溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王睿錚，曹文軍，趙意如

（1.華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院，河北唐山，063210；2.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山，063210；3.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)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?cè)絹碓街匾曓r(nóng)作物的節(jié)水灌溉?，F(xiàn)階段大棚蔬菜的灌溉主要依據(jù)菜農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)采用大水漫灌方式實(shí)現(xiàn)，這種粗放的灌溉方式不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，還耗費(fèi)了大量的人力，降低了蔬菜的生產(chǎn)效率和品質(zhì)，影響了菜農(nóng)種植蔬菜的經(jīng)濟(jì)效益。通過研究，本文設(shè)計(jì)了一種溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)，解決了以上問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)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(hào)、水溫信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的信號(hào)與根據(jù)當(dāng)前蔬菜的品種和生長周期設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，對(duì)電磁閥及水泵驅(qū)動(dòng)電路模塊發(fā)出控制指令，控制噴灌系統(tǒng)工作，保證土壤含水量在合理范圍內(nèi)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖1 溫室大棚自動(dòng)噴灌系統(tǒng)原理框圖

(1)能自動(dòng)檢測(cè)多點(diǎn)土壤溫度含水量和噴灌水源水溫，能根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值和算法，自動(dòng)控制噴灌系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。

(2)按照實(shí)際要求，可通過按鍵設(shè)置調(diào)整時(shí)鐘，設(shè)定水溫、土壤含水量允許上下限值并可實(shí)現(xiàn)斷電存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)控制單元選用8位STC89C52單片機(jī)。單片機(jī)內(nèi)置8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM,4KB EEPROM，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口,能夠滿足系統(tǒng)需求。EEPROM用于存儲(chǔ)設(shè)定土壤含水量、噴灌水源水溫?cái)?shù)據(jù)。

(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(jī)I/O連接，實(shí)現(xiàn)土壤溫度、含水量、噴灌水源水溫、實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示，單片機(jī)與LCD1602連接見圖2。

圖2 單片機(jī)與LCD1602連接原理圖

(3) 蔬菜在不同生長周期對(duì)土壤含水量和溫度的需求不同，系統(tǒng)中增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，該模塊選用DS1302時(shí)鐘芯片，DS1302 是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一種實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路, 可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，使用三線制與單片機(jī)進(jìn)行通信。為保證系統(tǒng)斷電時(shí)DS1302正常工作，電路中增加了掉電保護(hù)電源，該電源采用CR2032鋰錳紐扣電池，使用壽命可達(dá)6年。實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于自動(dòng)標(biāo)定蔬菜不同生長周期，DS1302與單片機(jī)連接見圖3。

圖3 DS1302與單片機(jī)連接圖

(4)手動(dòng)輸入模塊采用3個(gè)獨(dú)立按鍵，分別為功能鍵、參數(shù)設(shè)置加1鍵和參數(shù)設(shè)置減1鍵，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)和參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立按鍵與單片機(jī)連接見圖4。

圖4 獨(dú)立按鍵與單片機(jī)連接圖

(5)考慮到灌溉水溫過低會(huì)影響蔬菜正常生長，系統(tǒng)設(shè)置了噴灌水源水溫傳感器，型號(hào)為DS18B20, DS18B20是采用單總線協(xié)議的數(shù)字式溫度傳感器，它直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可直接與單片機(jī)I/O口連接，測(cè)量溫度范圍在-55℃~125℃，單片機(jī)與DS18B20連接見圖5。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，噴灌系統(tǒng)停止工作并報(bào)警。

圖5 單片機(jī)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(chǎn)的土壤溫度水分傳感器，型號(hào)為VMS-3000-TR-N01，該傳感器是一款校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度含水量復(fù)合傳感器，可以同時(shí)測(cè)量土壤溫度和含水量，工作電壓DC 4.5~30V，測(cè)量土壤水分量程為0~10 0%，測(cè)量土壤溫度量程為-40~80℃，輸出為RS485(Modbus協(xié)議)信號(hào)。由于同種蔬菜種植區(qū)域不同點(diǎn)的土壤含水量差別較大，為提高控制測(cè)量精度，系統(tǒng)采用了多點(diǎn)測(cè)量的方式，將傳感器組通過RS485總線、485收發(fā)器與單片機(jī)TXD、RXD口連接，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)土壤含水量的準(zhǔn)確測(cè)量，傳感器組與單片機(jī)連接框圖見圖6。

圖6 傳感器組與單片機(jī)連接框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘采集子程序、獨(dú)立按鍵掃描子程序、LCD顯示子程序組成。

(2)系統(tǒng)通電后首先進(jìn)行初始化。初始化完成后，系統(tǒng)運(yùn)行按鍵掃描子程序，若掃描到有按鍵按下，系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置界面，并將設(shè)置的參數(shù)保存在單片機(jī)的EEPROM中。系統(tǒng)對(duì)噴灌水源溫度參數(shù)進(jìn)行采集，若檢測(cè)到水溫低于設(shè)定溫度，系統(tǒng)將禁止啟動(dòng)噴灌操作，同時(shí)LCD顯示水源低溫警告。若檢測(cè)到水溫高于設(shè)定溫度，系統(tǒng)將對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、土壤溫度含水量進(jìn)行采集，單片機(jī)計(jì)算出土壤含水量算術(shù)平均值，系統(tǒng)以此算術(shù)平均值作為控制依據(jù)，與蔬菜不同生長周期對(duì)應(yīng)的上下限值做比較，以確定系統(tǒng)是否啟動(dòng)噴灌作業(yè)。系統(tǒng)主程序流程圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)主程序流程框圖

(3)由于現(xiàn)場(chǎng)布線交錯(cuò)，環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾大，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)采樣值誤差大、波動(dòng)大等不穩(wěn)定問題，系統(tǒng)采用了軟件濾波的方法盡可能保證采樣值的準(zhǔn)確。其工作原理是系統(tǒng)一次性采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比剔除N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，計(jì)算出剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，以此作為系統(tǒng)分析判斷的有效數(shù)值。

4 結(jié)束語

通過實(shí)際驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)比傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)節(jié)約用水約20%，蔬菜平均生長周期縮短了2天；該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了商品蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于操作，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。