智能農田灌溉系統(tǒng)設計

李雅欣 張洪瑞 解云濤 劉健飛 李然然

（太原科技大學，山西 太原 030000）

隨著農業(yè)自動化程度的提升，基于土壤濕度監(jiān)測的微灌溉技術作為一種有效的現(xiàn)代農業(yè)節(jié)水灌溉技術，開始活躍于農業(yè)澆灌中。提高有效灌溉率并縮短工作時間，是智能節(jié)水和澆灌技術的關鍵。在世界發(fā)達國家，自動化智能澆灌系統(tǒng)已被廣泛用于發(fā)展節(jié)水農業(yè)。通過采用遙感濕度傳感器監(jiān)測土壤和作物狀況，根據(jù)農作物不同生長期對水分的需求量，對灌溉區(qū)的水管理進行自動遙控監(jiān)測預報，實現(xiàn)灌溉區(qū)管理自動化和用水自動化[1]。智能澆灌系統(tǒng)的設計具有重要實用價值[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

整個系統(tǒng)的工作過程是通過DHT11溫濕度傳感器采集濕度信號，經內部放大和A/D轉換后以數(shù)字量輸出，然后通過藍牙傳送給單片機AT89C51控制系統(tǒng)，最后經過LCD1602顯示實時濕度以及閥值范圍。整個系統(tǒng)的硬件電路主要包括51單片機控制系統(tǒng)模塊，藍牙通信模塊，濕度采集電路模塊，按鍵控制濕度閥值模塊，LCD液晶顯示模塊，報警模塊，電源模塊。與設定初值比較時，當前所采集到的土壤濕度的實際值低于我們的設定值的下限時，報警器報警并且打開水泵增加灌溉；當前所采集到的土壤濕度的實際值高于我們的設定值上限時，則停止灌溉從而實現(xiàn)實時監(jiān)控濕度值。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 單片機控制系統(tǒng)

系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，其構成的單片機最小系統(tǒng)[3]如圖2，時鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進行復位。

VCC：供電電壓 GND：接地 RST：復位輸入

P0：8位雙向I/O口

P1：內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口

P2：內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口

P3：內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，也可作為一些特殊功能口

ALR/PROG：地址鎖存信號

XTAL1，XTAL2：晶振信號

兩個16位定時/計數(shù)器

五個中斷源

2.2 HC-06藍牙通信模塊

藍牙技術是一種無線通信技術，其對數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性和信息傳輸?shù)陌踩杂袠O大的保障。2.4GHz是藍牙技術在全球通用的通信頻段，藍牙信號的傳輸速率可以達到約1 Mbps。HC-06藍牙模塊主要性能參數(shù):

（1）頻率:2.4GHz;

（2）調制方式:GFSK;

（3）收發(fā)功率級別:class2;

（4）靈敏度:≤80dBm;

（5）通訊速率:2Mps;

（6）工作電壓:33V;

（7）工作穩(wěn)定溫度范圍: -20~+55℃。

HC-06藍牙通訊模塊電路圖如圖3所示:

圖3 HC-06藍牙模塊電路

2.3 濕度測量電路

濕度檢測采用一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有較高的抗干擾性和應用穩(wěn)定性。傳感器包含1個NTC測溫元件和1個電阻式測濕元件，可以與8位高性能單片機連接[4]。DHT11的引腳說明如表1所示，測量電路如圖4所示，DHT11把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號形式傳送給單片機的P1.7口進行處理。測量范圍:20-90%RH，0~50℃，測濕精度±5%RH，測溫精度±2℃，能夠滿足大多生產對象溫濕度測控范圍。

表1 DHT11引腳說明

圖4 測量電路圖

2.4 顯示電路

顯示部分（如圖5所示）采用的是LCD1602[5]，即兩行，每行十六個字液晶模塊。VSS為電源地，VCC接5V電源正極，V0為液晶顯示器及對比度調整端，RS為寄存器選擇端，RW為讀寫信號線，E端為使能端，D0-D7為8位數(shù)據(jù)雙向端，與單片機的P0口相接。

圖5 顯示電路

2.5 按鍵電路

按鍵設置部分采用三個獨立按鍵分別為K1、K2、K3，與單片機的P2.4，P2.5，P2.6口相連接。功能為K1為設置按鍵，K2為減按鍵，K3為加按鍵。

2.6 超常報警電路

報警電路由二極管與電阻連接，其中何時報警可以編寫程序進行控制，本設計中報警電路與單片機P3.2口連接。當檢測到低電平，蜂鳴器報警[6]。

2.7 電機電路

本設計中電機電路與單片機P3.7口連接。當檢測到低電平，電機啟動。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)主要包括土壤濕度檢測和處理程序。鍵盤程序，LCD顯示程序，時鐘程序，土壤濕度檢測和處理程序是關鍵程序，連續(xù)檢測土壤的濕度值，并對采集到的的濕度數(shù)據(jù)進行處理且與設定值比較，去執(zhí)行水泵程序。

首先將LCD初始化，然后讀取濕度值進行處理和按鍵檢測，并判斷數(shù)值是否超出預設范圍，超出則蜂鳴器報警。當實際濕度低于設定下限值，單片機啟動水泵進行工作。

整個系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖6所示：

圖6 軟件設計流程圖

4 系統(tǒng)仿真

利用Keil軟件和Proteus軟件聯(lián)合測試，把Keil軟件程序生成的.HEX文件導入到Proteus仿真中的單片機中，然后開始運行，就可以看到Proteus原理圖中模擬的實物運行的狀態(tài)和過程[7]。顯示器的Ct.humi代表測得的土壤濕度，RH代表設置的濕度上限，RL代表設置的濕度下限。濕度通過DHT11溫濕度傳感器測得。仿真條件：濕度采用10K滑動變阻器的分壓值來代表，濕度在18%~15%之間，蜂鳴器不工作，水泵工作；濕度低于15%時，兩者都工作；濕度高于18%時，兩者都不工作。

5 結論

本設計是基于51單片機與DHT11溫濕度監(jiān)測的智能澆灌系統(tǒng)的設計，是對實際生產應用系統(tǒng)的一個模擬，本文的主要總結如下：

通過DHT11溫濕度傳感器與單片機完成對土壤的濕度實時監(jiān)控，并通過藍牙將信號傳輸?shù)轿⑻幚砥魃?；?zhí)行模塊則由水泵電機驅動電路來實現(xiàn)，可通過按鍵自主設計濕度閾值，通過比較測試值與閾值的來驅動水泵電機工作；可在LCD1602上實時顯示當前數(shù)據(jù)，并帶有超限報警功能。

通過實驗仿真與系統(tǒng)實測，系統(tǒng)可達到預期目標，能實現(xiàn)智能監(jiān)控灌溉的功能，有效利用水資源，可廣泛應用于農業(yè)的生產管理過程中。