基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏思凡，伍軍友

（西南交通大學(xué) 希望學(xué)院，四川 成都 610400）

0 引 言

現(xiàn)在我們國家正在迅速發(fā)展蔬菜產(chǎn)業(yè)，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(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上蔬菜園數(shù)量的增長，使蔬菜的產(chǎn)量受到了影響。溫度、濕度和光照是蔬菜生長環(huán)境的重要參數(shù)，大多數(shù)的蔬菜要求環(huán)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(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)和控制，手動(dòng)去澆水或施肥，這樣不但效率低下，而且缺乏科學(xué)性。因此，本文設(shè)計(jì)一套能夠24 小時(shí)檢測蔬菜園狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定值進(jìn)行工作的系統(tǒng)，養(yǎng)殖人員花費(fèi)少量的時(shí)間和精力下提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，還配有專門的手機(jī)APP，讓用戶隨時(shí)監(jiān)測溫濕度，靈活智能的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，本設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

國外針對這領(lǐng)域的研究起步較早，美國的Bissonnett M W 等人研發(fā)了智能花園裝置，通過采集生長狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)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(jìn)而對作物進(jìn)行澆水和施肥等操作。法國的Parrot 公司設(shè)計(jì)的FlowerPower 產(chǎn)品可以對作物的生長狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，用戶可以通過手機(jī)對作物進(jìn)行管理操作。我國的趙金濤也設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi 的農(nóng)田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，可以通過遠(yuǎn)程進(jìn)行灌溉控制。袁聞杰、宋朝偉、劉源等則針對花卉設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花裝置。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，此系統(tǒng)完成對溫濕度的監(jiān)測及手機(jī)端對灌溉的控制。以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的結(jié)合，軟硬一體化專用的設(shè)備常常用在專業(yè)的場合。因此必須遵循可靠性，易維護(hù)性，可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)原則才能滿足實(shí)用的需求。這里提出幾個(gè)重要原則指導(dǎo)開發(fā)的進(jìn)行。

1.1 以應(yīng)用為導(dǎo)向以系統(tǒng)集成為核心

任何系統(tǒng)的開發(fā)必須以實(shí)用性為向?qū)?，樸素的思想就是帶著?shí)際的應(yīng)用任務(wù)來開發(fā)，嚴(yán)格遵守目標(biāo)導(dǎo)向。系統(tǒng)的處理能力，開發(fā)成本，實(shí)用成本，設(shè)備功耗，體積，魯棒性都要考慮在內(nèi)，以便開發(fā)者更好的使用相關(guān)資源完成系統(tǒng)集成。

1.2 節(jié)省開發(fā)成本

優(yōu)先使用成熟技術(shù)，借鑒成熟設(shè)計(jì)，最大化的減少對硬件的電路設(shè)計(jì)，軟件底層代碼的編寫。這樣會(huì)大大減少調(diào)試時(shí)間；成熟的產(chǎn)品，成熟的設(shè)計(jì)在應(yīng)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(fā)相輔相成互相促進(jìn)

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)對使用者來說是一體化的設(shè)備，從使用者的角度來說，硬件軟件是一體的，所以在開發(fā)階段需要軟件硬件聯(lián)調(diào)聯(lián)試，綜合分析從軟件的角度最大化發(fā)揮硬件的功能，從硬件的增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性，提高執(zhí)行速度和增加可擴(kuò)展性。當(dāng)硬件連接完成，需要對軟件程序的編寫，在編寫數(shù)據(jù)采集和交互的時(shí)候，需要考慮到系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槌绦虻漠惓；蛘吣硞€(gè)錯(cuò)誤而有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，所以在編寫程序的時(shí)候就需要考慮這些情況并進(jìn)行相應(yīng)的方式去彌補(bǔ)，從而才能提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。

2 系統(tǒng)硬件選擇

2.1 單片機(jī)選擇

本系統(tǒng)選用STC89C52 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，STC89C52 單片機(jī)在原有的51 內(nèi)核芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)，功能較普通51 芯片強(qiáng)大數(shù)倍。無論是抗干擾能力還是芯片接口資源豐富，都有了超強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。STC98C52系列單片機(jī)的供應(yīng)是當(dāng)下芯片市場占比相當(dāng)大的，是由國內(nèi)宏晶科技一手研發(fā)的國產(chǎn)芯片，具有非凡的價(jià)值。其性能與性價(jià)比在當(dāng)今芯片市場是占據(jù)著不可或缺的地位。

2.2 溫度傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 對溫度進(jìn)行檢測，DS18B20 是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司在模擬的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)的數(shù)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(shè)計(jì)采用FC-28 土壤濕度傳感器負(fù)責(zé)檢測土壤的濕度。該產(chǎn)品的傳感元件及信號(hào)處理并進(jìn)行集成，輸入預(yù)先標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，使產(chǎn)品具有了很高的可靠性和長期穩(wěn)定性，并具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高，體積小和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)與手機(jī)APP 之間的無線通信選擇ESP8266 Wi-Fi通信模塊實(shí)現(xiàn)。ESP8266 為Soc 芯片，并且可以獨(dú)立運(yùn)行的32 位微控制器，承擔(dān)其聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)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(gè)字符，其內(nèi)部存儲(chǔ)了若干個(gè)不同的點(diǎn)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(dú)立按鍵，獨(dú)立按鍵所占的空間很少，也可以節(jié)省PCB 板的空間，用戶使用也更容易上手。本設(shè)計(jì)只需要通過按鍵設(shè)置溫濕度的閾值，獨(dú)立按鍵即可實(shí)現(xiàn)目的，電路的焊接也更容易，系統(tǒng)的形象也更簡潔。

3 系統(tǒng)總體方案

3.1 總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。手機(jī)APP 通過Wi-Fi模塊與下位機(jī)進(jìn)行通信，監(jiān)測蔬菜園的溫濕度數(shù)據(jù)，并可通過手機(jī)APP 開啟水泵進(jìn)行灌溉；系統(tǒng)以STC89C52 單片機(jī)為核心，通過溫度和濕度傳感器檢測溫濕度，并將輸出信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值或者濕度低于設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，且控制繼電器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)水泵抽水，進(jìn)行灌溉。同時(shí)單片機(jī)通過Wi-Fi 模塊將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，手機(jī)APP 軟件界面實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)，并可靈活控制水泵，進(jìn)行灌溉。液晶實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)，按鍵對溫濕度的閾值進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。

圖1 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 總體硬件電路

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)以STC89C52 單片機(jī)作為關(guān)鍵控制芯片展開，通過繼電器控制電路、電源電路等協(xié)同完成自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求。系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)包括以下11 個(gè)部分：

（1）STC89C52 最小系統(tǒng)電路，STC89C52 芯片具有3 個(gè)16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，512 字節(jié)的RAM，4 個(gè)外部中斷，8 KB字節(jié)的FLASH，4 KB 的EEPROM，1 個(gè)7 向量4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)。

（2）晶振電路，本系統(tǒng)在單片機(jī)外部加了一個(gè)晶振電路作為時(shí)鐘振蕩器，選用的是12 MHz 的低頻晶振，既提高了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，又滿足了低功耗的要求。

（3）復(fù)位電路，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的硬件復(fù)位。當(dāng)程序執(zhí)行到與預(yù)想的結(jié)果不一樣時(shí)，或者整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂，異常情況，則強(qiáng)制將程序復(fù)位至初始狀態(tài)，單片機(jī)內(nèi)部時(shí)序得到清零。

（4）供電電路，STC89C52 單片機(jī)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(jīng)過LM7805芯片進(jìn)行降壓，轉(zhuǎn)換為5 V 后為系統(tǒng)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(shù)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(jié)構(gòu)，即一個(gè)I/O 口可以讀很多個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)。

（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(jī)進(jìn)行通信，將土壤濕度值傳輸給STC89C52 單片機(jī)。

（7）Wi-Fi 傳輸電路，ESP8266 Wi-Fi 模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，支持AT+控制指令集，只要將模塊當(dāng)做無線傳輸模塊使用即可，無需進(jìn)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(shè)置溫濕度的閾值。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)有按鍵按下去的時(shí)候，單片機(jī)I/O 會(huì)被拉成低電平，通過運(yùn)行程序按鍵檢測子程序，從而可得知哪個(gè)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(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)目的。它包含幾個(gè)5×7 或5×11 點(diǎn)矩陣字符位，其字符位控制方式一一對應(yīng)，主要預(yù)先分配字庫控制方式，LCD1602 背面內(nèi)置芯片，可存儲(chǔ)字庫，采用單片機(jī)控制方式可大大減少煩瑣步驟。

（10）蜂鳴器報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)溫濕度超過閾值時(shí)的報(bào)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(dǎo)通和截止來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。

（11）繼電器控制電路，用于驅(qū)動(dòng)水泵的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，則發(fā)出指令讓繼電器工作，讓小水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.3 系統(tǒng)控制流程圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，STC89C52 單片機(jī)開始運(yùn)行，首先完成系統(tǒng)初始化，傳感器的初始化；接下來采集溫濕度；單片機(jī)將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)和相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行對比，超出設(shè)定值則進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后進(jìn)行串口通信和，將數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)APP，最后進(jìn)行液晶顯示。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)之后，就需要進(jìn)行硬件電路的調(diào)試，首先確認(rèn)電源和GND 引腳是否連接成功，有無遺漏。第二步確認(rèn)待焊接芯片是否與原理圖完全一致，主要檢查芯片的型號(hào)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(dǎo)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(dǎo)通，反之就是不導(dǎo)通，有可能就是存在虛焊、焊接錯(cuò)誤等問題，這時(shí)就需要仔細(xì)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(tài)，最后檢查無誤后系統(tǒng)上電，完成系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)硬件調(diào)試如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件調(diào)試圖

5 結(jié) 論

本文在反復(fù)的調(diào)研和求證下，通過對現(xiàn)有的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的方案。本方案實(shí)現(xiàn)了低功耗、智能控制、抗干擾性強(qiáng)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要研究成果如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)階段國內(nèi)外的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及現(xiàn)階段能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)條件，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了總體設(shè)計(jì)方案；

（2）軟硬件都采用了模塊化設(shè)計(jì)，方便在設(shè)計(jì)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(dòng)灌溉系統(tǒng)以STC89C52 單片機(jī)為核心，通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測溫濕度，最后通過Wi-Fi 傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)APP 進(jìn)行監(jiān)測和控制，完成自動(dòng)灌溉功能。