨意讀取，避免了一定的數(shù)據(jù)讀取沖突造成錯(cuò)誤。土壤溫濕度的檢測(cè)與控制部分又包括了土壤溫濕度的檢測(cè)和顯示、智能澆水兩部分。LCD顯示屏顯示的數(shù)據(jù)由單片機(jī)89C51的輸出提供，AT89C51作為中央處理器處理各種輸入?yún)?shù)，包括：地表以下溫度和濕度，而溫度和濕度的參數(shù)由SHT-11傳感器提供。智能澆水系統(tǒng)有兩種工作模式：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式狀態(tài)時(shí)單片機(jī)自動(dòng)處理各種情況，根據(jù)程序設(shè)定進(jìn)行工作，手動(dòng)部分是由單片機(jī)從時(shí)鐘芯片DS1302讀入月份與每天的實(shí)時(shí)時(shí)刻，通過軟件程序設(shè)定定時(shí)澆水的時(shí)間與澆水的量。蓄水箱智能上水及水位報(bào)警采用純硬件電路控制，實(shí)現(xiàn)水箱水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能上水以及水位上下限報(bào)警的功能。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能特色簡(jiǎn)介

（1）選擇性澆水。在每次澆水前，系統(tǒng)會(huì)對(duì)苗圃土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，如果超過一定值，就不進(jìn)行澆水操作，防止過度澆水、浪費(fèi)水資料。如果低于設(shè)定值但此時(shí)光照強(qiáng)度過高不適于澆水，則系統(tǒng)也不會(huì)澆水。

（2）時(shí)間顯示。系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部裝有一塊DS1302時(shí)鐘芯片，可以準(zhǔn)確的顯示時(shí)間，用戶可以根據(jù)時(shí)間記錄花期。

（3）澆水設(shè)置。本系統(tǒng)增加了外設(shè)鍵盤，用戶可根據(jù)花的品種不同而設(shè)定不同的澆水限制。

（4）數(shù)據(jù)保存。系統(tǒng)內(nèi)部放置了一塊EEPROM，可對(duì)用戶的設(shè)置進(jìn)行保存，具有掉電保護(hù)功能。

2.2功能指標(biāo)

（1）空氣溫度、空氣濕度和土壤濕度的測(cè)量精度分別為：1℃，1%RH，1%RH；

（2）LCD顯示溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度以及時(shí)間和澆水限值；

（3）電磁閥開斷靈敏度0.1s；

（4）存儲(chǔ)芯片擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上。

在本次設(shè)計(jì)中采用純硬件控制電路，利用555定時(shí)器的定時(shí)與驅(qū)動(dòng)功能制作一個(gè)性能可靠、成本低的蓄水箱智能供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為模擬檢測(cè)和邏輯判斷兩大塊。模擬檢測(cè)實(shí)際上測(cè)量的是B、C、D、E四個(gè)探頭相對(duì)于A點(diǎn)（即地）電位的到底，在水箱里的四個(gè)探頭B、C、D、E各點(diǎn)和A點(diǎn)之間實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)可變的電阻[3]。當(dāng)電阻值發(fā)生變化時(shí)，各點(diǎn)的位值不同，再通過邏輯判斷及可以得到不同的輸出，以達(dá)到操作控制不同的動(dòng)作[4]。

3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1溫濕度采集模塊

溫濕度采集部分使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，DHT-11可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，從其相對(duì)濕度輸出特性曲線中可以看出，DHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可按式（3-1）修正濕度值：

式中，SORH表示傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)取值分別如下：

12位時(shí)：c1=-4，c2=0.0405，c3=-2.8×10-6；

8位時(shí)：c1=-4，c2=0.648，c3=-7.2×10-4。

溫度值輸出

DHT-11溫度傳感器的線性非常好，實(shí)際溫度值T可用公式（3-2）將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換而來：

式中，SOT表示傳感器溫度測(cè)量值。當(dāng)電源電壓為5V，溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1=-40，d2=0.01；當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1=-40，d2=0.04。

3.2土壤濕度采集模塊

土壤數(shù)據(jù)采集模塊采用Arduino Moisture Sensor土壤濕度傳感器，這個(gè)水分傳感器可用于檢測(cè)土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時(shí)，傳感器輸出值將減小，反之將增大，使用AD轉(zhuǎn)換器讀取它的值。然后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)數(shù)值大小來判斷是否該澆水。AD采用了TLC2543，它是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。[3]由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省Arduino系列單片機(jī)I/O資源；并且性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，在儀器儀表中應(yīng)用較為廣泛。2.5光照強(qiáng)度采集模塊

光照采集采用了光敏電阻，根據(jù)光敏電阻阻值說光照強(qiáng)度的不同而大小不一樣這一特性采用電阻分壓的方式采集光敏電阻兩端電壓值而經(jīng)AD轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)AD值求出光照強(qiáng)度。

3.3時(shí)間顯示模塊

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用DL1302芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片是美國(guó)比較通用的產(chǎn)品。工作電壓寬達(dá)2.5～5.5V[4]。2.10 澆水模塊

澆水部分采用了一個(gè)G1/42分口徑電磁閥，單片機(jī)通過分析采集來的信息控制繼電器的開斷進(jìn)而控制電磁閥的通斷。

3.4電源模塊

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的加入了電源模塊，不用再為不好供電而發(fā)愁。由于要12864液晶和功率較大的電磁閥本系統(tǒng)的穩(wěn)壓芯片才用了功率較大抗干擾強(qiáng)的的LM2596和LM7812。

4、軟件實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

土壤溫濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)有智能和手動(dòng)兩種澆水方法。通過一個(gè)按鍵確定工作狀態(tài)，該開關(guān)鍵按下則為手動(dòng)模式，否則為自動(dòng)模式。手動(dòng)澆水時(shí)，由單片機(jī)向時(shí)鐘芯片DS1302讀取實(shí)時(shí)時(shí)間，若與設(shè)定的定時(shí)澆水的時(shí)間相符，則單片機(jī)執(zhí)行定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0中斷程序，完成定量澆水。智能澆水時(shí)，傳感器起感應(yīng)作用，當(dāng)傳感器把感應(yīng)到的土壤溫濕度信號(hào)傳給單片機(jī)，由控制程序判斷是否需要進(jìn)行澆水，若需要澆水，單片機(jī)輸出高電平打開電磁閥，給苗圃澆一定量的水。由此實(shí)現(xiàn)了智能澆水，澆水的上下限由程序編程時(shí)設(shè)定。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖如下：

5、總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的苗圃智能澆水系統(tǒng)以電子類的智能澆灌器的工作原理為參考，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)及單片機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成一個(gè)土壤溫濕度采集與控制系統(tǒng)。再用數(shù)字電路控制智能給水系統(tǒng)及時(shí)的給澆水系統(tǒng)供水。整個(gè)苗圃智能澆水系統(tǒng)包括土壤溫濕度的檢測(cè)和顯示、智能澆水和蓄水箱智能上水及水位報(bào)警三個(gè)部分。

在當(dāng)前水資源越來越寶貴的情況下，如果精細(xì)化澆灌，利用好每一滴水是非常重要的，本文中描述的灌溉系統(tǒng)如果批量投入可以大大改善傳統(tǒng)澆灌苗圃的方法，更科學(xué)，更節(jié)能。