基于單片機(jī)的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金佳麟，李自成，林志杰，何天益，黃湛鈞

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000）

我國是一個(gè)水資源短缺，水旱災(zāi)害發(fā)生頻繁的國家，水資源總量較為豐富，居世界第六位，但是我國人口眾多，人均占有量卻不足世界人均占有水量的四分之一，已被聯(lián)合國列為貧水國家之一[1]，所以我國其實(shí)處于一種嚴(yán)重缺水的狀態(tài)。而我國農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)是用水大戶，所以優(yōu)化農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急[2]。因此，自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，本文所提及的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)就是基于單片機(jī)控制，在土壤中插入土壤濕度檢測儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤的濕度，當(dāng)土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，語音提示模塊就會發(fā)出警報(bào)并提醒用戶是否對自動灌溉過程進(jìn)行干預(yù)，用戶干預(yù)的主要目的是在觀察農(nóng)作物的生長狀況后，根據(jù)其生長情況來判斷該農(nóng)作物是否需要先前設(shè)置的土壤濕度參數(shù)，如果用戶干預(yù)，那么系統(tǒng)則立即停止工作，待用戶重新設(shè)置參數(shù)后啟動該系統(tǒng)，系統(tǒng)則恢復(fù)正常工作，如果不干預(yù)，則在超過設(shè)定時(shí)間后自動打開水閥對農(nóng)作物部分的土壤進(jìn)行灌溉，當(dāng)檢測到土壤濕度稍高于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，立刻停止灌溉。以此來實(shí)現(xiàn)在自動灌溉的同時(shí)也能節(jié)約水資源。

1 自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)的組成及工作原理

自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要由單片機(jī)、土壤濕度檢測儀、語音提示模塊、顯示模塊等組成。STC89C51 單片機(jī)作為中央控制器將土壤濕度檢測儀、顯示模塊、蜂鳴器模塊、自動灌溉模塊連接起來，形成一個(gè)自動化控制的閉環(huán)系統(tǒng)。土壤濕度檢測儀用于檢測農(nóng)作物土壤的濕度，并將檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，以此判斷檢測到的土壤濕度是否低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，以便后續(xù)的自動化操作。顯示模塊用于顯示濕度檢測儀實(shí)時(shí)檢測出的土壤濕度，方便用戶直接識別當(dāng)前的數(shù)值，也能夠讓用戶監(jiān)測自動化設(shè)備是否正常工作。蜂鳴器配合濕度檢測儀回傳的數(shù)據(jù)使用，當(dāng)土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)報(bào)警，此時(shí)用戶也可以選擇是否要進(jìn)行人工干預(yù)，能夠大大減輕用戶的工作量，實(shí)現(xiàn)真正的自動化。自動灌溉裝置則用于當(dāng)土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，打開水閥進(jìn)行灌溉。自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 自動灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由單片機(jī)、土壤濕度檢測儀、語音提示模塊、顯示模塊等組成，通過單片機(jī)將土壤濕度檢測儀與語音提示模塊、顯示模塊、自動灌溉系統(tǒng)等連接起來，實(shí)現(xiàn)根據(jù)土壤的濕度來自動灌溉。

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)采用最為常用的STC59C51 單片機(jī)，此單片機(jī)，因自身配套的開發(fā)版和學(xué)習(xí)資料比較多，且自身集成MAX810 專用復(fù)位電路，外設(shè)資源比較少，所以對于剛?cè)腴T單片機(jī)的新手來說確實(shí)是一塊比較友好的單片機(jī)選擇。在編程方面，因?yàn)樗陨砭哂性谙到y(tǒng)可編程ISP(In System Programming)特性，所以用戶只需在電腦端配合控制程序就可以把編寫好的程序代碼直接下載到單片機(jī)內(nèi)部，使用起來確實(shí)方便、快捷。在頻率方面，STC 的許多51 單片機(jī)，都會比傳統(tǒng)的51 系列單片機(jī)快不少。在價(jià)格方便，和許多51系列單片機(jī)相比，STC89C51 單片機(jī)都會便宜不少，且它的工作能力較為出色，一定程度上也降低了不少用戶的成本。由此看來，STC89C51 單片機(jī)憑借自身編程方便，工作效率高，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，成為我們在做一些小產(chǎn)品時(shí)很好的一個(gè)選擇。該單片機(jī)在此系統(tǒng)中主要用于接收土壤濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，并控制語音提示模塊、顯示模塊、灌溉模塊。

2.2 土壤濕度檢測模塊

土壤濕度檢測模塊主要由土壤濕度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。

2.2.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度檢測模塊用于實(shí)時(shí)檢測土壤的濕度，使用的是RS485 型土壤濕度傳感器，該傳感器的精度和性能都比較高，響應(yīng)速度快，體積也相對比較小，攜帶比較方便，在安裝和使用上也比較簡單，很容易操作，傳感器的探頭使用的是不銹鋼材質(zhì)，使用壽命大大延長，外部的封裝在接觸土壤時(shí)也能直接接觸，不會被土壤中的物質(zhì)給腐蝕掉，對土質(zhì)也不會有太大的影響，將傳感器與STC89C51 單片機(jī)連接起來，當(dāng)土壤濕度檢傳感器檢測到土壤濕度后，將檢測到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后將信號傳遞給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)利用土壤濕度的變化來控制后續(xù)模塊的工作狀態(tài)。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用主要是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因?yàn)橥寥罎穸葌鞲衅靼l(fā)送的是電流信號，屬于模擬信號，而單片機(jī)接收的信號是數(shù)字信號，所以要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換信號[3]。

2.3 顯示模塊

顯示模塊主要用于顯示土壤濕度傳感器檢測到的土壤的實(shí)時(shí)濕度，該模塊采用一個(gè)0.96 英寸的OLED顯示屏，具有功耗低、高分辨率、超大可視角度（大于160 度）的特點(diǎn)，在屏幕方面相比于其他屏幕，它更加輕薄，屏幕的彎曲度也更高，而且它的工作環(huán)境可以是在-40℃到80℃，所以無論是日曬雨淋的室外環(huán)境，還是夏天高溫的大棚環(huán)境，OLED 顯示屏都能夠很好勝任，在使用電的方面也比其他屏幕更加少，更加適合農(nóng)田這些戶外場景，它的工作電壓3V～5V，兼容3V 和5V 的電平邏輯。將OLED 屏幕連接到單片機(jī)，根據(jù)實(shí)際測得的數(shù)據(jù)顯示土壤的濕度，例如：當(dāng)檢測到土壤濕度為30%時(shí)，屏幕顯示“土壤濕度30% ”。

2.4 語音提示模塊

本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器即可完成此功能，蜂鳴器有體積小、耗電低、價(jià)格低、靈敏度高和良好的頻率特性的優(yōu)點(diǎn)，蜂鳴器的使用壽命也很長，在松動的情況下也不太影響它的工作，在使用上，安裝起來也比較方便，內(nèi)部使用五電磁線圈和動圈，不會出現(xiàn)漏電的可能，所以即使是在時(shí)常和水接觸的灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用，也不會擔(dān)心用戶的安全和設(shè)備因進(jìn)水導(dǎo)致的一些問題。蜂鳴器雖然體積很小，但是它的音量卻可以達(dá)到70 分貝，能有效地提醒用戶，在達(dá)到提示功能的同時(shí)也降低了投入成本。

語音提示模塊能夠讀取檢測儀檢測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤濕度已經(jīng)低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，會發(fā)出報(bào)警來提示用戶，此時(shí)用戶應(yīng)注意觀察農(nóng)作物的生長狀況，根據(jù)實(shí)際情況選擇是否對自動灌溉進(jìn)行干預(yù)。

2.5 自動灌溉模塊

自動灌溉模塊采用的是一個(gè)簡單的供水裝置，在供水的出水口加裝一個(gè)可以單片機(jī)控制的開關(guān)即可，利用單片機(jī)給出信號來控制是否出水，同時(shí)也要設(shè)定一個(gè)開關(guān)來控制該自動出水電路，因?yàn)楫?dāng)用戶在聽到語音系統(tǒng)報(bào)警后，它可以選擇去查看農(nóng)作物的情況，然后根據(jù)實(shí)際情況來判斷該農(nóng)作物在此狀態(tài)下是否需要灌溉。灌溉模塊在當(dāng)土壤濕度傳感器檢測到土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動灌溉，該功能的實(shí)現(xiàn)只需要將水閥與單片機(jī)相連接，土壤適度檢測儀器檢測土壤濕度時(shí)會給單片機(jī)一個(gè)信號，在檢測到土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定地?cái)?shù)值時(shí)，單片機(jī)給灌溉系統(tǒng)一個(gè)信號時(shí)，水閥自動打開，對農(nóng)作物部分的土壤進(jìn)行灌溉，當(dāng)土壤濕度高于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，單片機(jī)給定信號，水閥關(guān)閉，停止灌溉。但如果在預(yù)定時(shí)間內(nèi)用戶干預(yù)，那么此系統(tǒng)則立即停止工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

將該土壤濕度傳感器插入土壤，按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，土壤濕度檢測儀首先會對土壤的濕度進(jìn)行檢測，而該濕度檢測，始終貫穿這個(gè)流程始末，讀取數(shù)值也是持續(xù)進(jìn)行，然后連接在單片機(jī)的OLED顯示屏?xí)@示所測得的數(shù)值，如果該數(shù)值沒有低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，該土壤濕度檢測儀就繼續(xù)檢測土壤濕度，如果低于預(yù)先設(shè)置的數(shù)值時(shí)，語音模塊就會報(bào)警，提醒用戶是否對自動灌溉系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。如果用戶進(jìn)行了干預(yù)，則自動灌溉系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)結(jié)束工作，該干預(yù)的目的主要就是起著，當(dāng)用戶觀察農(nóng)作物生長情況后，認(rèn)為該農(nóng)作物的灌溉量，也就是土壤濕度不需要之前設(shè)定的數(shù)值，當(dāng)然該數(shù)值也可以根據(jù)農(nóng)作物不同的生長情況，不同的季節(jié)以及不同的生長周期進(jìn)行調(diào)整，這樣有利于更符合實(shí)際情況的農(nóng)作物生長[4]。例如：不同的農(nóng)作物對土壤濕度的要求不同，小麥不同時(shí)期的澆水就明顯不同，就需要大量水分，適用剛開始播種時(shí)，田地較為干旱的時(shí)候，當(dāng)用戶再次啟動時(shí)，該灌溉系統(tǒng)恢復(fù)工作。如果用戶不進(jìn)行干預(yù)，在預(yù)設(shè)的時(shí)間過后，灌溉系統(tǒng)的水閥就會自動打開，對農(nóng)作物部分土壤進(jìn)行灌溉，該灌溉量不會過高，以免出現(xiàn)灌溉過多，將農(nóng)作物根系破壞。由上文可知，對土壤濕度檢測的持續(xù)進(jìn)行，可得若土壤濕度高于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，灌溉系統(tǒng)就停止工作，土壤濕度檢測儀繼續(xù)檢測土壤濕度。若還低于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，就可以相當(dāng)于自保持地對土壤繼續(xù)進(jìn)行灌溉，直到稍微高于預(yù)設(shè)值，將灌溉系統(tǒng)停止。該系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)的流程圖如圖2 所示。

圖2 自動灌溉系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

本文以單片機(jī)為主控制器，利用土壤濕度傳感器來檢測農(nóng)作物部分土壤的濕度，利用OLED 顯示屏來顯示實(shí)時(shí)檢測到的土壤濕度，利用蜂鳴器報(bào)警來提醒用戶是否對自動灌溉功能進(jìn)行干預(yù)，利用單片機(jī)給定信號控制水閥開關(guān)來控制自動灌溉系統(tǒng)，這樣控制在一定程度上減少了勞動力的使用。